基于組態(tài)的CAN總線溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

1、控制系統(tǒng)綜合設(shè)計基于組態(tài)的CAN總線溫度控制系統(tǒng)設(shè)計專業(yè)自動化 學生姓名張帥班級B自動化082學號0810603201完成日期2012.01鹽城工學院電氣學院目錄1概述11.1溫度控制的發(fā)展狀況11.2溫度控制完成的功能12方案設(shè)計22.1iCAN-6202模塊簡介22.2熱電偶32.3iCAN-2404模塊62.4CAN接口卡83CAN總線技術(shù)基礎(chǔ)與溫度控制系統(tǒng)的基本原理94基于MCGS的HMI設(shè)計114.1人機界面124.2人機界面產(chǎn)品的組成及工作原理124.3人機界面產(chǎn)品的特點125人機界面設(shè)計136心得體會157參考文獻16基于組態(tài)的CAN總線溫度控制系統(tǒng)設(shè)計1 概述溫度是日常生活中無

2、時不在的物理量，溫度的控制在各個領(lǐng)域都有積極的意義。很多行業(yè)中都有大量的用電加熱設(shè)備，如用于加熱的電烤箱，用于融化金屬的坩堝電阻爐及各種不同用途的溫度箱等，采用單片機對它們進行控制步進具有控制方便、簡單、靈活性大的特點，而且還可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，智能化溫度控制技術(shù)正被廣泛地采用。本溫度設(shè)計以CAN總線為基礎(chǔ)，采用iCAN模塊采集和控制信號。iCAN模塊集成了轉(zhuǎn)換電路、單片機、CAN控制器、CAN接發(fā)器等，其中轉(zhuǎn)換電路包括I/V(V/I)電路，ADC(DAC)。CAN模塊的采用，大大地使接線簡單化。1.1 溫度控制的發(fā)展狀況隨著社會的發(fā)展，科技的進

3、步，以及測溫儀器在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，智能化已是現(xiàn)代溫度控制系統(tǒng)發(fā)展的主流方向。特別是近年來，溫度控制系統(tǒng)已應(yīng)用到人們生活的各個方面，但溫度控制一直是一個未開發(fā)的領(lǐng)域，卻又是與人們息息相關(guān)的一個實際問題。針對這種實際情況，設(shè)計一個溫度控制系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用前景與實際意義。溫度是科學技術(shù)中最基本的物理量之一，物理、化學、生物等學科都離不開溫度。在工業(yè)生產(chǎn)和實驗研究中，像電力、化工、石油、冶金、航空航天、機械制造、糧食存儲、酒類生產(chǎn)等領(lǐng)域內(nèi)，溫度常常是表征對象和過程狀態(tài)的最重要的參數(shù)之一。比如，發(fā)電廠鍋爐的溫度必須控制在一定的范圍之內(nèi)；許多化學反應(yīng)的工藝過程必須在適當?shù)臏囟认虏拍苷＿M行；煉油過程中

4、，原油必須在不同的溫度和壓力條件下進行分餾才能得到汽油、柴油、煤油等產(chǎn)品。沒有合適的溫度環(huán)境，許多電子設(shè)備就不能正常工作，糧倉的儲糧就會變質(zhì)霉爛，酒類的品質(zhì)就沒有保障。因此，各行各業(yè)對溫度控制的要求都越來越高?？梢姡瑴囟鹊臏y量和控制是非常重要的。CAN總線在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，在很多的工業(yè)生產(chǎn)過程控制中也用到了溫度檢測和溫度控制。隨著溫度控制器應(yīng)用范圍的日益廣泛和多樣，各種適用于不同場合的智能溫度控制器應(yīng)運而生。1.2 溫度控制完成的功能本設(shè)計是針對溫度進行實時檢測與控制，設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)實現(xiàn)了基本的溫度控制功能：當溫度低于給定值時，系統(tǒng)自動啟動加熱繼電器加溫；當溫度高于給定值時

5、，系統(tǒng)自動關(guān)閉繼電器加溫。2 方案設(shè)計本設(shè)計采用一只iCAN-2404繼電器功能模塊，一只iCAN接口卡和一只iCAN-6202熱電偶模塊。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。PC機iCAN接口卡iCAN-6202iCAN-2404卡熱電偶繼電器CAN總線圖1 溫度控制框圖2.1 iCAN-6202模塊簡介iCAN-6202熱電偶模塊用于溫度采集。iCAN-6202模塊具有2路熱電偶輸入通道， iCAN-6202模塊還提供2路數(shù)字量輸出，這2路數(shù)字量輸出既可用于指示模塊工作狀態(tài)也可由用戶自行控制。a) iCAN-6202模塊基本參數(shù)l 單電源供電，供電電壓：10V30V DC；l 熱電偶輸入通道數(shù)： 2路；

6、l 數(shù)字量輸出通道數(shù)： 2路，可獨立配置為輸入通道狀態(tài)指示模式或用戶控制模式；l 輸出通道類型：集電極開漏輸出，最大負載電壓30V，最大負載電流30mA；l 支持的熱電偶類型及測溫范圍：J型 -2101200、K型 -2001370、E型 -1001000、T型 -200400、N型 -2001300、B型 6501800、R型 01750、S型 01760；l 溫度值分辨率：0.1；l 熱電偶冷端補償精度：±1；l 轉(zhuǎn)換速率：4次/秒（2通道/次）；l 定時循環(huán)傳送時間間隔：最小值 10毫秒、最大值 2.55秒；l 溫度超限報警。b) iCAN-6202模塊接口說明(圖2)圖2 i

7、CAN-6202模塊接口示意圖c) iCAN-6202原理框圖（圖3）圖3 iCAN-6202模塊原理框圖2.2 熱電偶a) 熱電偶輸入原理熱電偶由兩個焊接在一起的異金屬導(dǎo)線（以形成兩個節(jié)點）所組成，結(jié)點之間的溫差會在兩根導(dǎo)線之間產(chǎn)生熱電勢（即電壓），電壓大小取決于組成熱電偶的兩種金屬材料。國際電工委員會（IEC）推薦了八種類型的熱電偶作為標準化熱電偶，它們分別為J、K、T、E、N、B、R、S。熱電偶結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。在使用熱電偶測量溫度時，還要求采用冷端補償技術(shù)。因為熱電偶的輸出電壓以0時的參考結(jié)點的溫度來定義。圖4 熱電偶結(jié)構(gòu)圖根據(jù)測量溫度范圍不同，熱電偶分為7種規(guī)格：一用于高溫測量的K型

8、，N型是可用于替換K型的新型號熱電偶；二是用于中溫測量的E型（-200800 ）和J型（-200750 ）；三是用于低溫測量的T型（-200350 ）；四是用于超高溫測量的B型（5001700 ），R型（01600 ），S型（01600 ）。 b) 熱電偶輸入控制原理熱電偶測量模塊測量的數(shù)據(jù)為熱電偶的電壓值，通過將測得的電壓換算為相對應(yīng)的溫度，從而獲得所要測量的溫度值在iCAN-6202溫度測量模塊中，通過高分辨率的ADC直接將熱電偶的輸出數(shù)字化，通過軟件實現(xiàn)線性化和校準。熱電偶測量原理如圖5所示。圖5 熱電偶測量原理框圖c) 熱電偶測量冷端補償熱電偶的輸出電壓以0時的參考結(jié)點的溫度來定義，所

9、以在使用熱電偶測量溫度時，還要求采用冷端補償技術(shù)。在iCAN-6202模塊模塊中，采用熱敏電阻測量冷端溫度。d) 熱電偶輸入的接線熱電偶的接線方法很簡單，直接將熱電偶輸入信號正端連接到模塊的SEN端，輸入信號負端連接到模塊SEN端即可 。熱電偶接線圖如圖6示。圖6 熱電偶接線圖e) 數(shù)字量輸出原理晶體管輸出等效電路（圖7）。圖7晶體管輸出等效電路f) 輸出信號輸出信號內(nèi)部等效電路(圖8)。圖8輸出信號內(nèi)部等效電路g) 數(shù)字量輸出信號的接線數(shù)字量輸出信號接線（圖9）。圖9 數(shù)字量輸出信號接線輸出信號驅(qū)動繼電器（圖10）。圖10 輸出信號驅(qū)動繼電器接線圖2.3 iCAN-2404模塊iCAN-24

10、04功能模塊提供繼電器輸出通道，模塊具有4路具有自保持功能的繼電器輸出通道。為防止繼電器切換引起的干擾，iCAN-2404模塊的繼電器輸出通道與控制部分采用了光電隔離措施。 a) iCAN-2404模塊基本參數(shù)l 單電源供電，供電電壓：10V+30V DC；l 輸出通道數(shù)： 4路；l 觸點形式：2a 或2b（觸點輸出狀態(tài)自保持）；l 觸點控制：“1”吸合，“0”斷開；l 導(dǎo)通時間：6ms；l 斷開時間：4ms；l 觸點容量：DC： 24VDC/1A；AC： 220VAC/0.5A；l 觸點壽命：5×105 ；l 隔離電壓：1000V DC（信號輸入）；b) iCAN-2404模塊接口

11、說明（圖11）圖11 iCAN-2404模塊接口說明c) iCAN-2404原理框圖（圖12）圖12 iCAN-2404原理框圖d) 繼電器輸出原理 繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。電磁繼電器是我們最常用的一種繼電器 。電磁繼電器等效示意圖如圖13。圖13 電磁繼電器等效示意圖e) iCAN-2404輸出狀態(tài)定義在iCAN-2404模塊中，對于繼電器輸出導(dǎo)通和斷開的信號定義如表1示。 表1 繼電器信號狀態(tài)圖輸出

12、狀態(tài)繼電器開關(guān)狀態(tài)狀態(tài) 1繼電器輸出開關(guān)閉合狀態(tài)0繼電器輸出開關(guān)斷開f) iCAN-2404輸出連接 iCAN-2404繼電器與輸出端口連接（圖14）。圖14 iCAN-2404繼電器與輸出端口連接圖g) 繼電器輸出的接線方式 iCAN-2404輸出端口的接線方式（圖15）.圖15 iCAN-2404輸出端口的接線方式2.4 CAN接口卡本設(shè)計中的接口才采用USBCAN-（圖16）。USBCAN-雙路智能CAN接口卡是與USB總線兼容的CAN-bus數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡，通過USB電纜與PC進行連接?？蓱?yīng)用于CAN-bus實驗室、工業(yè)控制、智能樓宇等CAN-bus應(yīng)用領(lǐng)域，進行CAN-bus網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析

13、、處理；也可單獨用作CAN-bus網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋，構(gòu)成不同層次網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。同時，USBCAN智能CAN轉(zhuǎn)換卡可作為開發(fā)模塊直接嵌入到用戶產(chǎn)品。USBCAN-雙路智能CAN接口卡集成有2個CAN通道、1路USB接口，是CAN-bus產(chǎn)品開發(fā)、CAN-bus數(shù)據(jù)分析的有力工具，因為具有體積小，即插即用等特點，也是便攜式系統(tǒng)用戶的最佳選擇。圖16 USBCAN-雙路智能CAN接口卡USBCAN智能CAN接口卡采用SMD表面貼裝工藝、四層電路板技術(shù)，抗干擾能力強，非常適合在長期工作環(huán)境下使用。而且，具有體積小巧、即插即用等特點，也是便攜式系統(tǒng)用戶的最佳選擇。USBCAN-雙路智能CAN接口

14、卡提供廣泛和強大的軟件支持。這些軟件支持包括通用的ZLGVCI驅(qū)動程序接口，自動實現(xiàn)安裝，支持在VC+、C+Builder、Delphi和VB等開發(fā)環(huán)境下進行設(shè)計，可適合不同的開發(fā)人員使用。同樣，USBCAN智能CAN接口卡不僅適應(yīng)基本的CAN-bus產(chǎn)品、也滿足基于高層協(xié)議如DeviceNet、CanOpen等CAN-bus產(chǎn)品的開發(fā)。另外，USBCAN-雙路智能CAN接口卡可以與ZLGCANTest通用CAN-bus測試軟件連接運行，執(zhí)行CAN-bus總線數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送測試任務(wù)，是實現(xiàn)CAN-bus產(chǎn)品開發(fā)、數(shù)據(jù)分析的得力工具。USBCAN-特點：l 支持CAN2.0A和CAN2.0B協(xié)

15、議，符合ISO/ISO 11898規(guī)范；l 支持1-2路CAN控制器，每路均可單獨控制；l CAN控制器波特率在5Kbps1Mbps之間可選；l 采用PHILIPS USB接口芯片，符合USB1.1協(xié)議規(guī)范；l 可以直接使用USB總線電源，或使用外接電源(+9V+36V，400mA)；l CAN-bus接口采用光電隔離、DC-DC電源隔離，隔離模塊絕緣電壓：1000Vrms；l 單通道工作時數(shù)據(jù)流量最高：3000幀/秒；l 即插即用；l 工作溫度：070；l 外形尺寸：115mm*76mm3 CAN總線技術(shù)基礎(chǔ)與溫度控制系統(tǒng)的基本原理CAN，全稱為“Controller Area Networ

16、k”，即控制器局域網(wǎng)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。最初CAN被設(shè)計作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。CAN是一種多主方式的串行通訊總線，基本設(shè)計規(guī)范要求有高的位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。當信號傳輸距離達到10km時，CAN仍可提供高達50Kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。其特點可概括如下：a) CAN總線為多主的方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活，利用這一特點可方便地構(gòu)成多機備份

17、系統(tǒng)。b) CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點分成不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時要求，高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)最多可在134 us內(nèi)得到傳輸。c) CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間，尤其是在網(wǎng)絡(luò)負載很重的情況下也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況。d) CAN只需要通過報文濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接受數(shù)據(jù)，無需專門的“調(diào)度”。e) CAN的直接通信距離最遠可達10KM（速率5Kbps以下）；通信速率最高可達1Mbps（此時通信距離最長為40m）。f) CAN上的節(jié)點數(shù)

18、主要取決于總線驅(qū)動電路，目前可達110個；報文標識符可達2032種（CAN2.0A），而擴展標準（CAN2.0B）的報文標識符幾乎不受限制。g) 采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯效果。h) CAN的每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)出錯率極低。i) CAN的通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。j) CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響。為使設(shè)計透明和執(zhí)行靈活，遵循ISO/OSI標準模型，CAN分為數(shù)據(jù)鏈路層（包括邏輯鏈路控制子層LLC和媒體訪問控制子層MAC）和物理層，而在CAN技術(shù)規(guī)范2.0A的版本中

19、，數(shù)據(jù)鏈路層的LLC和MAC子層的服務(wù)和功能被描述為“目標層”和“傳送層”。CAN的分層結(jié)構(gòu)和功能如圖17所示。LLC子層的主要功能是：為數(shù)據(jù)傳送和遠程數(shù)據(jù)請求提供服務(wù)，確認由LLC子層接收的報文實際已被接收，并為恢復(fù)管理和通知超載提供信息。在定義目標處理時存在許多靈活性。MAC子層的功能主要是傳送規(guī)則，亦即控制幀結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁、錯誤檢測、出錯標定和故障界定。MAC子層也要確定，為開始一次新的發(fā)送，總線是否開放或者是否馬上開始接收。位定時特性也是MAC子層的一部分。MAC子層特性不存在修改的靈活性。物理層的功能是有關(guān)全部電氣特性在不同節(jié)點間的實際傳送。在一個網(wǎng)絡(luò)中，物理層的所有節(jié)點必須是相同的

20、。然而，在選擇物理層時存在很大的靈活性。數(shù)據(jù)鏈路層邏輯鏈路層LLC 接收濾波 超載通知 恢復(fù)管理媒體訪問控制子層MAC 數(shù)據(jù)封裝/拆裝 幀編碼(填充/解除填充) 媒體訪問管理 錯誤檢測 出錯標定 應(yīng)答 并行轉(zhuǎn)串行/串行轉(zhuǎn)并行 物理層位編碼/解碼位定時 同步 (驅(qū)動器/接收器特性)故障界定總線故障管理圖17 CAN的分層結(jié)構(gòu)CAN技術(shù)規(guī)范2.0B定義了數(shù)據(jù)鏈路中的MAC子層和LLC子層的一部分，并描述與CAN有關(guān)的外層。物理層定義信號怎樣進行發(fā)送，因而，涉及位定時、位編碼和同步的描述。在這部分技術(shù)規(guī)范中，未定義物理層中的驅(qū)動器/接收器特性，以便允許根據(jù)具體應(yīng)用，對發(fā)送媒體和信號電平進行優(yōu)化。MA

21、C子層是CAN協(xié)議的核心，它描述由LLC子層接收到的報文和對LLC子層發(fā)送的認可報文。MAC子層可響應(yīng)報文幀、仲裁、應(yīng)答、錯誤檢測和標定。MAC子層由稱為故障界定的一個管理實體監(jiān)控，它具有識別永久故障或短暫擾動的自檢機制。LLC子層的主要功能是報文濾波、超載通知和恢復(fù)管理。4 基于MCGS的HMI設(shè)計隨著自動化技術(shù)迅猛發(fā)展，控制系統(tǒng)功能越來越強大，控制過程也變得越來越復(fù)雜，系統(tǒng)操作最大透明化已經(jīng)成為一種需要。人機界面（HMI Human Machine Interface）以其過程可視化、操作員對操作過程可方便的控制等顯著特點，很好的滿足了這種需求而得到廣泛的應(yīng)用。工業(yè)HMI又稱觸摸屏監(jiān)控器，

22、是一種智能化操作控制顯示裝置。它一般與PLC等工業(yè)控制設(shè)備，利用顯示屏顯示，通過輸入單元（如觸摸屏、鍵盤、鼠標等）寫入工作參數(shù)或輸入操作命令，實現(xiàn)人與機器信息交互。HMI的主要功能有：數(shù)據(jù)的輸入與顯示；系統(tǒng)或設(shè)備的操作狀態(tài)方面的實時信息顯示；報警處理及打?。粩?shù)據(jù)歸檔和報表系統(tǒng)。此外，新一代工業(yè)人機界面還具有簡單的編程、對輸入的數(shù)據(jù)進行處理、數(shù)據(jù)登錄及配方等智能化控制功能。4.1 人機界面 人機界面是指連接可編程控制器（PLC）、變頻器、直流調(diào)速器、儀表等工業(yè)控制設(shè)備，利用顯示屏顯示，通過輸入單元（如觸摸屏、鍵盤、鼠標等）寫入工作參數(shù)或輸入操作命令，實現(xiàn)人與機器信息交互的數(shù)字設(shè)備,由硬件和軟件兩

23、部分組成。4.2 人機界面產(chǎn)品的組成及工作原理人機界面產(chǎn)品由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括處理器、顯示單元、輸入單元、通訊接口、數(shù)據(jù)存貯單元等，其中處理器的性能決定了HMI產(chǎn)品的性能高低，是HMI的核心單元。根據(jù)HMI的產(chǎn)品等級不同，處理器可分別選用8位、16位、32位的處理器。HMI軟件分為兩部分，即運行于HMI硬件中的系統(tǒng)軟件和運行于PC機Windows操作系統(tǒng)下的畫面組態(tài)軟件（如組態(tài)王等）。用戶必須先使用組態(tài)軟件制作“工程文件”，再通過PC機和HMI 產(chǎn)品的串行通訊口，把編制好的“工程文件”下載到HMI的處理器中運行。4.3 人機界面產(chǎn)品的特點a) 系統(tǒng)運行過程清晰化控制過程可以動態(tài)

24、地顯示在HMI設(shè)備上。例如：烤箱加熱通斷可以通過指示燈亮滅來顯示，烤箱的溫度大小可以用棒圖來指示等等，使整個控制系統(tǒng)變得形象易懂，也更加清晰。b) 系統(tǒng)操作簡單化操作員可以通過監(jiān)控界面來控制過程?？蓮谋O(jiān)控界面上啟動和停止系統(tǒng)、設(shè)定溫度上下限、設(shè)置PID參數(shù)等。c) 顯示報警控制過程達到臨界狀態(tài)或系統(tǒng)運行錯誤時會自動觸發(fā)報警，例如，當爐子溫度超出溫度上下限時自動觸發(fā)報警。d) 數(shù)據(jù)歸檔HMI系統(tǒng)可以記錄過程變量值和報警信息并歸檔。例如：通過歸檔數(shù)據(jù)，您可以查看過去一段時間的系統(tǒng)運行情況，過程變量等。e) 報表系統(tǒng)HMI系統(tǒng)可以輸出報警和過程值報表。例如，您可以在生產(chǎn)某一輪班結(jié)束時打印輸出生產(chǎn)數(shù)據(jù)。5 人機界面設(shè)計HMI監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控主畫面及相應(yīng)的功能子畫面組成，H