（电机与电器专业论文）基于现场总线技术的先导阀综合试台的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 控制图和并行测试的原理及其优点。并对试验结果进行了对比分析，证明本测 试平台完全符合自动测试的要求，并使测试效率提高了四倍，并且通过现场总 线使试台具有测试结果记录、打印和远程监视控制的功能。 关键词：先导阀d e v i c e n e t 现场总线可编程逻辑控制器 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e 丘璐tp i l o tv a l v c0 fe l e d m m 姆l e 妇i s 龃i m p 0 嘲m tp a nt 0t m s f 0 姗st l i e e l e d r i c a ls i 印a l 鹅t h ep n e 咖t i c n t m ls i 粤i a l i ti sw i d d ya p p l i e dt 0i n d l i 矧a l 石e l d sa n dh 鹤w i d ed c v e l 叩i i i gs p a c ci nw 甜i n d u s 虹y t h e r c f o mt h eq u a l i l yi st h e m o s ti m p c 恤tq l l e s l i 哪t ot l l e 缅鼬p i l a tv a l v e0 fd c c i 姗a 印c t i s m ，t h e 句吼p n o t v a l v eo f e l e c 呦a 印e t i s ma l l m 憾tc a 】吖佃f o w t e s t s w h 印l e a v 嚣t l i e p i a n t ：t h e 【 c r 髂i s t a n c c ，h i - p 咄l i l s u l a t i a n ds u r g e bt r a d i t i ，g c n m u ya d o p t st h em 拙u a lt e 鸭 t h et 鼯t 咖c i e n c yi sl o wa n dt l l et e s tr 嚣l l l ti sn o t 呻a b i et o 铀t i s 锣t h ei n d u s t r i a l a u t 伽a t i o np l o d u c t i r c q u 鹳协a lp i 啪t ，t h et c x tp l a 响加o ft h ev a l v eu s e di n c ! l l i n ah a st ob ci m p o n c d 趾di sv e r ye x p c 璐i v c n e r c f o r e ，i ti sv e r yu f g 蛐tt o d e v e l 叩t h et c x tp l 施mo ft h ev a l v ew i t ht h ep a t c mo fo i l rc o u n 仃y a n dt h c s i g n i 置i c 姐c ei n 0 t i o m y 姐ds t 船t a g e mj s 乎e a t hv i e wo ft h i s ，t h et e x tp l a t f o mo f t l i ev a i v ei sc a r r i e d t i l er e a r c hd e v e l o p m e n t a n d “a d o p t st l i ep 删l dt e s t m e t l l o d ，袖a n c 髂t h et 髂te 蚯c i e n c y ht l l e1 9 9 0 s ，s o m ec o m p a n yi nj 印a n 勰s e m b l 髂ap l a 仃0 m 惦i n g 啪s 印a 船t e p l c a m di tu st h e r i a l 湖m u n i c a t i p 血c i p l c ，峙t c s te 伍c i e n c yi sl o w ，t h c t e x tr c 辄l t si si n a o c i l f a t e 彻dt l l es e r v i c cn o tc o n v e l l i e m ，t l l e f c f b r ci tb 鹤i c a n yd o c s n o th a v em ce 鳓i nm cp i o d u c t i o n hv i c wo f t h i s l 【i l l do fs i t l i a t i o n hm i sp a p c r ， w e l l s e 如舀ep l ca c c o r d i i l gu l ep a r a l l e l t c s tp r 州p l e t 0c o n 舡o lm ep l a t f o 吼r i k t c s te 茁d e n c yc n h 柚c c sf o u r t i l n e s ，t h et c s tr c s u l tr c l a i i v e l ys t a b l e ，柚dm a t c h e sm e t e q u i r c l n e n to ft h ep m d u c t i o n f i r s y ，t l l em e c l l a l l i c a ls t n j 咖r e ，e l e c t 加- c 溉i ts t m c t l i ”卸dw o i 韬n g 呻d p l e o f t l l e t e x t p l a 哟册o f t l l e v a l v e a i n o d u c c d i i l t h e p 印c r t h es 伽e o p e 删彻p a n o ft h et c x tp l a t f o mc o n t a i 船n 屺o p e m t i o nb o 缸d ，t h eo u t e rc o v e r i n g ，t l l em e 鹤u r i n g i l l s t 舢e m 鹤w e u 蠲圮j i gp a n t 1 l ec o n l r o l c t i i sc o m p o s c db yp l ct l i e d e v i c e n c tm a s t e rs t a d o nm o l u l e ，t l l eg a t e w a yp a na n dt h e 川) 蛐e c t i 伽p a f t t h e g a t e w a yi sm eo o 北0 ft l i ec o m r o ls e d i o nw h i c hf o l l o w st h ed e v i c e n e ta g f c e m c n t ， a n dj ti st t l eb r i d g eo o n n e c t st h ed e v i c e n e tn e 似r o r ka n dt h es c e n eo p e m t i o np a r t s e c o n d l y ，t h e r ci s 锄i n t r o d u d i o nf o r t h ef i e l db u sa g r c e m e n tp a n ，t h eh a r d w a r e v 山东大学硕士学位论文 p a r t 锄dt h cp l cm a s t e rs t a t i m o d u l e a 暑弦锄c n tp a r lj l l d u d 器t h cd c v i c c n c t c 0 眦s p o n d e n c cf h n d i ，t l l eo b j c c tm o d e l ，t h ed e v i c c n e t 衄e c t i 柚dt l l et e 】【to f t c l e g m ma g r c e m e n t ；h e r cw em a i l l l yd i s c u s st l l et c l e g m m o ft h em a ci di n s p c c t i t h eh 抓玉w a r ep a n i a lm a i l l l yi n t r o d u c e sc a nb 惦c o n 仃o lu 诚s j a l ( k ) o 柚di 乜 删p h c r y 伽p o n e n t ，m a i l l l yi n c l u d 鼯t h ep 嘲c i p l eo f t h cw o f k0 fs j a l 0 0 0 ，i n t 如1 a l 陀百s t e rd i s p o s i t i o n ，t l 屺丘l t c rw a y 锄dt h ci l l i t i a i i z a t i 衄n o w t h ei l l 劬d u d i o f p l c m 豳l y 沁i u d e sh o w t 0 衄l s f 0 彻t h c 咖d i t i o i l a ip l cp f 0 删u r e t o w i l i c h 啪 a 咖a t et l l eg a t e w a ym o d u l et i l ep i o c c d u ：t h ep r i i i c i p l ei s 、忙r ys i m p l c ，o i l l ym u s t 仃a l l s f o 】f mt l l et r a d i t i o n a l 矾) 蚴d a t at 0t h eg i t e w a yu n i t 玎e s p o n d 锄c ed a 瞳aa 舰 a 弛玎h 暑i du n d c 埽da g r e e m e n to o n t e n t 锄dh 曲a r cd i s p o s i 恼o nt h e ns t a n st 0c 盯r y 衄n 呛g a 脚a ym o d u l e 黜m u l l i c a l i p f o g r a m ，c o m p i l 骼t h ea 1 胁e g a 8 5 1 5 m o i i t i l i ci n t e g r a t c d 血谢tp m c c “f cu s i n gt h e 勰s e m b l yl 锄g u a g cf o r t h e f t w a 坨 c a r r i e r r e a l i z 晒t h e 咖l m t l n i t i 衄f i l n c t i n e c d f i i l a u ya f i e ri i l 仃o d u c c dt h er c a s t 0c a r r y i i i 一眦s u 增et e 】【t 柚d t h e e x p c r i l l l e n t a lp 枷e t 盯 q u e s t t h er c s e a r c ho ft h ep l a t f b r mi sp a f t i c i l i 孤e x p c m n d c d ， i n c i u d i i i gt h cr e a s o no f 璐i l l gp l cm ec 0 鹏t m c t i o no ft h ch a r d w a r ed c c 研cd r c u i t t l 圮p i c l o g i co 咖lc h a r t 锄d t h e p a r a l l d t e s t p r i n c i p l e 柚d i t s t h e m e ma i l dh 鹤 r r i e d0 nt h ec o n t r a s ta n a l y s i st om et c s tr e s u l t p m v 船t l l ep l a t f 咖i s 锄p l e t e l y c 0 删f b 吼t om et c s ta u t o m a l i 伽r c q u i 咒m e n t ，卸dm a d et h et e s tc f f i c i e n c yt 0e n h 柚c c f o 叫t i i i l 鹤，a n dt l l r o u g hm ef i e l db u s ，t h ep l a t f 0 册啪c o f dt h et e s tr 鼯u l t s ，p r i n t 柚dh 硒l 伽g d i s t a l l c cs u p c r v i r yc o n n o lf u n c t i o n k e y w o r d s ：p i l o tv a l v ed e v i c e n e tf i e l 曲u sp l c v l 山东大学硕士学位论文 c ：主电容 c ：负荷电容 r ：波头电阻 r ，：波尾电阻 k ：开关 r 。：阻尼电阻 i 。，i ：，i ，：主回路电流 u 。，u ：冲击电压 m a cd ：地址编号 s p l ：串行通讯协议 王：波头时间 t ，：波尾时间 p o ：平均功耗 p d ：单片机功耗 f ：电磁铁引力 k ：电磁常数 a ：气隙大小 符号说明 v i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：i 鱼丝选 日 期：；! ! z 竺塑 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：i 鱼：邕刍师签名：趱日期：兰z 垒型 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 现场总线技术概述 现场总线在控制领域崭露头角不过是最近几年，然而其来势凶涌，且有愈 演愈烈之趋势。纵观控制系统的发展史，不难发现，每一代新的控制系统的推 出都是针对老一代控制系统存在的缺陷而给出的解决方案，最终在用户需求和 市场竞争两大外因的推动下占领市场的主导地位，现场总线和现场总线控制系 统的产生也不例外“1 1 ) 模拟仪表控制系统 模拟仪表控制系统于2 0 世纪六七十年代占主导地位。其显著缺点：模拟信 号精度低，易受干扰。 2 1 集中式数字控制系统 集中式数字控制系统于2 0 世纪七八十年代占主导地位。采用单片机，p l c ， s l c 或微机作为控制器，控制器内部传输数字信号，因此克服了模拟仪表控制系 统中模拟信号精度低的缺陷，提高了系统的抗干扰能力。集中式数字控制系统 的优点是易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制时机的选 择上可以统一调度和安排；不足的是，对控铝5 器本身要求很高，必须具有足够 的处理能力和极高的可靠性，当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急 剧下降。 3 1 分散型控制系统( d c s ) d c s 于2 0 世纪八九十年代占主导地位。其核心思想是集中管理、分散控制， 即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，若干台下位机分散到现 场实现分布式控制，各上下位机之间用控制网络互连以实现相互之问的信息传 递。因此，这种分布式的控制系统体系结构有力地克服了集中式数字控制系统 中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷：在d c s 中，分布式控制思想的实现 正是得益于网络技术的发展和应用。遗憾的是，不同的d c s 厂家为达到垄断经营 的目的而对其控制通讯网络采用各自专用的封闭形式，不同厂家的d c s 之间以及 d c s 与上层i n t r a n e t ，i n t e r n e t 信息网络之间难以实现网络互连和信息共享，因 此，从该角度而言d c s 实质是一种封闭专用的、不具可互操作性的分布式控制系 统，且造价昂贵。因此，用户对网络控制系统提出了开放化和降低成本的迫切 山东大学硕士学位论文 要求。 铆现场总线控制系统( f i 葛) f c s 正是顺应以上潮流而诞生，它用现场总线这一开放的、具有可互操作的 网络将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，同时控制功能 彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。因此，f c s 实质是一种有望成为 2 l 世纪控制系统的主流产品。 现场总线是将自动化最低层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时 控制通讯网络，遵循i s 0 的o s i 开放系统互连参考模型的全部或部分通讯协议。 f c s 则是用开放的现场总线控制通讯网络将自动化最低层的现场控制器和现场 智能仪表设备互连的实时网络控制系统嘲。 现场总线控制系统的特点： 1 ) 开放性和可互操作性。开放性意味f c s 将打破d ( 善大型厂家的垄断，给中 小企业发展带来了平等竞争的机遇。可互操作性实现控制产品的“即插即用” 功能，从而使用户对不同厂家工控产品有更多的选择余地。 2 ) 彻底的分散性。彻底的分散性意味着系统具有较高的可靠性和灵活性， 系统很容易进行重组和扩建，且易于维护。 3 ) 低成本。衡量1 套控制系统的总体成本，不仅考虑其造价，而且应该考 察系统从安装调试到运行维护整个生命周期内总投入。相对d c s 而言，f c s 开放 的体系结构和0 e m 技术将大大缩短开发周期，降低开发成本，并且彻底分散的分 布式结构将1 对l 模拟信号传输方式变为l 对n 的数字信号传输方式，节省了模拟 信号传输过程中大量的a d ，d a 转换装置、布线安装成本和维护费用。因此从 总体上来看，f c s 的成本大大低于d c s 的成本。 可以说，开放性、分散化和低成本是现场总线最显著的三大特征，它的出 现将使传统的自动控制系统产生划时代的变革，其深度和广度将超过历史上任 何一次变革，必将开创自动控制的新纪元。 现场总线发展迅速，现处于群雄并起、百家争鸣的阶段。目前已开发出有 4 0 多种现场总线标准，如，i n t e r b u s ，8 i t b u s ，d e v i c e n e t ，m o d b u s ，a r c n e t ， p - n e t ，f i p ，i s p 等，其中d e v i c e n e t 现场总线是一种低成本、高可靠性、高效 率、高实时性的应用日益广泛的可连接底层各种传感器、触摸屏、变频器和执 行器等设备的开放式现场总线。 2 山东大学硕士学位论文 1 2d e v i c e n e t 总线的发展现状 九十年代初期，a 1 1 e n b r a d l e y 公司制定了基于c a n 总线的应用层规范 d e v i c e n e t 。1 9 9 4 年，a l l e n b r a d l e y 公司将d e v i c e n e t 规范转交给国际性组织 o d v a ( 0 p e no e v i c e n e tv e n d o ra s s o c i a t i o n ) 负责管理。d e v i c e n e t 规范自1 9 9 4 年正式推广以来，在多家国际大公司的支持下获得了迅速的发展，目前己成为 北美、日本和欧洲等地区普遍应用的总线标准。近年，d e v i c e n e t 技术在国内也 有了一定的发展。o d v a 组织在中国的分支机构o d v a c h i n a 于2 0 0 0 年7 月在上海成 立，其主要负责d e v i c e n e t 技术在中国的推广工作。2 0 0 2 年1 0 月8 日，国家标准 委员会正式将d e v i c e n e t 规范列为国家标准，标准编号为g b t1 8 8 5 8 2 2 0 0 2 ， 名称为低压开关设备和控制设备控制器一设备接口。 d e v i c e n e t 现场总线是结合了c a n 总线的优点，同时也满足了更复杂的应用 要求。d e v i c e n e t 现场总线具有如下突出的特点： 1 ) 一个d e v i c e n e t 网络最多可支持6 4 个节点。理论上每个节点可以支持无 限多个i 0 端口。 2 ) 线性( 主干线，分支线) 的网络结构。使用包含二对双绞线的，将衰减、 延迟等因素都考虑在内的专用的屏蔽电缆( 分别连接信号和电源) ，可使用干线 电缆、支线电缆。 3 ) 三种可选的数据传输波特率为1 2 5 k b p s 、2 5 0 k b p s 及5 0 0 k b p s ，波特率对 应5 0 0 、1 0 0 米允许干线长度。 4 ) 使用便利的密封式或开放式的连接器。 5 ) 点对点。多主或主，从通信。 6 ) d e v i c e n e t 提供即插即用功能。可带电更换网络节点。在线修改网络配 置。 7 ) 采用c 矧物理层和数据链路层规约。使用c 州规约芯片，得到国际上主要 芯片制造商的支持。 8 ) 支持位选通、轮询、循环、状态变化和应用触发的数据传送方式。 9 ) 是一种低成本、高可靠性的数据网络。 1 0 ) 既适用于连接低端工业设备，又能连接像变频器、人机终端这样的智 能设备。 1 1 ) 采用无损位仲裁机制( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t h 3 山东大学硕士学位论文 n o n d e s t r u c t i o nb i t w i s ea r b i t r a t i o n ，c s 州队) 实现按优先级发送信息。 1 2 ) 具有通信错误分级检测机制。通信故障的自动判别和恢复功能。 1 3 ) 电源结构的可调整性。以满足各类应用的需要以及大电流容量( 每个电 源最大容量可达到1 6 a ) 。 1 4 ) 实现多电源的冗余供电，支持网络供电或自供电设备，电源分接头可 加在网络中的任何节点。 1 5 ) 得到众多制造商的支持。如：r o c k w e l l 、伽r o n 、h i t a c h i 、c u t t e r h 锄e r 、t u r c k 等。d e v i c e n e t 制造商协会拥有的3 0 0 多个全球会员遍布世界各地 1 3d e v i c e n e t 现场总线与先导阀自动化测试结合的必然性 随着生产和科学技术的发展，先导阀测试技术已经发展到自动测试阶段， 人的动作器官和感觉器官被自动测试装置所取代。人类的工作主要是根据测试 任务组建测试系统和编制测试软件。在自动调节装置或程序控制装置的控制下， 传感器将被测量转换为电量，并进行自动显示和记录。自动测试较人工测试相 比，突出的优点是排除了人工测试中不可避免的人类生理限制和主观影响，提 高了测试准确性，在需要快速、准确、实时、大量的测量场合尤其适合。先导 阀自动测试技术已成为测试领域中一个活跃的分支，是电测技术的一个重要发 展方向。 在上世纪9 0 年代日本某公司设计了一台先导阀综合测试台，该试台最多能 对四只先导阀进行直流电阻、耐压、绝缘、浪涌四项测试，在使用过程中出现 了以下几种缺点，导致不能正常使用。首先该试台采用了串行测试方法，四只 阀全测试完毕需要1 6 个动作周期，测试效率比较低。其次该试台的浪涌、耐压、 绝缘测试装置测试精度也不高，误差比较大，器件暴露在外面，容易老化。再 次本试台无法统计测试器件的数量和不合格器件的数量。针对上述缺点，本课 题做出了相应的改进：首先采用了并行测试方法，提高了测试效率。其次采用 专用测试仪表，测试精度高，误差比较小，使试台不会误报警。再次采用了现 场总线的概念，可以很方便的远程操作监视试台，并可以显示并打印测试记录。 现场总线采取的是d e v i c e n e t 协议，由于d e v i c e n e t 现场总线是一个开放的低 端网络标准，在设备与控制器之间提供直接互连，它建立在面向一般工业设备 的高速通信总线c a n 的基础上，由于其具有突出的短报文帧传输、无破坏性的 4 山东大学硕士学位论文 总线仲裁技术等优点，提高网络传输的实时性和可靠性，因此特别适合制造业、 低压电器领域、工业控制等应用。在实际控制系统中得到了越来越广泛的应用。 1 4 本课题的主要工作 由于国内的技术还是比较落后，无法自己开发出d e v i c e n e t 主站模块，只 能用日本欧姆龙公司生产的p l c 上的主站模块。我们所能做是基于p l j c 上的主 站模块开发自己的d e v i c e n e t 从站模块，然后将从站模块用于先导阀测试平台 上，来取代原来的p l j c 输入输出单元。通过d e v i c e n e t 网络来实现远程控制、 测试结果统计显示、在线打印等功能。因此本文的工作具体分为以下几个步骤： 1 ) 设计先导阀综合试台，通过p l j c 及其输入输出单元控制直流低电阻测试 仪、浪涌测试仪、绝缘测试仪、耐压测试仪四个仪器工作。采取并行测试方法， 以达到对先导阀的自动测试目的，并提高了测试效率。 2 ) 研究d e v i c e n e t 协议内容，详细研究了显式报文连接请求和相应格式以 及仅限组2 预定义主从连接的协议内容及其报文收发机制。 3 ) 研究d e v i c e n e t 协议规定的硬件构成，主要包括c a n 总线驱动器 s j a l 0 0 0 及其外围设备，完成其初始化工作并利用自定义的c a n 协议模拟现场 总线的收发机制。 4 ) 将现场总线技术应用在测试台上，利用0 d v a 开发的d e v i c e n e t 接口卡 来组建现场总线网关单元。用网关单元的从站模块取代原来p l c 上的输入输出 模块，达到节省成本的目的。用d e v i c e n e t 网络将打印机、显示设备与测试平台 连接起来，达到故障显示、测试数据统计以及在线打印的目的。 5 山东大学硕士学位论文 第二章测试平台的结构及工作原理 电磁先导阀是将电信号转化为气动控制信号的重要部件，它由电磁阀和气 动先导阀组成。其中电磁阀由顶杆，线圈和电磁铁组成，顶杆是电磁阀的执行元 件，当控制系统为电磁先导阀提供驱动电路时，线圈产生磁场，驱动电磁铁，产生 推动顶杆的推力。对于先导阀的性能测试是至关重要的。而要对它的性能指标 作统计和监视，则需通过现场总线来实现。 2 1 测试平台的总体结构 本课题所研究的先导阀综合试台大体分为两部分：测试台部分、现场总线 网关控制部分。其中测试台部分负责对先导阀进行直流电阻、耐压、绝缘、浪 涌四项测试。而现场总线部分负责控制试台的工作过程，对测试结果进行处理 并记录。其结构原理图如图2 1 所示。 2 2 测试台部分 2 2 1 测试台外观介绍 6 图2 一l 先导阀测试平台结构原理图 合 影 现在结合图片简单介绍一下测试台的组成。图2 2 为测试台外观图 山东大学硕士学位论文 图2 - 2 测试台部分外观图 本装置由测试部分、控制部分、操作部分、以及夹具部分组成。 1 ) 测试部分包括微电阻计( 直流低电阻测试仪) 、匝间冲击耐压测试仪( 浪 涌测试仪) 、绝缘测试仪、耐压测试仪。 2 ) 控制部分包括p l c ( 可编程逻辑控制器) 、中间继电器、直流接触器。 操作部分包括控制面板以及启动、停止等按钮。 3 ) 夹具部分包括夹件以及端子板。将夹件部分的端子按照相应颜色插到后 面端子板上，将阀夹紧然后盖上防护盖即可。端子的接法见图2 3 。 端子板 红红黑红红红红黑红红 oooo oo ooo o l nnn nnn n w w 夹件 闰2 3 端子接法图 7 山东大学硕士学位论文 2 2 2 测试台主要功能介绍 系统的核心部分为p l c ，它可以通过程序控制外围硬件电路自动完成各种 预先设定的测试项目，详述如下。 1 ) 直流电阻的测试：测定范围是2 0 0 】1 1 q ，2 q ，2 0 q ， 2 0 0 q ，2 k q ，2 0 k q ，2 0 0 k q 可以手动切换各个档。能够判断电阻的测定上下限是 否超出标准设定值。测试速度最快1 0 回秒，最慢2 5 回秒。本仪器还设有温 度补偿功能，转变成2 0 度时测量电阻。 2 ) 浪涌抗扰度测试：本标准目的是为建立一个共同的基准以评定设备在遭 受来自电力线和互连线上高能量骚扰时的性能，在实验室试验的任务就是找出 e u t 在规定的工作状态下工作时，对由于开头或雷电作用所产生的有一定危害 电平的浪涌电压的反应。输出电压在旷6 0 0 0 伏可变。国家标准g b 3 1 i 8 3 规定 雷电电压波的波形为1 2 5 0 i is ，即电压大约在1 2 ps 的时间上升到最大值， 然后约在5 0ps 的时间内降至半峰值电压。通过比较波形与标准波形的偏差来 判定浪涌抗扰度是否符合标准。 3 ) 绝缘阻抗试验：试验电压要求直流5 0 0 伏，测试范围是o _ 1 0 0 0 兆欧。 判定钡5 试值与标准值的比较结果是否合格。若不合格：短声报警，并显示实际 的绝缘电阻值。 4 ) 交流耐压试验：本试验的输出电压是o - 3 0 0 0 伏可变，容量最大是5 0 0 v a ， 泄漏电流设定在0 卜1 9 9 【l a 之间。通过调节耐压调压器的开关来调节输出电 压，调到合适值之后持续一分钟，然后观测耐压电压计和耐压泄漏电流计，如 果发生击穿或漏电流过大时，会自动中断试验，然后报警器报警。 2 2 3 测试平台操作方法概述 本试台可以分为自动操作和手动操作两种。 1 ) 手动操作：按下操作台左上方“a u t 0 m a n u ”按钮，让姒n u 指示灯亮， 即进入手动模式。然后选择某个元件的某项测试即可，不需要按下启动按钮。 ( 例如；如果想手动先测试第一个元件的直阻，再测试第二个元件的浪涌，可 按以下两个步骤： 按下按钮“1 ”选择第一个元件，然后按下按钮“直阻t e x t ”开始进行 测试。测试完毕后将按钮“l ”，按钮“直阻t e x t ”恢复。 山东大学硕士学位论文 按下按钮“2 ”选择第二个元件，然后按下按钮“浪涌t e x t ”进行测试， 测试完毕后恢复。在测试过程中相应项目的指示灯会亮。 2 ) 自动操作：按下操作台左上方“a u t o l l a n u ”按钮，让a u t 0 指示灯亮， 即进入自动模式。通过“s e l e c t o r ”键来选择对全部元件( f u l l ) 、第一个元件 ( 1 ) 、第二个元件( 2 ) 、第三个元件( 3 ) 、第四个元件( 4 ) 的4 项测试。选定完毕 按下“开始”按钮进行测试。测试过程中“t e x t ”灯亮，测试完毕“e m ”灯亮。 另外本试台还设有蜂鸣报警器和不良指示灯，可以很方便快捷的发现不合 格产品。在自动运行时，运行完毕后如有不合格产品，蜂鸣报警器报警，通过 c l e a r 按钮可以清除报警。如果某个产品某项测试不合格，则在自动运行时， 该产品下面的试验就不必进行。如果在试验过程中发生意外，可以按下e m e r 按钮来强行终止试验。操作台外观见图2 - 4 。 2 2 4 并行测试方法介绍 图2 q 操作台外观图 本测试平台对于旧平台来说是采用元件并联测试的方法，可以对四个元件 同时迸行测试，只是测试项目各有不同，当元件某一项目测试完毕，可以循环 进行下个项目的测试。这比旧平台的逐个元件逐个项目的测试要快很多，测试 时间只需要6 秒，而原来的串行测试需时2 2 秒，本试台所用的测试时间大约是 旧平台的四分之一。 具体原理如下：我们先拿两个元件进行两个试验为例来具体说明：如图2 5 所示，每一个元件与两个接触器相连，每一个测试仪器也与两个接触器相连， 9 山东大学硕士学位论文 当控制继电器l 选通接触器l ，控制继电器4 选通接触器4 时，则同时对元件1 进行直流电阻测试，对元件2 进行耐压测试。当控制继电器2 选通接触器2 ， 控制继电器3 选通接触器3 时，则同时对元件2 进行直流电阻测试，对元件1 进行耐压测试。如果四个元件进行四种测试，原理是一样的。需要注意的是， 接触器l 和2 不能同时选通，因为对于一个元件不能同时进行多种测试。 图2 喝并行测试原理图 2 3 现场总线网关控制部分 网关部分主要功能就是将测试台部分与现场总线主机通过d e v i c e n e t 协议 连接起来，并通过单片机自定义的协议来扩展输入输出点数，起着连接测试台 输入输出接口与上位机的作用。其主要原理见图2 6 。 1 0 图2 _ 6 网关控制部分主要构成 山东大学硕士学位论文 2 3 1 现场总线模块的介绍 利用上海泗博自动化技术有限公司提供的嵌入式d e v i c e n e t 接口卡，本产品 在d e v i c e n e t 中为仅限组2 预定义主从连接服务器，连接支持显式报文、1 0 轮询、 位选通、状态改变。波特率和h l a ci d 可以通过编码开关进行设定，同时支持波 特率自动侦听和m a ci d 的软件设置。接口卡内部构造见图2 7 。模块网络指示 灯配置见表2 1 。 模块状态指示灯( m s ) 图2 7 接口卡内部构造 表2 1 模块网络指示灯配置 搬1 ：灯捩患舟望 艾瞳知0 0r 吐 姆以 i 佟l 常 罐睡n 烁m i 4 ：，0 个歧1 二i l i i 睡魁嚣 打伊w 垛u f 慨链的 卫k 扎 1 ：州恤疆j n 肫陟 l 一绿f ，j 泺i i ：j 芷f j “娩 网络状态指示灯( n s ) 搬永汀状 奁 青迁 友潮 求遁垃瞳堑姒ci d 删瘦d e v i c d e t f 琶路氧供电 绿色川烁蹬品d 线tj 波j f l 二毡融：拨 绿l 曼设籀垂线髓l 垃? i j 蕴披 i i n p i 烁个j 够i - 10 j 二拨l 终场时 翔改再掺圳刊分强奠； ：隧理，j 随。；j 盘f i 1 1 山东大学硕士学位论文 2 3 2 现场总线模块的使用配置 上电以后，嵌入式接口卡( 以下简称接口卡) 将尽快开始双口r a m 自检， 双口r a m 自检期间，m 吼- c t r l 将为o x 5 5 ，这个时候请不要往双口r a m 里写任 何输入数据，否则自检将不能通过，接口卡将可能挂起。自检成功，该字节置 为o x l o ，这时接口卡将等待用户板卡向双口r a h i 写入配置数据，大约等待2 s 左右，这段时间如果没有写入数据，板卡调用缺省值。用户板卡写完后，应置 该字节内容为o x e e ，接口卡将根据该字节判断配置信息是否有效。地址配置见 表2 2 。 表2 2 嵌入式接口卡地址配置表( 假定双口r a i 基址为d t s t a r t ) 序号内存地址名称功能描述 1d p - s t a r t + 0 x 7 f d删c t r l存储控制 2 d p _ s t ”t + o x 至 o u t p u td a t a网络( 眦) 输出( 即设备从p l c 接收 o x f f 的数据) 3 d p s t a r t + 0 x l o o i n p u td a t a 网络( p l c ) 输入( 即设备发送给p l c 至0 x l f f的数据) 4 d p - s t a r t + 0 x 7 即i n p l r r l e n g 耵i网络输入有效数据长度“，双字节 5 d ps t a r + 0 x 7 e 2 o u t p u t - l e n g n i 网络输出有效数据长度，双字节 6 d ps t a r + o x 7 f b i n p u i - d a t a - 1 0 c k 网络输入数据保护 7d ps t a r + o x 7 f c 0 u t p u t d a t a - l o c k 网络输出数据保护 8d ps t a r + 0 x 7 d e o u t p u t _ c r c l l 网络输出数据c r c 校验高字节 9 d ps t a r + 0 x 7 d fo u t p u tc r c l 网络输出数据c r c 校验低字节 l od ps t a r + 0 x 7 e 4 s o m a r e j e r s i o n 软件版本 1 1 d p - s t a r t + o x 7 e 6a p p - c a r 吐s e r i 札 用户卡序列号( 四字节，鹏bf i r s t ) 1 2d ps t a r t + 0 x 7 e aa p pc a r di d 用户卡身份识别号 1 3 d p s t a r t + 0 x 7 f o c o n f i g m a c - i d d e v i c e n e t 网络地址设置字节 1 4d ps t a r t + 0 x 7 f 1 c o n f i g b a u d _ i i a t ed e v i c e n e t 网络波特率设置字节 1 5 d l s t a r t + 0 x 7 f f i n t r 接口号发送命令字节 1 6d ps t a r t + o x 7 f ei n t l接口卡接收命令字节( 保留) 用户从该缓冲区内读数据。该数据区的有效数据的字节数由网络输出有效 长度定义。注意该数据区有双重保护。首先，如果接口卡正在更新数据， 山东大学硕士学位论文 0 u t p u t _ d a t a - 1 0 c k 将为非零值( 比如1 ) 。此时用户卡不要去读数据，以免读到 不完整的数据。此外，数据更新完成后，接口卡将计算c r c 校验值，并放置在 伽t p u t r c h ，叫t p u t r c l 中。用户可以使用，也可以不使用c r c 。用户向该 缓冲区内写数据。该数据区的有效数据的字节数由网络输出有效长度定义。注 意该数据区有保护。首先，如果接口卡正在更新数据，i n p u l d a t a - l o c k 应为 非零值( 比如1 ) 。此时用户卡不要去写数据，以免数据不完整。在设定d e v i c e t 网络地址时，如果从网络接收到修改地址的指令并成功执行，该地址将被修改 为新设定的地址。d e v i c “e t 网络波特率设置字节用于设定d e v i c e n e t 网络波 特率。接口卡模块支持自动波特率监听。详细情况见表2 3 嘲。 表2 _ 3 波特率对应表 数值波特率 o 1 2 5 k 1 2 5 0 k 25 0 0 k = 3 自动波特率侦听 在程序编写上，采用a v r 系列单片机a t m e g a 8 5 1 5 来与接口卡进行数据交换。 单片机通过读取双口r a m 中相应地址中的数据来接受网络上传送的信息，通过往 双口r a m 中配置数据来设定物理地址、波特率以及需要向网络发送的数据。该程 序采用汇编语言编写，程序流程见图2 8 。 图2 8 接口矗驱动程序流程图 山东大学硕士学位论文 2 3 3 现场总线模块在测试台中的应用 上文介绍的网关单元模块的原理使用单片机驱动现场总线模块中的双口 l 认m ，向里面配置相应的数据来实现d e v i c e n e t 协议的传输。通过单片机的 s p i 通讯口可以使每个网关单元带有8 个1 6 点的输入输出模块。在p l c 主站i 0 地址中为每个网关单元预留出8 个字的地址，来对应8 个输入输出模块。下面 分两点介绍现场总线模块在试台中的应用： 1 ) 由于测试平台控制的输入输出量都是开关信号，用不到模拟信号，所以 可以很方便的利用自行开发的输入输出模块来取代测试平台原有的p l c 输入输 出模块，通过d e v i c e n e t 网络将p l c 主站与现场操作的网关单元连接起来，再 由网关单元控制测试平台上的i 0 口。这种方法可以使成本降低为原来的五分 之一，而且不影响工作性能。 2 ) 直接用p l c 来实现远程控制、监视以及统计等功能需要添加相应的功能 模块，成本会大幅提高，这是一般用户不能接受的。如果通过现场总线可以很 方便的实现上述功能：在控制室里安装另一个网关模块，在网关模块上配嚣相 应的从站单元即可实现打印、显示等功能。此项功能完全通过单片机实现，实 现起来更灵活，更经济。 2 4 本章小结 本章主要介绍了测试平台的总体结构以及与现场总线模块的搭配，本试台 将现场总线的概念融合在里面，创造了测试平台与上位机通讯的条件，有可在 线调试、集中化管理和功能扩展方便等优点。由于利用自己开发的现场总线从 站模块，所以这样做可以大大节省p l c 的成本。 1 4 山东大学硕士学位论文 第三章现场总线协议 第二章介绍的只是现场总线模块的应用，在本章里将对d e v i c e n e t 协议进 行详细的介绍，并介绍如何从最低端协议做起，来开发现场总线模块。从低端 协议做起工作量相当大，具体可以分成以下几个步骤： 1 ) 研究d e v i c e n e t 协议内容以及收发机制，特别是仅限组2 预定义主从连 接的内容。 2 ) 研究c a n 总线收发器s j a l 0 0 0 的原理用法以及报文收发过程。 3 ) 对d e v i c e n e t 外围硬件作详细的研究，制作电路板，挂上主站模块进行 调试。 以上可以看出要研究d e v i c e n e t 协议必须要将d e v i c e n e t 和c a n 总线结合 起来，c a n 总线是基础，在其基础上才能按部就班的开发d e v i c e n e t 设备。下 面内容将对上述三个步骤逐一详细介绍。 3 1 课题选择d e v i c e n e t 总线的原因 d e v i c e n e t 是1 9 9 4 年由美国r o c k w e l l 公