基于组态的CAN总线温度控制系统设计

控制系统综合设计基于组态的CAN总线温度控制系统设计专业自动化 学生姓名张帅班级B自动化082学号完成日期2012.01盐城工学院电气学院目录1概述11.1温度控制的发展状况11.2温度控制完成的功能12方案设计22.1iCAN-6202模块简介22.2热电偶32.3iCAN-2404模块62.4CAN接口卡83CAN总线技术基础与温度控制系统的基本原理94基于MCGS的HMI设计114.1人机界面124.2人机界面产品的组成及工作原理124.3人机界面产品的特点125人机界面设计136心得体会157参考文献16基于组态的CAN总线温度控制系统设计1 概述温度是日常生活中无时不在的物理量，温度的控制在各个领域都有积极的意义。很多行业中都有大量的用电加热设备，如用于加热的电烤箱，用于融化金属的坩埚电阻炉及各种不同用途的温度箱等，采用单片机对它们进行控制步进具有控制方便、简单、灵活性大的特点，而且还可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量。因此，智能化温度控制技术正被广泛地采用。本温度设计以CAN总线为基础，采用iCAN模块采集和控制信号。iCAN模块集成了转换电路、单片机、CAN控制器、CAN接发器等，其中转换电路包括I/V(V/I)电路，ADC(DAC)。CAN模块的采用，大大地使接线简单化。1.1 温度控制的发展状况随着社会的发展，科技的进步，以及测温仪器在各个领域的应用，智能化已是现代温度控制系统发展的主流方向。特别是近年来，温度控制系统已应用到人们生活的各个方面，但温度控制一直是一个未开发的领域，却又是与人们息息相关的一个实际问题。针对这种实际情况，设计一个温度控制系统，具有广泛的应用前景与实际意义。温度是科学技术中最基本的物理量之一，物理、化学、生物等学科都离不开温度。在工业生产和实验研究中，像电力、化工、石油、冶金、航空航天、机械制造、粮食存储、酒类生产等领域内，温度常常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一。比如，发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内；许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行；炼油过程中，原油必须在不同的温度和压力条件下进行分馏才能得到汽油、柴油、煤油等产品。没有合适的温度环境，许多电子设备就不能正常工作，粮仓的储粮就会变质霉烂，酒类的品质就没有保障。因此，各行各业对温度控制的要求都越来越高。可见，温度的测量和控制是非常重要的。CAN总线在工业生产中的应用已经越来越广泛，在很多的工业生产过程控制中也用到了温度检测和温度控制。随着温度控制器应用范围的日益广泛和多样，各种适用于不同场合的智能温度控制器应运而生。1.2 温度控制完成的功能本设计是针对温度进行实时检测与控制，设计的温度控制系统实现了基本的温度控制功能：当温度低于给定值时，系统自动启动加热继电器加温；当温度高于给定值时，系统自动关闭继电器加温。2 方案设计本设计采用一只iCAN-2404继电器功能模块，一只iCAN接口卡和一只iCAN-6202热电偶模块。其系统框图如图1所示。PC机iCAN接口卡iCAN-6202iCAN-2404卡热电偶继电器CAN总线图1 温度控制框图2.1 iCAN-6202模块简介iCAN-6202热电偶模块用于温度采集。iCAN-6202模块具有2路热电偶输入通道， iCAN-6202模块还提供2路数字量输出，这2路数字量输出既可用于指示模块工作状态也可由用户自行控制。a) iCAN-6202模块基本参数l 单电源供电，供电电压：10V30V DC；l 热电偶输入通道数： 2路；l 数字量输出通道数： 2路，可独立配置为输入通道状态指示模式或用户控制模式；l 输出通道类型：集电极开漏输出，最大负载电压30V，最大负载电流30mA；l 支持的热电偶类型及测温范围：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 温度值分辨率：0.1；l 热电偶冷端补偿精度：1；l 转换速率：4次/秒（2通道/次）；l 定时循环传送时间间隔：最小值 10毫秒、最大值 2.55秒；l 温度超限报警。b) iCAN-6202模块接口说明(图2)图2 iCAN-6202模块接口示意图c) iCAN-6202原理框图（图3）图3 iCAN-6202模块原理框图2.2 热电偶a) 热电偶输入原理热电偶由两个焊接在一起的异金属导线（以形成两个节点）所组成，结点之间的温差会在两根导线之间产生热电势（即电压），电压大小取决于组成热电偶的两种金属材料。国际电工委员会（IEC）推荐了八种类型的热电偶作为标准化热电偶，它们分别为J、K、T、E、N、B、R、S。热电偶结构图如图4所示。在使用热电偶测量温度时，还要求采用冷端补偿技术。因为热电偶的输出电压以0时的参考结点的温度来定义。图4 热电偶结构图根据测量温度范围不同，热电偶分为7种规格：一用于高温测量的K型，N型是可用于替换K型的新型号热电偶；二是用于中温测量的E型（-200800 ）和J型（-200750 ）；三是用于低温测量的T型（-200350 ）；四是用于超高温测量的B型（5001700 ），R型（01600 ），S型（01600 ）。 b) 热电偶输入控制原理热电偶测量模块测量的数据为热电偶的电压值，通过将测得的电压换算为相对应的温度，从而获得所要测量的温度值在iCAN-6202温度测量模块中，通过高分辨率的ADC直接将热电偶的输出数字化，通过软件实现线性化和校准。热电偶测量原理如图5所示。图5 热电偶测量原理框图c) 热电偶测量冷端补偿热电偶的输出电压以0时的参考结点的温度来定义，所以在使用热电偶测量温度时，还要求采用冷端补偿技术。在iCAN-6202模块模块中，采用热敏电阻测量冷端温度。d) 热电偶输入的接线热电偶的接线方法很简单，直接将热电偶输入信号正端连接到模块的SEN端，输入信号负端连接到模块SEN端即可 。热电偶接线图如图6示。图6 热电偶接线图e) 数字量输出原理晶体管输出等效电路（图7）。图7晶体管输出等效电路f) 输出信号输出信号内部等效电路(图8)。图8输出信号内部等效电路g) 数字量输出信号的接线数字量输出信号接线（图9）。图9 数字量输出信号接线输出信号驱动继电器（图10）。图10 输出信号驱动继电器接线图2.3 iCAN-2404模块iCAN-2404功能模块提供继电器输出通道，模块具有4路具有自保持功能的继电器输出通道。为防止继电器切换引起的干扰，iCAN-2404模块的继电器输出通道与控制部分采用了光电隔离措施。 a) iCAN-2404模块基本参数l 单电源供电，供电电压：10V+30V DC；l 输出通道数： 4路；l 触点形式：2a 或2b（触点输出状态自保持）；l 触点控制：“1”吸合，“0”断开；l 导通时间：6ms；l 断开时间：4ms；l 触点容量：DC： 24VDC/1A；AC： 220VAC/0.5A；l 触点寿命：5105 ；l 隔离电压：1000V DC（信号输入）；b) iCAN-2404模块接口说明（图11）图11 iCAN-2404模块接口说明c) iCAN-2404原理框图（图12）图12 iCAN-2404原理框图d) 继电器输出原理 继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁继电器是我们最常用的一种继电器 。电磁继电器等效示意图如图13。图13 电磁继电器等效示意图e) iCAN-2404输出状态定义在iCAN-2404模块中，对于继电器输出导通和断开的信号定义如表1示。 表1 继电器信号状态图输出状态继电器开关状态状态 1继电器输出开关闭合状态0继电器输出开关断开f) iCAN-2404输出连接 iCAN-2404继电器与输出端口连接（图14）。图14 iCAN-2404继电器与输出端口连接图g) 继电器输出的接线方式 iCAN-2404输出端口的接线方式（图15）.图15 iCAN-2404输出端口的接线方式2.4 CAN接口卡本设计中的接口才采用USBCAN-（图16）。USBCAN-双路智能CAN接口卡是与USB总线兼容的CAN-bus数据转换卡，通过USB电缆与PC进行连接。可应用于CAN-bus实验室、工业控制、智能楼宇等CAN-bus应用领域，进行CAN-bus网络数据分析、处理；也可单独用作CAN-bus网络的网关、网桥，构成不同层次网络中的数据转换系统。同时，USBCAN智能CAN转换卡可作为开发模块直接嵌入到用户产品。USBCAN-双路智能CAN接口卡集成有2个CAN通道、1路USB接口，是CAN-bus产品开发、CAN-bus数据分析的有力工具，因为具有体积小，即插即用等特点，也是便携式系统用户的最佳选择。图16 USBCAN-双路智能CAN接口卡USBCAN智能CAN接口卡采用SMD表面贴装工艺、四层电路板技术，抗干扰能力强，非常适合在长期工作环境下使用。而且，具有体积小巧、即插即用等特点，也是便携式系统用户的最佳选择。USBCAN-双路智能CAN接口卡提供广泛和强大的软件支持。这些软件支持包括通用的ZLGVCI驱动程序接口，自动实现安装，支持在VC+、C+Builder、Delphi和VB等开发环境下进行设计，可适合不同的开发人员使用。同样，USBCAN智能CAN接口卡不仅适应基本的CAN-bus产品、也满足基于高层协议如DeviceNet、CanOpen等CAN-bus产品的开发。另外，USBCAN-双路智能CAN接口卡可以与ZLGCANTest通用CAN-bus测试软件连接运行，执行CAN-bus总线数据的接收、发送测试任务，是实现CAN-bus产品开发、数据分析的得力工具。USBCAN-特点：l 支持CAN2.0A和CAN2.0B协议，符合ISO/ISO 11898规范；l 支持1-2路CAN控制器，每路均可单独控制；l CAN控制器波特率在5Kbps1Mbps之间可选；l 采用PHILIPS USB接口芯片，符合USB1.1协议规范；l 可以直接使用USB总线电源，或使用外接电源(+9V+36V，400mA)；l CAN-bus接口采用光电隔离、DC-DC电源隔离，隔离模块绝缘电压：1000Vrms；l 单通道工作时数据流量最高：3000帧/秒；l 即插即用；l 工作温度：070；l 外形尺寸：115mm*76mm3 CAN总线技术基础与温度控制系统的基本原理CAN，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。最初CAN被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。CAN是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10km时，CAN仍可提供高达50Kbit/s的数据传输速率。与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可概括如下：a) CAN总线为多主的方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，利用这一特点可方便地构成多机备份系统。b) CAN网络上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在134 us内得到传输。c) CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况。d) CAN只需要通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接受数据，无需专门的“调度”。e) CAN的直接通信距离最远可达10KM（速率5Kbps以下）；通信速率最高可达1Mbps（此时通信距离最长为40m）。f) CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个；报文标识符可达2032种（CAN2.0A），而扩展标准（CAN2.0B）的报文标识符几乎不受限制。g) 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。h) CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据出错率极低。i) CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。j) CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。为使设计透明和执行灵活，遵循ISO/OSI标准模型，CAN分为数据链路层（包括逻辑链路控制子层LLC和媒体访问控制子层MAC）和物理层，而在CAN技术规范2.0A的版本中，数据链路层的LLC和MAC子层的服务和功能被描述为“目标层”和“传送层”。CAN的分层结构和功能如图17所示。LLC子层的主要功能是：为数据传送和远程数据请求提供服务，确认由LLC子层接收的报文实际已被接收，并为恢复管理和通知超载提供信息。在定义目标处理时存在许多灵活性。MAC子层的功能主要是传送规则，亦即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定。MAC子层也要确定，为开始一次新的发送，总线是否开放或者是否马上开始接收。位定时特性也是MAC子层的一部分。MAC子层特性不存在修改的灵活性。物理层的功能是有关全部电气特性在不同节点间的实际传送。在一个网络中，物理层的所有节点必须是相同的。然而，在选择物理层时存在很大的灵活性。数据链路层逻辑链路层LLC 接收滤波 超载通知 恢复管理媒体访问控制子层MAC 数据封装/拆装 帧编码(填充/解除填充) 媒体访问管理 错误检测 出错标定 应答 并行转串行/串行转并行 物理层位编码/解码位定时 同步 (驱动器/接收器特性)故障界定总线故障管理图17 CAN的分层结构CAN技术规范2.0B定义了数据链路中的MAC子层和LLC子层的一部分，并描述与CAN有关的外层。物理层定义信号怎样进行发送，因而，涉及位定时、位编码和同步的描述。在这部分技术规范中，未定义物理层中的驱动器/接收器特性，以便允许根据具体应用，对发送媒体和信号电平进行优化。MAC子层是CAN协议的核心，它描述由LLC子层接收到的报文和对LLC子层发送的认可报文。MAC子层可响应报文帧、仲裁、应答、错误检测和标定。MAC子层由称为故障界定的一个管理实体监控，它具有识别永久故障或短暂扰动的自检机制。LLC子层的主要功能是报文滤波、超载通知和恢复管理。4 基于MCGS的HMI设计随着自动化技术迅猛发展，控制系统功能越来越强大，控制过程也变得越来越复杂，系统操作最大透明化已经成为一种需要。人机界面（HMI Human Machine Interface）以其过程可视化、操作员对操作过程可方便的控制等显著特点，很好的满足了这种需求而得到广泛的应用。工业HMI又称触摸屏监控器，是一种智能化操作控制显示装置。它一般与PLC等工业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写入工作参数或输入操作命令，实现人与机器信息交互。HMI的主要功能有：数据的输入与显示；系统或设备的操作状态方面的实时信息显示；报警处理及打印；数据归档和报表系统。此外，新一代工业人机界面还具有简单的编程、对输入的数据进行处理、数据登录及配方等智能化控制功能。4.1 人机界面 人机界面是指连接可编程控制器（PLC）、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写入工作参数或输入操作命令，实现人与机器信息交互的数字设备,由硬件和软件两部分组成。4.2 人机界面产品的组成及工作原理人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存贮单元等，其中处理器的性能决定了HMI产品的性能高低，是HMI的核心单元。根据HMI的产品等级不同，处理器可分别选用8位、16位、32位的处理器。HMI软件分为两部分，即运行于HMI硬件中的系统软件和运行于PC机Windows操作系统下的画面组态软件（如组态王等）。用户必须先使用组态软件制作“工程文件”，再通过PC机和HMI 产品的串行通讯口，把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行。4.3 人机界面产品的特点a) 系统运行过程清晰化控制过程可以动态地显示在HMI设备上。例如：烤箱加热通断可以通过指示灯亮灭来显示，烤箱的温度大小可以用棒图来指示等等，使整个控制系统变得形象易懂，也更加清晰。b) 系统操作简单化操作员可以通过监控界面来控制过程。可从监控界面上启动和停止系统、设定温度上下限、设置PID参数等。c) 显示报警控制过程达到临界状态或系统运行错误时会自动触发报警，例如，当炉子温度超出温度上下限时自动触发报警。d) 数据归档HMI系统可以记录过程变量值和报警信息并归档。例如：通过归档数据，您可以查看过去一段时间的系统运行情况，过程变量等。e) 报表系统HMI系统可以输出报警和过程值报表。例如，您可以在生产某一轮班结束时打印输出生产数据。5 人机界面设计HMI监控系统由监控主画面及相应的功能子画面组成，HMI