CANBUS總線簡介及其在電力系統(tǒng)中的應用

CANBUS總線簡介及其在電力系統(tǒng)中的應用^①

李建林 　張仲超

（浙江大學電氣工程學院　杭州　310027）

    摘  要　CANBus總線是一種支持分布式實時控制系統(tǒng)的串行通信的局域網(wǎng)絡。由于其高性能、高可靠性、實時性好及其獨特的設計，已廣泛應用于控制系統(tǒng)中的各檢測和執(zhí)行機構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信。隨著電網(wǎng)的發(fā)展，變電站綜合自動化所占比重越來越大，監(jiān)控、保護之間的通訊的可靠性和準確性顯得越來越重要。而CANBus總線的通信速率完全能達到測控系統(tǒng)實時性的要求，出錯率極低，運行效果很好。同時由于運用該總線技術(shù)，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性、實時性，且性能價格比高，安裝維護簡潔方便，能創(chuàng)造很好的經(jīng)濟效益，因而具有廣闊的應用前景。
    關(guān)鍵詞　控制器局域網(wǎng)絡　總線　可靠性

1　引言
　　CAN總線是英文（Controller Area Net）的縮寫，它與傳統(tǒng)的BITBUS都屬于總線式通訊網(wǎng)絡，但兩者卻有本質(zhì)區(qū)別。以往國內(nèi)很多用戶由于沒有更好的選擇，都采用BITBUS作為通訊的橋梁，其特點為：1）主從結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡上只能有一個主節(jié)點，其余均為從節(jié)點。其造成的危害：由于一個BITBUS網(wǎng)絡上只能有一個主節(jié)點，無法構(gòu)成多主冗余結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，因而對主節(jié)點的可靠性要求特別高，否則一旦主節(jié)點出現(xiàn)故障，則整個系統(tǒng)將處于癱瘓狀態(tài)；2）數(shù)據(jù)通訊方式為命令響應型，網(wǎng)絡上任一次數(shù)據(jù)傳輸都是由主節(jié)點發(fā)出命令開始，從節(jié)點接到命令后以響應方式傳給主節(jié)點，這一特點使得網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)傳輸效率大大降低，且使主節(jié)點控制器非常繁忙；同時下端出現(xiàn)異常時，數(shù)據(jù)不能立即上傳，必須等待主節(jié)點下發(fā)命令，靈活性極差，在許多實時性要求較高的場合，這是致命的弱點，有可能造成重大事故；3）BITBUS與PC機之間存在著數(shù)據(jù)交換的瓶頸現(xiàn)象。盡管BITBUS本身的數(shù)據(jù)傳輸率很高，可達2．4 MBPS，但是由于PC上的接口板PCX344板與PC總線之間的數(shù)據(jù)交換是一個一個字節(jié)進行的，從而使得PCX344與PC總線之間的數(shù)據(jù)交換速率實際上很低，從而產(chǎn)生了嚴重的瓶頸現(xiàn)象，大大影響了數(shù)據(jù)交換的速度；4）BITBUS的物理層采用的是較陳舊的RS422／485規(guī)范，鏈路層為SDLC協(xié)議，總體來講效率較低，靈活性差，尤其是其錯誤處理能力不強。
　　用戶采用了CANBUS總線技術(shù)，則使上述問題得到了很好得解決。CAN網(wǎng)絡中任一節(jié)點均可作為主節(jié)點主動地與其他節(jié)點交換數(shù)據(jù)，徹底解決了BITBUS中長久以來一直困擾人們的從節(jié)點無法主動地與其他節(jié)點交換數(shù)據(jù)的問題，并由此而給用戶的系統(tǒng)設計提供了極大的靈活性并可大大地提高其系統(tǒng)性能。CAN網(wǎng)絡中的節(jié)點可分優(yōu)先級，這對于有實時要求的用戶無疑又是一個福音，這也是BITBUS無法比擬的。另外，CANBUS的物理層及鏈路層采用獨特的實際技術(shù)，使其在抗干擾、錯誤檢測能力方面的特性遠遠超過BITBUS，值得一提的是我們開發(fā)的CANBUS接口板是在充分吸取BITBUS接口板的不足的基礎上精心設計的，其與主機的數(shù)據(jù)交換速率、數(shù)據(jù)處理能力、抗干擾等性能也遠遠超過BITBUS產(chǎn)品。
2　主要特性
　　（1）ISA總線插卡，可任意插在XT，AT兼容機上，方便地構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)；
    （2）符合CAN總線規(guī)范2．0 B；
　　（3）CANBUS可以多主方式工作，網(wǎng)絡上任意一個節(jié)點均可以在任意時刻主動地向網(wǎng)絡上的其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，通訊方式靈活。利用這一特點也可方便地構(gòu)成多機備分系統(tǒng)；
　　（4）CANBUS網(wǎng)絡上的節(jié)點可分成不同優(yōu)先級，可以滿足不同的實時要求；
　　（5）CANBUS采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡上傳送數(shù)據(jù)信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，大大節(jié)省了總線沖突裁決時間；
　　（6）CANBUS可以點對點，一點對多點（成組）及全局廣播幾種方式傳送收發(fā)數(shù)據(jù)；
　　（7）CANBUS的直接通訊距離 遠可達10kM／5 kBPS；
　　（8）CANBUS上的節(jié)點數(shù)實際可達110個，理論上可達2000個；
　　（9）CANBUS采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，這樣傳輸時間短，受干擾的概率低，重新收發(fā)時間短；
　　（10）CANBUS每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)出錯率極低；
　　（11）通訊介質(zhì)采用廉價的雙絞線即可，無特殊要求；
　　（12）CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上的其他操作不受影響；
　　（13）NRZ編碼／解碼方式，并采用位填充（插入）技術(shù)；
　　（14）用戶接口簡單，編程方便，很容易構(gòu)成用戶系統(tǒng)；
　　（15）CAN總線接口卡上的收發(fā)器與主機采用光電隔離電路，以提高抗干擾能力及系統(tǒng)的可靠性。　　
　　CAN總線是一種支持分布式實時控制系統(tǒng)的串行通信的局域網(wǎng)絡，由于其高性能、高可靠性、實時性好及其獨特的設計，已廣泛應用于控制系統(tǒng)中的各檢測和執(zhí)行機構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信，較之傳統(tǒng)的DCS，CAN總線有以下—些突出的優(yōu)點：①總線式結(jié)構(gòu)。一對傳輸線（總線）可掛接多臺現(xiàn)場設備，雙向傳輸多個數(shù)字信號，這種結(jié)構(gòu)比一對一的單向模擬信號傳送結(jié)構(gòu)布線簡單，安裝費用低，維護簡便；②開放互操作性。現(xiàn)場總線采用統(tǒng)一的協(xié)議標準，是開放式的互聯(lián)網(wǎng)絡，對用戶是透明的。在傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)中，不同廠家的設備是不能互相訪問的，而CAN采用統(tǒng)一標準，不同廠家的網(wǎng)絡產(chǎn)品可以方便地接入同一網(wǎng)絡，集成在同一控制系統(tǒng)中進行互操作，因此簡化了系統(tǒng)集成；③徹底的分散控制。現(xiàn)場總線將控制功能下放到作為網(wǎng)絡節(jié)點的現(xiàn)場智能儀表和設備中，做到了徹底的分散控制，提高了系統(tǒng)的靈活性、自治性和安全可靠性，減輕了DCS控制站CPU的計算負擔；④可靠性高。采用數(shù)字信號傳輸數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)的精度和抗干擾性。將控制功能放到現(xiàn)場設備中，使危險分散，系統(tǒng)的可靠性提高；⑤信息綜合，組態(tài)靈活。通過數(shù)字化傳輸現(xiàn)場數(shù)據(jù)，CAN總線能獲取現(xiàn)場儀表的各種狀態(tài)、診斷信息，實現(xiàn)實時的系統(tǒng)監(jiān)控和管理。
3　具體應用

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