基于CAN总线的分布式监测诊断技术研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 2.53MB 85 页 15积分
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摘 要
多年来，现场总线一直致力于开发一种单一的、开放的标准对现场的各类设
备进行编址。同时，通信技术的成本近几年已经明显的降低，将简单设备直接连
接到网络上的成本由此变得经济。控制器局域网(CAN)属于现场总线的范畴，最初
是由德国 BOSCH 公司为汽车的监测、控制系统设计的。它是一种有效支持分布式
控制或实时控制的半双工串行通信网络，具有纠错能力强、传输速度快、自动解
决总线竞争、自动重发等特点，把它应用于系统分布比较分散且需要在同一总线
上挂接多个节点的场合是非常适合的。在汽车电子控制、过程控制、机械工业、
纺织机械、机器人、数控机床、医疗器械以及传感器等领域都采用了 CAN 总线。
它己经形成国际标准，并己被公认为几种最有前途的现场总线之一。
随着工业自动化程度不断提高，现代化的连续作业设备逐年增加，为了安全、
稳定、长周期、满负荷优质运行，往往应配装先进的在线监测与故障诊断系统。
故障诊断系统性能的优劣将直接决定状态监测的实时性、精确性以及诊断结果的
准确性。将先进的计算机技术、通信技术、人工智能技术应用于监测与故障诊断
系统中，是当今国内外的发展趋势。众多因素都要求在加强设备故障机理、诊断
方法及诊断决策等基础理论研究的同时，也应进一步加强设备监测诊断系统构成
技术的研究，后者也是当前研究的薄弱环节之一。
本文针对传统设备故障诊断技术难以满足分散且复杂系统的问题求解和实时
性故障诊断的要求，将分布式系统与现场总线技术相结合，利用计算机能快速有
效提取故障信号的特征，提出基于 CAN 总线的汽车空调分布式监测诊断系统。采
用ZLG DeviceNet 系列产品设备组建了一个符合 CAN 协议规范的 DeviceNet 网络，
负责主站和各从站之间的通信。软件设计分为两套：故障诊断系统软件和包括通
信软件在内的功能软件，依据各个部分的功能采用模块化设计。其中故障诊断系
统软件是依据故障诊断技术形成的知识库来完成的，对多采集点不同信号源采用
不同的管理方式的系统管理软件，采集节点的数据是通过 CAN 总线传输的。
关键词：状态监测 故障诊断 分布式系统 CAN总线
ABSTRACT
Since many years ago, fieldbus has been keeping on developing a single and open
standard for each kind of device on-the-scene to proceed coding. Simultaneously, the
cost of communication technology has been cut down apparently in these years, the cost
of connecting simple device to the network becomes more economical. CAN(Controller
Area Network)bus was designed for the monitoring and control system of automobile
by Germany BOSCH Company at first. It is a kind of effective serial communication
network which supports distributed controlor real-time control.It has advantages such as
multiple masters, high transmit rate,high data safety, and it has formed international
standard and has been recognized as one of the most promising on-the-spot buses.
With the constant increase of industrial automation and the continuum modern
equipment, considering of security, stability, long-period, full-load operation of high
quality, on-line monitoring and fault diagnosis system often fitted with. Performance of
Fault Diagnostic System will directly determine the merits of the real-time condition
monitoring and diagnostic accuracy of the results. Advanced computer technology,
communication technology, artificial intelligence technology used in monitoring and
fault diagnostic system are the development of the trends at home and abroad. Many
factors require to strengthen not only the mechanism of diagnostic methods and
decision-making but monitoring and diagnosis equipment technology of a system.
In this paper, traditional fault diagnosis is difficult to solve the separate and complicated
system and the need of real-time diagnosis, so by connecting the distributed system with
the field bus techniques as well as adopting computer which can extract fault symptoms
rapidly, a distributed monitoring and diagnostic system of auto air-condition based on
CAN bus is put forward. ZLG DeviceNet product formed DeviceNet network in charge
of the communications between master and slave which matched the CAN protocol
specification. The software design is divided into two parts: fault diagnosis software and
communication software. Former which was completed by fault diagnosis knowledge
base, according to the difference signal source collected used different management.
Acquisition nodes were transmissed through CAN bus.
Key word: condition monitoring, fault diagnosis, distributed system,
CAN bus
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ...................................................................................................................1
§1.1 课题的背景、目的及意义 ................................................................................ 1
§1.2 该领域目前的国内外先进水平 ........................................................................ 2
§1.3 故障监测诊断技术的发展状况 ........................................................................ 3
§1.3.1 故障监测诊断技术概述 .............................................................................3
§1.3.2 设备状态监测及诊断过程 .........................................................................6
§1.3.3 国内外研究现状及发展趋势 .....................................................................7
§1.4 本文的主要研究内容 ........................................................................................ 8
第二章 控制器局域网总线－CAN .............................................................................. 9
§2.1 现场总线技术的发展 ........................................................................................ 9
§2.2 现场总线控制系统体系结构 ...........................................................................11
§2.3 CAN 总线的技术规范 .....................................................................................12
§2.4 CAN 总线的特点 .............................................................................................18
第三章 CAN 总线通信网络系统的设计 ................................................................... 21
§3.1 系统硬件设备简介 .......................................................................................... 21
§3.1.1 DN-PCI-5110 DeviceNet 主站卡 .............................................................21
§3.1.2 DNP-9810 DeviceNet 从站接口卡 .......................................................... 22
§3.1.3 CADAM 系列 I/O 模块 ........................................................................... 23
§3.2 CAN 总线通信网络的组建 .............................................................................24
§3.2.1 系统总体结构设计 ...................................................................................24
§3.2.2 智能 CAN 节点的硬件电路设计 ............................................................ 25
§3.2.3 CAN 网络系统通信软件设计 ................................................................. 26
§3.3 CAN 总线通信网络测试平台的实现 .............................................................41
第四章 汽车空调故障诊断平台的设计与实现 .........................................................50
§4.1 分布式系统软件设计 ...................................................................................... 50
§4.1.1 分布计算机系统的特点及分类 ...............................................................50
§4.1.2 分布计算机系统结构 ...............................................................................51
§4.1.3 分布式程序设计 .......................................................................................53
§4.2 计算机支持的协同工作技术 .......................................................................... 54
§4.2.1 协同科学和 CSCW 技术 ......................................................................... 54
§4.2.2 CSCW 应用系统 ...................................................................................... 55
§4.2.3 协同计算技术 ...........................................................................................55
§4.3 知识库模型设计 .............................................................................................. 57
§4.3.1 基本特征和基本结构 ...............................................................................57
§4.3.2 知识的获取和表示 ...................................................................................59
§4.3.3 诊断推理机制 ...........................................................................................61
§4.4 故障诊断平台的设计与实现 .......................................................................... 63
§4.4.1 汽车空调诊断系统设计 ...........................................................................63
§4.4.2 监测功能模块的实现 ...............................................................................66
§4.4.3 诊断功能模块的实现 ...............................................................................68
第五章 结束语 .............................................................................................................78
参考文献 .........................................................................................................................79
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................82
致 谢 ...............................................................................................................................83
第一章 绪论
•1•
第一章 绪论
§1.1 课题的背景、目的及意义
现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算
机局域网。它的出现，标志着工业控制领域又一个新时代的开始，并将对该领域
的发展产生重要影响。
现场总线技术将单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，
连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。它所带来
的变化正如众多分散的计算机被网络连接在一起，使计算机的功能加入到信息网
络的行列。因此把现场总线技术说成是一个控制技术新时代的开端并不过分[1]。
CAN总线属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的
串行通信网络。具有纠错能力强、传输速度快、自动解决总线竞争、自动重发功
能等特点[2]。由于CAN总线符合IS011898标准，是很有发展前景的一种现场总线，
得到了国际上许多大公司的支持。如Motorola、Intel、Philip等厂商生产的具有
CAN总线接口的芯片，其硬件接口简单，编程方便，系统构成容易，用户操作简
便，开发系统价廉[3]。基于CAN总线以上的特点，把它应用于系统分布比较分散且
需要在同一总线上挂接多个节点的场合是非常适合的。
现场总线控制系统是新一代的全分布式控制系统(DSC)，适应了控制系统向智
能化、网络化、分散化发展的趋势，具有强大的生命力。它是应用在生产现场或
微机化测量控制设备之间、实现双向串行多节点数字通信的系统；它将专用的CPU
置入传统的测量控制仪表，使它们各自具有了计算和通信的能力。与早期的模拟
数字信号混合的集散控制系统不同，现在的分布式控制系统是全数字系统模拟量
的输入、输出，通过各节点端的AD、DA转换为数字量，便于各个节点之间通信。
节点具有一定通信和计算的能力，在网络或其它节点出现问题时不易受到影响。
而电子技术、计算机技术、网络技术的发展，使得工业控制系统向分散化、网络
化、智能化的方向发展，以解决因系统庞大而带来的可靠性、稳定性、实时性以
及易实现性等问题，因此实时分布式系统在工业控制系统中的使用越来越多。
工业设备尤其是大型关键设备安全可靠地以最优状态运行是设备故障诊断领
域的长期研究课题。故障诊断系统性能的优劣将直接决定状态监测的实时性、精
确性以及诊断结果的准确性。其中系统结构对于可靠性、实时性、可扩充性及系
统运行效率等性能指标的影响较大。由于系统构成不合理，导致系统工作效率低
和可靠性差。因此，绝大部分设备监测诊断系统一直未能直接介入生产控制过程，
由开环向闭环发展的道路举步维艰。这极不利于实现工业生产过程中设备状态、
基于 CAN 总线的分布式监测诊断技术研究
•2•
产品质量和生产率的全局最优。众多因素都要求在加强设备故障机理，诊断方法
及诊断决策等基础理论研究的同时，也应进一步加强设备监测诊断系统构成技术
的研究，实际上后者也是当前研究的薄弱环节之一。
分布式监测诊断系统(DMDS)是针对大型设备主机和多辅机功能分布和地域
分布的特点，通过工业局域网把分布于各局部现场、独立完成特定功能的本地计
算机互联起来，以达到资源共享、协同工作、分散监测和集中操作、管理、诊断
目的的工业计算机网络系统；是以微型计算机为核心的计算机技术、设备故障诊
断技术、网络通信技术、CRT 显示技术竞相发展并紧密结合的产物。分布式监测
诊断系统设计是一项复杂的系统工程，系统一旦建立，就成为工厂生产过程控制
与设备管理大系统的一部分，这和离线监测诊断、简易监测诊断有较大的区别。
分布式监测诊断系统在设备故障诊断领域的相关理论和实际应用水平还没有完全
成熟，但可以相信，分布式结构将是大型成套设备监测诊断系统发展的必然趋势。
§1.2 该领域目前的国内外先进水平
目前现场总线在美国和欧洲等发达国家和地区发展迅速，并己经有较多的应
用范例。在亚洲远东地区，许多大学和研究机构正在利用它们自身的条件帮助用
户提高对现场总线技术的认识和理解。根据市场的需求和技术的发展趋势，国外
各大仪表制造厂都把发展现场总线技术和产品放在技术进步的第一步。
CAN是80年代初博世公司为解决现代汽车中众多控制单元、测试仪器之间的
实时数据交换而开发的一种串行通信协议，经多次修订，于1991年9月形成技术规
范2.0版本。目前，集成有CAN协议的器件不断推出，其中有Intel公司的82526和
82567 、PHILIPS 的82C200 和SJA1000 、NEC 公 司 的 72005 、摩托罗拉公司的
68HC05X4、西门子的81C90/91等，它的应用范围同时也在迅速扩大[4]。
从应用的角度看，由于CAN总线本身的优点，它的应用范围己不再局限于汽
车行业，而向机械制造、纺织机构、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械、
建筑物管理监控、火车、船舶、传感器等领域发展。随着计算机、通信和控制技
术的发展和多学科的融合，在应用领域还出现了将CAN总线应用于构建计算机局
域网[5]。从研究角度来说，对CAN总线的研究也将会深入至传输介质、网络拓扑结
构、错误判断及处理、节点数及数据传输率和传输安全性等方面。
作为一种重要的现场总线，CAN也在朝标准化的方向完善和发展。CAN协议
被国际标准化组织承认，进一步促进了CAN总线在各测控领域中的应用。总的说
来，CAN总线有强大的生命力。作为刚刚在国内兴起的技术手段，它将随着现代
科技的发展，以其独到之处，成为现场测控乃至更广范围内控制网络的明智选择[6]。
受分布式控制技术的影响，20世纪90年代以来，设备在线状态监测与故障诊
第一章 绪论
•3•
断系统被赋予网络化的特点，进入分布式时代。在这一过程中，又以流程工业大
型成套关键设备的在线状态监测与故障诊断系统首当其冲[7]。通过网络以分散监测
和集中操作、管理、诊断的优良特性成功地解决了测点数量多、分布广的难题。
同时从长远发展来看，通过网络互连，可以弥补当前上层网络设备管理信息系统
中设备现场运行工况动态信息的空白，为实现企业全局设备生产任务的动态调度
铺平了道路。分布式状态监测故障诊断技术是一门面向企业大型成套、关键设备
或协作密切的设备群的跨学科综合应用技术，将成为设备故障诊断领域的一个迅
速发展的分支[8]。
在我国工业控制系统中，低端设备的控制系统大多是分散式的，各测控点之
间不能沟通，由操作人员来控制其协调工作，效率十分低下。中端设备大多为集
中式控制系统控制，但是一旦主机出现故障，就会造成整个控制回路瘫痪。在这
种应用弊端下，现场总线的出现和广泛应用就可以很好的解决这个问题。因此可
以看出现场总线的出现是顺应了工业控制体系完善发展的趋势的，具有良好的推
广价值和研究价值的。然而我国的现场技术起步很晚，起点也较低，正处于现场
总线技术的初级阶段。我国现场总线的市场是巨大的，据估计近期可以达到2到3
亿美元，而其潜力更令国外开发商垂涎。面对国外各路总线正以迅猛之势进军中
国，加之中国成功入世，如何迎接挑战，最大限度的跟上国际技术发展的步伐，
积极吸收和引进国外现场总线的先进技术和管理经验，是亟待解决的问题。
在己过去的几年里，CAN 总线技术的应用水平得以不断提高，我国工业自动
化水平也有很大发展。CAN 总线技术必然会随着现场总线时代的到来、我国不断
的经济改革以及市场开放的巨大需求而得以更加深入的理解和更为广泛的应用。
§1.3 故障监测诊断技术的发展状况
设备故障诊断，至今己有悠久历史。可以说几乎是与机器同时产生。最初机
械设备较为简单，维修人员主要靠感觉器官、简单仪表和个人经验就能判断出故
障所在，提出修复措施[9]。
§1.3.1 故障监测诊断技术概述
故障监测与诊断技术(FDD)是为了适应“监控系统”的要求而发展起来的。最
早的故障诊断技术研究是美国国家航天局为了执行“阿波罗”计划而进行的，并
迅速向其它行业推广。几十年来，故障监测与诊断技术己得到了深入、广泛的研
究，提出了众多可行的方法，在飞机自动驾驶、人造卫星、航天飞机、核反应堆、
汽轮发电机组、汽车及船舶发动机、冶金设备、石化设备、矿山机械等各个领域
得到了广泛的应用，取得了大量的应用成果，并带来了巨大的经济效益。近三十
基于 CAN 总线的分布式监测诊断技术研究
•4•
年来，故障诊断技术不断吸收科学技术发展的新成果，诊断理论和应用都有了长
足的发展和进步，至今己形成集数学、物理、化学、力学、电子技术、信息处理、
人工智能和各专业学科于一体的新兴交叉学科。其研究内容主要集中在故障机理
的研究、故障信息处理技术的研究、人工智能技术的应用研究等几方面。
按照故障诊断手段划分，故障诊断技术可分为：传统的故障诊断方法、基于
数学的故障诊断方法和基于人工智能的故障诊断方法。
§1.3.1.1 传统的故障诊断方法
传统的故障诊断方法主要通过两种途径：一是利用各种物理或化学的原理和
手段，通过伴随故障出现的各种物理和化学现象，直接监测故障。例如可以利用
声、光、电、射线、磁等多种手段，观测其变化规律和特征，用以直接故障监测
和故障诊断，这种方法形象、快速、有效，但只能检测部分故障。二是利用故障
所对应的征兆来诊断故障。为此，要深入研究各种故障的机理，研究各种故障所
对应的征兆。在诊断过程中首先分析设备运行中所获取的各种信号，提取信号中
的各种特征信息，从中获得与故障有关的征兆，利用征兆进行故障诊断[10]。由于
征兆与故障之间并不存在简单的一一对应关系，因此利用征兆进行故障诊断往往
是一个反复探索和求解的过程。
§1.3.1.2 故障诊断的数学方法
故障诊断的数学方法可分为两大类，即基于控制系统动态模型的方法和不依
赖于动态模型的方法。基于控制系统动态模型的方法的诊断思路是利用各种观测
器或滤波器对控制系统的状态或参数进行重构，并提取出残差序列，然后利用一
些措施来增强残差序列中所包含的故障信息，抑制模型误差等非故障信息，通过
对残差序列的统计就可以检测出故障的发生并进行诊断，如序列概率比方法、等
价空间法、检测滤波器法、参数估计法和自适应扩展卡尔曼滤波器方法等。
由于控制系统的复杂性，建立完善、精确的系统模型是非常困难的，有时甚
至不可能，这时基于系统动态模型的方法就不再适用，因此许多不依赖系统动态
模型的方法应运而生，包括：基于系统输入、输出信号处理的方法、模式识别方
法、故障树诊断方法、基于模糊数学的诊断方法和基于小波变换的诊断方法等。
§1.3.1.3 基于人工智能的故障诊断方法
故障诊断的人工智能方法主要包括知识库、神经网络方法和分布式人工智能
方法。
1．基于知识库的故障诊断方法
这种方法不依赖于系统的数学模型，而是根据人们长期的实践经验和大量的
故障信息知识设计出一套智能计算机程序，用来解决复杂系统的故障诊断问题。
第一章 绪论
•5•
对于在线监视或诊断系统，数据库中存储了实时监测到的工作数据，对于离
线系统，数据库中的数据可以是故障发生时监测到的数据，也可以是人为检测到
的一些特征数据。知识库中存放的是某个故障的故障征兆、故障模式、故障成因
和处理意见等内容。规则集是一组规则，反映系统的因果关系。人机接口界面可
以为数据库增添系统故障发生前或发生时观测到的一些特征量和进行诊断结果输
出。知识库的诊断程序在数据库的支持下，综合利用各种规则，进行一系列的推
理，它在运行时向用户索要必需的信息后，就可以快速直接地找到最终故障或是
最有可能的故障，再由用户来证实。
目前一些新的探索是Pazzani等人提出了一种由失误驱动的故障诊断策略的自
学习方法[11]。其基本思想是当一个假设在以后被否定时，应该自动修改故障诊断
策略，以免以后犯类似的错误。这样随着系统的运行，系统将不断完善，能更加
有效地寻找到故障源。
Huang等提出了应注意利用被控过程元件间的因果关系，以
便诊断罕见的故障和广泛意义上的故障。Yoon等提出的诊断“新颖故障”的方法
同样也利用了系统元件间的因果知识。
2．基于人工神经元网络的诊断方法
传统的知识库故障诊断，只能解决事先存储好的由专家的经验知识总结出来
的故障现象与处理方法相对应的诊断，当遇到新问题、新故障时，它就无能为力
了。由于神经元网络具有大规模并行处理及进行联想、推测、记忆等功能和自组
织、自学习能力，能克服传统知识库当启发式规则未考虑到就无法工作的缺陷，
非常适合于故障先验知识少的复杂系统的故障诊断。将神经元网络应用于过程监
测系统己成为一个非常活跃的研究领域。目前，利用神经元网络进行控制系统的
故障诊断主要有离线诊断和在线诊断两种方式[12]。
3．分布式人工智能方法
提出分布式人工智能故障诊断方法主要是因为：
⑴要处理的问题本身就是分布式的，如分布式传感器网络和分布式信息的提
取，DAI是最合适的解决办法；
⑵诊断问题，特别是一些大型复杂设备的诊断问题在结构、功能、运行环境、
以至故障与现象之间的关系的复杂性，需要将问题和处理过程分解；
⑶单独一个Agent的知识和求解能力有限，而多个智能体Agent合作可求解一些
单个Agent所不能求解的复杂问题；
⑷满足系统实时性要求，带来高效率；
⑸利于容错，提高系统的整体可靠性；
⑹有利于系统扩充，设计开放式系统。
摘要：

摘要多年来，现场总线一直致力于开发一种单一的、开放的标准对现场的各类设备进行编址。同时，通信技术的成本近几年已经明显的降低，将简单设备直接连接到网络上的成本由此变得经济。控制器局域网(CAN)属于现场总线的范畴，最初是由德国BOSCH公司为汽车的监测、控制系统设计的。它是一种有效支持分布式控制或实时控制的半双工串行通信网络，具有纠错能力强、传输速度快、自动解决总线竞争、自动重发等特点，把它应用于系统分布比较分散且需要在同一总线上挂接多个节点的场合是非常适合的。在汽车电子控制、过程控制、机械工业、纺织机械、机器人、数控机床、医疗器械以及传感器等领域都采用了CAN总线。它己经形成国际标准，并己被公...

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