CANBUS总线简介及其在电力系统中的应用①，canbus

[xss_clean]CANBUS总线简介及其在电力系统中的应用^①李建林　张仲超（浙江大学电气工程学院　杭州　310027）

1　引言
CAN总线是英文（ControllerAreaNet）的缩写，它与传统的BITBUS都属于总线式通讯网络，但两者却有本质区别。以往国内很多用户由于没有更好的选择，都采用BITBUS作为通讯的桥梁，其特点为：1）主从结构网络上只能有一个主节点，其余均为从节点。其造成的危害：由于一个BITBUS网络上只能有一个主节点，无法构成多主冗余结构的系统，因而对主节点的可靠性要求特别高，否则一旦主节点出现故障，则整个系统将处于瘫痪状态；2）数据通讯方式为命令响应型，网络上任一次数据传输都是由主节点发出命令开始，从节点接到命令后以响应方式传给主节点，这一特点使得网络上的数据传输效率大大降低，且使主节点控制器非常繁忙；同时下端出现异常时，数据不能立即上传，必须等待主节点下发命令，灵活性极差，在许多实时性要求较高的场合，这是致命的弱点，有可能造成重大事故；3）BITBUS与PC机之间存在着数据交换的瓶颈现象。尽管BITBUS本身的数据传输率很高，可达2．4MBPS，但是由于PC上的接口板PCX344板与PC总线之间的数据交换是一个一个字节进行的，从而使得PCX344与PC总线之间的数据交换速率实际上很低，从而产生了严重的瓶颈现象，大大影响了数据交换的速度；4）BITBUS的物理层采用的是较陈旧的RS422／485规范，链路层为SDLC协议，总体来讲效率较低，灵活性差，尤其是其错误处理能力不强。
用户采用了CANBUS总线技术，则使上述问题得到了很好得解决。CAN网络中任一节点均可作为主节点主动地与其他节点交换数据，彻底解决了BITBUS中长久以来一直困扰人们的从节点无法主动地与其他节点交换数据的问题，并由此而给用户的系统设计提供了极大的灵活性并可大大地提高其系统性能。CAN网络中的节点可分优先级，这对于有实时要求的用户无疑又是一个福音，这也是BITBUS无法比拟的。另外，CANBUS的物理层及链路层采用独特的实际技术，使其在抗干扰、错误检测能力方面的特性远远超过BITBUS，值得一提的是我们开发的CANBUS接口板是在充分吸取BITBUS接口板的不足的基础上精心设计的，其与主机的数据交换速率、数据处理能力、抗干扰等性能也远远超过BITBUS产品。
2　主要特性
（1）ISA总线插卡，可任意插在XT，AT兼容机上，方便地构成分布式监控系统；
（2）符合CAN总线规范2．0B；
（3）CANBUS可以多主方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息，而不分主从，通讯方式灵活。利用这一特点也可方便地构成多机备分系统；
（4）CANBUS网络上的节点可分成不同优先级，可以满足不同的实时要求；
（5）CANBUS采用非破坏性总线仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送数据信息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据，大大节省了总线冲突裁决时间；
（6）CANBUS可以点对点，一点对多点（成组）及全局广播几种方式传送收发数据；
（7）CANBUS的直接通讯距离最远可达10kM／5kBPS；
（8）CANBUS上的节点数实际可达110个，理论上可达2000个；
（9）CANBUS采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，这样传输时间短，受干扰的概率低，重新收发时间短；
（10）CANBUS每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据出错率极低；
（11）通讯介质采用廉价的双绞线即可，无特殊要求；
（12）CAN节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上的其他操作不受影响；
（13）NRZ编码／解码方式，并采用位填充（插入）技术；
（14）用户接口简单，编程方便，很容易构成用户系统；
（15）CAN总线接口卡上的收发器与主机采用光电隔离电路，以提高抗干扰能力及系统的可靠性。
CAN总线是一种支持分布式实时控制系统的串行通信的局域网络，由于其高性能、高可靠性、实时性好及其独特的设计，已广泛应用于控制系统中的各检测和执行机构之间的数据通信，较之传统的DCS，CAN总线有以下—些突出的优点：①总线式结构。一对传输线（总线）可挂接多台现场设备，双向传输多个数字信号，这种结构比一对一的单向模拟信号传送结构布线简单，安装费用低，维护简便；②开放互操作性。现场总线采用统一的协议标准，是开放式的互联网络，对用户是透明的。在传统的通信系统中，不同厂家的设备是不能互相访问的，而CAN采用统一标准，不同厂家的网络产品可以方便地接入同一网络，集成在同一控制系统中进行互操作，因此简化了系统集成；③彻底的分散控制。现场总线将控制功能下放到作为网络节点的现场智能仪表和设备中，做到了彻底的分散控制，提高了系统的灵活性、自治性和安全可靠性，减轻了DCS控制站CPU的计算负担；④可靠性高。采用数字信号传输数据，提高了数据的精度和抗干扰性。将控制功能放到现场设备中，使危险分散，系统的可靠性提高；⑤信息综合，组态灵活。通过数字化传输现场数据，CAN总线能获取现场仪表的各种状态、诊断信息，实现实时的系统监控和管理。
3　具体应用
随着电网的发展，变电站综合自动化所占比重越来越大，监控、保护之间的通讯协议显得越来越重要，特别是遥控功能要求很高的可靠性。为此，相应的高可靠性的通讯协议才能保证电网的可靠工作。我们所编制的这套协议具有简洁、明了、安全、可靠的特性。采用C语言编程，并且进行严格的校验，确保了数据传输的高可靠性，为保护与监控提供了非常方便而可靠的接口。CAN总线属于现场总线的范畴，根据现场总线的概念，CAN总线系统的一般组成模式应如图1所示。网络拓扑结构采用总线式结构。自动化设备采用工控PC机，控制节点为各间隔中的CPU，CAN总线两端有纵端电阻（一般为120Ω左右）。4　CAN通讯的结构设计
根据变电站内保护、自动控制和监控的要求，CAN总线通讯数据按性质和传输方式的不同分为五类。
（1）实时数据的周期性传输：根据变电站对实时数据显示要求，一般为1秒循环传送，这样进行数据处理后送后台机屏幕显示实时数据，确保3秒之内刷新。这类实时数据有模拟量、断路器和闸刀的状态量等。考虑到通讯的整体效率，仍然采用前置机和各间隔的循环查询来完成，应根据站内的最大结点数和最大数据量的情况来确定CAN总线的通讯速率；
（2）变电站正常操作量的数据通讯有遥控、遥调、保护定值和套号下发、无功控制命令和广播对时等，都是由前置机启动CAN通讯，但它优先于周期性传输量；
（3）间隔运行的随机信息有开关和闸刀操作的变位信息、各设备运行的预告警信息，它们都具时标。这类信息的实时性要高于上两类，它应由发生结点迅速上传给前置机和调度；
（4）事故信息是指发生事故时，相应设备间隔应立即将保护动作的事故信息和录波数据上传给前置机和调度，它的优先权要高于随机信息；各间隔（或结点）之间的保护和控制信息的传递，这类信息有变压器后备保护动作信息，如变压器三侧过流保护的第一时限跳各侧的母分开关；自动控制装置的动作出口或闭锁信息，如变压器手跳中低压侧受总开关时闭锁相应侧的BZT；变压器保护动作跳中低压侧受总开关时，启动相应侧的BZT；在35kV和10kV母分开关间隔的低周减载出口跳相应间隔的线路；这类结点之间通讯优先权是最高的。
5　CAN通讯原理及其实际应用
图2示出信息缓冲区的内部结构。
（1）TIMESTAMP：一旦检测到一帧数据的ID号后，便会将TIMER的高8位值拷贝到相应MB的该字段；
（2）CODE：发送接收的控制段，该段置相应的值便可按所设计的式来完成发送或接收。当MB用于发送时，该位置0XC，则会将MB内数据无条件的发送出去，假如发送成功的话，该字段值变为0X8。所以在发送过程中，当发送完成后，应检测该字段值是否为0X8，若不等于该值，应等待，直至这个MB的数据全部成功地发送完成后，再允许下一个MB进行发送；当该MB用于接收时，若将该字段置0，则说明这个MB还未准备好，若置0X40，则表示该MB的数据区已经空了，可以接收下一个数据了。若成功地接收到一个MB的数据后，相应的IFLAG会置1。因此，在接收过程中，当接收完一个MB的数据后，应检测IFLAG对应的值，直至相应位置1，再允许下一个MB，这样可保证接收到的数据不会丢失；
（3）LENGTH：所发送数据的字节总数，当该MB用做发送MB时，该字段的值应与所发送的字节总数相同。当MB做接收时，则该字段会将所发送的数据的总字节数自动放在对应的LENGTH内；
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