基于CAN总线的工厂电力监测分析网络系统设计

1.引言
　　由于现场总线(Field Bus)能同时满足过程控制和制造业自动化的需要，因此现场总线的研究与应用已成为工业数据总线领域的热点。尽管目前对现场总线的研究尚未能提出一个完善的标准，但现场总线高性能价格比将吸引众多工业控制系统采用。
　　工业配电对于工业企业的电网质量和生产的可靠运行至关重要，并对计划用电、节约用电有着重要意义。基于CAN总线的工业配电计算机监测分析网络系统即采用这种性能价格比很高的现场总线技术构成实时状态监测网络系统，其系统构成灵活简单，连线极少，抗干扰能力强，适应性好，易于维护，具有数据处理、分析、运行监测、录波和打印等功能，同时对原有设备未作太多的改动。实用性和可扩展性极强。

2.CAN总线的特点和通信协议
　　对于复杂的或大规模的工业应用，常需要使用大量的传感器、执行器等，它们通常分布在非常广的范围内。如果在最低层上采用传统星型拓扑结构，那么安装成本和介质造价都将非常昂贵；采用流行的LAN组件及环型或总线型拓扑结构，虽然可以减少电缆长度，但是增加的LAN介质及相关硬件和软件又使其系统造价与星型系统相差无几；如果采用BITBUS (BITBUS是总线型的高速串行网)，但BITBUS是主从式网络，主站、从站是系统固定分配的，不能动态地加以改变，不利于系统的扩展。它采用主站轮询式，大大加重了主站负担。

　　CAN(Controller Area Network)总线是德国Bosch公司从80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议。CAN总线以其卓越的特性，低廉的价格，极高的可靠性和灵活的结构，特别适合工业过程监控设备的互联，并已公认为最有前途的现场总线之一。
　　CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN可实现全分布式多机系统，且无主、从机之分；CAN可以用点对点、一点对多点及全局广播几种方式传送和接收数据；CAN直接通讯距离最远可达10km(传输率为5kbps)，通迅速率最高可达1Mbps(传输距离为40m)；CAN总线上节点数可达110个。
　　CAN通信协议规定有4种不同的帧格式，即数据帧、远程帧、错误帧和超载帧。
　　CAN总线基于下列5条基本规则进行通信协调：
　　1.总线访问　CAN控制器只能在总线空闲状态期间开始发送。所有CAN控制器同步于帧起始的前沿(硬同步)。
　　2.仲裁　若有两个或更多的CAN控制器同时发送，总线访问冲突通过仲裁场发送期间位仲裁处理方法予以解决。
　　3.编码/解码　帧起始、仲裁场、控制场、数据场和CRC序列使用位填充技术进行编码。
　　4.出错标注　当检测到位错误、填充错误、形式错误或应答错误时，检测出错条件的CAN控制器将发送一个出错标志。
　　5.超载标注　一些CAN控制器发送一个或多个超载帧以延迟下一个数据帧或远程帧的发送。
　　由于现场总线是双向的，因此能够从中心控制室对现场智能仪表进行标定、调整及运行诊断，甚至可在故障发生前进行预测。远程维护和控制在采用数字通信和现场仪表后也将成为可能。[page]

3.系统构成原理
　　本工业配电监测系统是对大中型企业的配电间进行监测。配电间内设有多个配电屏(本系统中为20个)，每个配电屏可对一部分用电地区进行停、送电控制，用电状态可通过安装在配电屏内的电压、电流互感器间接测量和评估。配电间管理所要监测的主要参数为配电系统的运行状态信息(配电系统的母排电压、电流及功率)以及结构状态信息(断路器、隔离开关和保护继电器等的合、分状态)。根据上述要求，本系统在保证系统可靠工作和降低成本的条件下，考虑到通用性、实时性和可扩展性等方面的因素，采用了主要由上位计算机系统和网络节点模块构成的系统结构。
　　上位计算机系统由通用个人计算机以及接通至通用PC机内部的CAN总线通信接口适配卡PCCAN组成。上位计算机系统负责系统的总体调度，向网络节点发送命令，接收节点数据，并对节点信息加以分析、存储、显示及打印。

　　CAN网络由20个网络节点组成，根据来自上位机系统的控制命令进行数据采集。网络节点负责对母排电压、电流及功率进行检测，并对零序电流和母排电压进行故障录波。对故障录波信号的采集速率为每秒钟3000次。除对运行状态信息的采集外，网络节点还对8路结构状态信息进行高速检测，采集速率为每秒钟100次。网络节点模块中采用以P80C592微处理器为核心的硬件结构，分别对各路模拟量及开关量进行采集，并根据主计算机的命令传送数据。
　　本系统采用PHILIPS的带有在片CAN控制器的微控制器P80C592，它是适用于自动化和通用工业应用的8位高性能微控制器。网络节点的通讯部分主要由P80C592的CAN控制器及CAN控制器接口器件82C250(在适配卡PCCAN上)组成。CAN控制器负责与微处理器之间的状态、控制和命令信号的交换，并承担网络通讯的控制任务。82C250是CAN控制器和物理总线间的接口，可以提供对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力。
　　CAN网络的拓扑结构采用总线式结构，这种结构比环型结构信息吞吐率低，并且用无源抽头连接，系统可靠性高。信息的传输采用CAN通信协议，通信介质仅采用两条双绞线即可。系统的总体结构如图1所示。[page]

4.系统软件设计和数据分析
　　在软件设计中，遵循模块化设计思想，采用结构化程序设计方案，使之具有良好的模块性、可修改性及可移植性。
　　根据主计算机系统所完成的任务，对于人机交流环节采用直观易懂、操作简便的图形界面。PC机的软件开发采用微软的Visual Basic3.0。因为VB作为Windows应用程序，有着与其它Windows应用程序相互一致、友好的用户界面，操作上十分方便。另外VB具有动态数据交换(DDE)、对象的链接与嵌入(OLE)、丰富的API函数、支持动态链接库(DLL)以及对数据库的操作管理等功能，这对于管理后台数据以及与网络节点进行通讯是十分方便的。
　　网络节点模块采用MCS-51汇编语言进行程序设计。MCS-51的指令系统指令丰富，寻址方式多样，支持各种类型的数据处理，具有执行速度快、编程效率高等特点，适于工业控制领域的应用。
　　故障录波是对信号进行高速采样，并利用采样数据绘制信号曲线，以便了解信号的变化情况，预测信号的变化趋势，是电力系统中监测信号的常用办法。
　　本系统中要求对零序电流及三相电压信号进行故障录波。录波信号的模/数转换采用P80C592的A/D转换器完成，以提高系统可靠性，减小体积，降低成本。P80C592的A/D转换器为10位转换器，在16MHz振荡频率下A/D转换时间为37.5μs(见图2)。
　　本软件系统共有21个功能子程序，其它子程序这里不再一一列举。
　　在整个软件系统中，数据处理模块负责对网络节点数据作快速傅利叶变换(FFT)和数据分析，及绘制电流，电压的变化曲线。对于离散的时间信号，其FFT正、反变换分别为：

　　函数p(k)=｜X(k)｜称为x(n)的振幅谱。在本系统中主要通过离散的FFT对信号的振幅进行分析，查出是否有干扰或不正常点，然后进行FFT反变换恢复原始信号，观察信号原形。
　　我们将具有N个元素的原函数序列x(n)分解成两个分离的长度各为N/2的数列，然后对分离的序列分别用N2/4次复数加法和乘法作傅利叶变换，再将中间结果组合成具有N个元素的数列x(n)。经过抽选操作，总运算次数降为：N*log2N。
　　运用基2时域FFT的蝶型抽选的计算流程，对上式进行奇(Xm(k))、偶(Ym(k))分解后有下式：

Xm(k)=Xm(k)+WPN+Ym-1(k)，
0≤k≤2m-1

(4-3)

其中：WN=exp(-j2π/N)
　　由上式可知，每一个蝶型运算都需要两个输入数据，计算结果也是两个数据，与其它结点数据无关。这样一次计算后输入数据就可放弃，减少了对内存的占用，提高了计算速度。
　　正常的正弦波经FFT正变换为两个对称的最大谱线，反变换后可以完全恢复原始信号；而带干扰的正弦波经FFT正变换后，除两个对称的最大谱线外，干扰信号的其它谱线也存在，据此可断定干扰的存在。反变换后可确定干扰信号的位置，并发出采取相应措施的指令，启动执行机构或保护装置。
5.结论与展望
　　本系统的最大特点就是造价低、结构灵活实用、高可靠性且安装调试简单，根据不同的现场情况与用户要求，本系统可扩展为不同的模式。除对高压配电盘上的模拟量和开关量进行监测外，也可用于对某些重要的低压配电和低压电机等电器设备运行状态的监测和控制。
　　现场总线不单单是一种通信技术，也不仅仅是用数字仪表代替模拟仪表，关键是用新一代的现场总线控制系统FCS(Field Bus Control System)代替传统的集散控制系统DCS(Distributed Control System)，实现现场通信网络与控制系统的集成。其本质即要实现在现场通信网络、现场设备互连、互操作性、分散功能块、通信线供电、开放式互连网络等功能。这也为工厂生产的全面自动化和远程控制奠定了基础。

参考文献

1　邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计.北京：北京航空航天大学出版社，1996：8～26
2　翟丽萍.CAN工业配电监测网络系统.大连理工大学硕士论文，1998：5～22
3　Sun Ao,He Xiwen,Xu Chengshen,Chen Xing.The Expert Network for Factory Automation Using Multi-sensor Information Fusion.First Information Conference on Multisource-Multisensor Information Fusion,Las Vegas,USA,1998
4　何熙文，徐承深，孙翱.Intel 8XC196MC/MD高档单片机原理及实用设计.大连：大连理工大学出版社，1995.12：31～36