1、第 1 页 共 45 页摘要温度控制应用于工厂、电力、楼宇、冶金、粮仓、元器件老化等行业自动化领域。CAN 总线是一种具有国际标准的现场总线，它具有结构简单、实时性好、可靠性高、抗干扰能力强、成本低等显著优点。本文将现场总线技术用于测量控制仪表中，使其具有数字计算和数字通信的能力，成为能独立承担检测、控制和通信任务的网络节点，并开发了相应的系统管理软件。本文的主要研究工作如下:分析集散控制系统 DCS(Distributed Contrl Systetn)存在的问题，结合应用需求和现场总线控制系统 FCS(Fieldbus Control system)的优点，从性价比出发，提出技术解决方案，
2、分析该方案的可行性;结合实际的工业现场的应用，着重考虑硬件结构的优化、抗干扰能力设计，尽量减少系统的体积和降低硬件的成本，根据设计的硬件电路，采用汇编语言编写相关模块控制程序，建立与上位机的通讯;基于工业系统的应用需求，采用 VB 进行编程、调试，保证系统最后稳定运行。文中基于 CAN 总线的智能温度控制节点，可实现现场智能节点间的温度传递及将温度信号快速、准确上传，并可随时在总线上增删现场节点，而不会影响整个系统的工作，上位机可随时控制现场节点的状况，并及时预报，将系统运行中的风险降低到最小，极大提高企业的管理效率。本系统电路简单、成本低、软硬件保护功能强，组成的系统布线简单、可靠性好，在低
3、成本的自动化领域有着广泛的应用空间。关键词:FCS， DCS，CAN 总线， AT89C52 单片机，SJA1000第 2 页 共 45 页ABSTRACTTemperature control for factories, power, building, metallurgy, granaries, and aging components industry automation.CAN bus is a fieldbus with international standards, it has a simple structure, real-time, high reliability
4、, anti-interference ability, low cost and significant advantages. This article fieldbus technology used to measure control instruments, the Shi Qi with digital computing and digital communications in the ability, as can Duli Chengdanjiance, control and communications tasks of Wang Luo node and the d
5、evelopment of a corresponding system management software.The main research work are as follows: analysis of distributed control system DCS (Distributed Contrl Systetn) problems, combined with application requirements and field bus control system FCS (Fieldbus Control system) the advantages of starti
6、ng from a cost-effective, technical solutions, analysis of the program feasibility; light of actual industrial site applications, pre-eminence to the optimization of hardware, anti-interference ability to design, Jin Liang reduce the systems size and lower Yingjian the cost of the design of hardware
7、 circuit Genju, written by assembly language module control procedures related to, establish communication with the host computer; industrial system based on application requirements, using VB programming, debugging, to ensure stable operation of the system last.Paper, based on CAN bus intelligent t
8、emperature control node, the node can be achieved between the temperature field intelligent pass and the temperature signal quickly and accurately uploaded and are free to add or delete the scene on the bus。 may at any time control of the scene node status, and timely forecasting of system operation
9、s to minimize the risk of greatly improve the enterprises management efficiency. The system is simple, low cost, powerful hardware and software protection, a system composed of simple wiring, reliability, low cost automation in a broad application space.第 3 页 共 45 页Keywords: FCS, DCS, CAN bus, AT89C
10、52 microcontroller, SJA10001.绪论1.1. 本课题的目的及研究意义近年来温度控制系统已经开始应用于工厂、电力、楼宇、冶金、粮仓等行业，但是还不完善。本课题设计的温度控制系统是以工业现场中对地址分布广、控制点数多的温度采集为应用模型的计算机管理信息系统，设计本系统的主要目的是与现场节点配合使用。针对粮仓等工业现场，需控制温度等模拟量参数及其它开关量参数，且节点数随工作环境、工作区域的不同而有所增减。同时，还考虑到了业务操作人员专业素质不高等因素。因此，在系统设计时，上位机除负责系统的总体调度，向网络节点发送命令，接收节点数据，并对节点信息加以分析、存储、显示外，同时还
11、满足操作简便，可扩展性强等特点。随着现代信息技术的飞速发展, 由微机构成的温度监控系统已在众多领域得到应用, 但当需要控制的系统规模较大、控制目标比较分散时, 单一结构的温度控制系统就显得无能为力。为此, 开发了一种基于现场总线技术的远程温度通信监控系统, 以解决这个问题。近年来, 现场总线技术迅猛发展, 在众多的现场总线中,can 现场总线技术以其优秀的分布处理能力、开放性、互操作性、多媒体适应能力以及多网络拓扑结构等特性适应了未来发展对测控技术的要求, 成为其中的佼佼者。我们设计的温度监控系统是基于 can 现场总线技术和远程网络技术的远程通信系统。该系统能方便地将不同区域、目标分散的测点
12、组成温度测控网络, 通过电话网实现与远程监控中心主机互连; 利用电话通信线路可实现对现场温度的采集、处理、控制和远程通信。目前国际上流行的现场总线有 FF、Lonworks、CAN、Profibus 等，而从现场总线的应用状况来看，真正用于实际的测量控制系统却并不多，在国内更是如此。这除了新技术的推广有一个过程外，各种现场总线设备的投资、系统维护、元器件的来源及价格等问题，都限制了现场总线在工业生产中的实际应用。而 CAN 总线在这些方面却占有较大的优势，CAN 总线在国内较易买到且价格同其它现场总线器件相比要低得多。同时，一般较高档的单片机开发装置都支持具有 CAN 功能第 4 页 共 45
13、 页的单片机。通过对各种现场总线的性能特点、购货渠道、价格等比较，并结合行业的应用需求，从性价比出发，提出利用 CAN 总线构成全分布式的温度测控系统，实现产品的高温老化控制，并针对此分布式系统提出相应的智能温度节点设计。同时在网络化不断发展的今天，远程测控已成为了一种新趋势。远程测控是测量技术和网络化结合的产物，是测试技术发展的热点之一。随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高速发展，控制系统从最初采用基地式仪表的就地控制，到采用元组式仪表的集中控制，发展到如今的网络测控系统。传统的测量方案功能单一，时间和空间的局限性大。而远程测控的出现不仅克服了上述问题，而且扩大测控规模，节省成
14、本。1.2、本课题的国内外的研究现状自二十世纪八十年代德国 Bosch 公司成功开发出控制器局域网(CAN)总线以来，它已被证明可以很好地适应技术与市场变化的需求。目前，除了在汽车应用中持续占据主导地位之外，它还被成功应用于包括工业机动控制、铁路引擎控制单元、船用电子设备、医用设备、复杂传感器以及煤矿系统等在内的诸多领域。CAN 总线刚出现的时候，是作为轿车内的控制器连网手段。在非营利组织 CiA (CAN in Automation)的推动下，CAN 正在向更多的应用领域渗透。1.2.1 CAN总线国外技术发展CAN，全称为“ContmllcrArea Network”，即控制器局域网，是一
15、种具有国际标准而且性价比较高的现场总线。CAN 最早出现在汽车工业中，由德国 Bosch公司最先提出。当时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子操作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连接信号线。国内自主开发的现场总线设备和国外的产品是有一定的差距，在功能上和传输速率上和国外产品没有什么差距。但在细节方面还是有的，例如：PROFIBUS 现场总线产品的芯片都是公开的没有什么技术保密（LSPM2、SPM2、SPC3 、ASPC2 等芯片） ，在市场上可以买到有关的芯片，但在国内开发自己的产品是往往在开始设计线路、制作和安装时就容易忽略一些
16、细节，线路板上的分布电容问题，处理得不好特别是在高频工作方面有为突出影响产品的工作的稳定性。电容滤波抗干扰问题，国内的产品往往忽略滤波电容的作用在制作产品时将滤波电容减少，这样造成国内的许多产品防外界电磁干扰能力较低。第 5 页 共 45 页输入电源的保护问题，完善的电源保护和供电电压的稳定也是稳定运行的保障。将所有的问题加在一起国内的产品与国外的产品，在使用寿命上尤其是产品工作的稳定性上存在一定的差距。1.2.2 CAN总线国内技术发展国内总线展趋势是：多种现场总线在国内展开激烈竞争，竞争的重点是应用工程；国内自己开发的现场总线产品开始投入市场；国内各行业的现场总线应用工程迅速发展。 现场总
17、线技术传入中国已经好几年了，前几年我们主要是了解学习和宣传，然后开始开发和应用。由于中国经济正处于起飞阶段，市场潜力巨大，各种现场总线的主要支撑企业都看好中国市场，他们在中国展开了激烈的竞争。竞争的集中体现是在国内引起现场总线协议的争论。争论的焦点是哪种现场总线更好。 这种争论在初期对宣传现场总线是有好处的，它促使更多的人了解现场总线，为今后现场总线的推广做了很好的准备。但是要想通过这种争论来搞清楚到底哪种现场总线更好，那是不可能的。 从国内的角度讲，我们应该紧跟国际标准化的潮流，加大对 IEC 标准的学习、宣传力度，使更多的人了解国际现场总线发展的趋势。 从现场总线产品的开发角度讲，应把有限
18、的资金集中在有限的目标上，不宜搞太多的现场总线。对一个企业来讲，已经投资在哪种总线上，应坚持做下去；不宜过多地变换目标。 从现场总线的应用角度讲，我们支持各种现场总线在我国的推广应用。多种总线的竞争，有利于降低产品价格，有利于加快现场总线在我国的推广。 1.2.3 远程测控的国内外发展和研究现状在网络化不断发展的今天，远程测控已成为了一种新趋势。远程测控是测量技术和网络化结合的产物，是测试技术发展的热点之一。随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高速发展，控制系统从最初采用基地式仪表的就地控制，到采用元组式仪表的集中控制，发展到如今的网络测控系统。传统的测量方案功能单一，时间和空间的
19、局限性大。而远程测控的出现不仅克服了上述问题，而且扩大测控规模，节省成本。远程测控按照通信的方式分为：1）.工业控制网络中，使用现场总线通讯协议，如控制局域网通讯协议第 6 页 共 45 页CAN(Control Area Network)。2）.Internet 互联网中，使用 CAN 协议和相关的仪器网络协议。近年来，随着互联网的发展,基于互联网的远程控制也逐渐得到了研究人员的重视。测控系统以计算机为中心、以网络为核心的特征日益明显。使用 Internet 的远程测控系统，人们从任何地点，在任何时刻获取到测量信息（或数据）的愿望成为现实。比如，远程工业的控制，通过互联网可以随时查看工业中电
20、和温度的使用情况，并控制其工作状态，这样，人们在工作的过程中就可以更方便的了解工厂中的温度变化。各种新技术、新器件、新理论的出现和计算机网络的飞速发展，必将给远程测控技术的发展和应用提供广阔的天地。它的发展正朝着数据传输方式朝复合式、多样性发展，进一步融合分析集散控制系统 DCS(Distributed Contrl Systetn) 和现场总线控制系统 FCS(Fieldbus Control system)的技术，并且基于温控器的测控网络将是远程测试技术发展的大趋势。在国内学校，远程实验教育的异地控制实验室普及不多，有些基于PB(PowerBuilder)网络测控比较复杂，没有通用性。一个
21、远程的网络测控，需要对很多参量进行设定和测量，因此会显得比较复杂，特别是数据传输的可靠性、准确性和实时性，网络数据库的更新和连接。这样，远程异地测控系统的开发和制作时间长，也不利于网络实验室的建设和维护。本文基于虚拟仪器进行远程测控却解决了周期长，通用性弱的缺点。远程测控是信息时代新型仪器设备的重要技术标志，而虚拟仪器是一个业界领先的工业标准软件工具，用于开发测试、测量和控制系统。两者的结合将发挥很大的作用。1.3、本课题要研究解决的内容及问题1.3.1要研究的内容温度控制技术作为 CAN 总线的一个重要组成部分，在工业控制中起着重要作用。该设计要求实现以温度控制器为 CAN 总线的高精度控制
22、系统，并能满足多种场合下对温度变量的控制采集与处理。第 7 页 共 45 页1、掌握 CAN 现场总线的物理层及链路数据层协议2、掌握基于总线的温控器的硬件和软件系统的设计原理3、掌握 CAN 现场总线、单片机接口技术及智能控制技术的应用原理1.3.2需要解决的问题：通讯主节点电路设计；模拟量输入模块与控制电路；数据通讯模块；系统软件设计。1.3.3拟采用的研究手段采用 89C52 作为微处理器 DSl8B20 实现温度测试，利用 CAN 协议转换器SJA1000 实现节点与上位机的通讯。基于 CAN 总线的温度控制系统是以单片机为核心，实现自动温度控制并上传及节点间数据通讯，保证系统的可靠性
23、，准确性，实时性。其主要需求功能下：支持 CAN2.0B 通讯。采用温度传感器测试和传递现场温度并实现多点组网。与上位机建立通讯，将现场温度传递到上位机系统。用户可以自行设定温度转换所需转换时间。设定温度超标报警的上、下限值，在温度超限时发送报警信号。指示。控制系统的各个温度控制器之间通过 CAN 总线通信，实时传输各种运行参数、控制命令，其网络拓扑。下位机温控器通过单片机自带的 CAN2.0 控制器接收 CAN总线上的数据，以及通过 CAN 总线传送数据到上位机。上位机则通过 USBCAN 智能接口卡连入到 CAN 总线上，并通过 CAN 总线与各个温控器相连。上位机系统硬件主要包括 PC
24、上位机、智能 USBCAN 接口卡和下位机温控器。智能 CAN 接口卡主要实现了 Pc 机与 CAN 总线的通信。下位机 CAN 控制器即温控器主要功能是：实现与上位机 CAN 通信；CAN 总线的功能是将单片机内的温度信号通过 CAN 总线传递到上位机系统，负责单片机和上位机之间的数据传递即数据的接收和发送。在程序设计时，数据的接收采用查询接收方式，数据的发送采用中断发送方式。第 8 页 共 45 页2.现场总线技术2.1引言随着控制技术、计算机技术、通信技术的飞速发展，数字化作为一种趋势正在从工业生产过程的决策层、管理层、监控层和控制层一直渗透到现场设备，引起了自动化系统结构的变革，逐步形
25、成以网络集成自动化系统为基础的控制系统。现场总线技术顺应这一趋势发展起来的新技术。它将上述几种技术相互结合，是现代自动控制技术发展的热点，代表了工业控制领域今后的一种发展方向。它的发展，将使传统的控制系统无论在结构上还是在性能上出现巨大的飞跃，现场总线是控制领域的一场革命，它是一种有突破意义的控制思想，开辟了一个崭新的时代。2.2现场总线技术2.2.1概述现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多点的通信系统。主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。通过现场总线可以实现跨越网络的分布式控制。目前
26、市场上有多种类型的现场总线，作为国际标准的现场总线己经有 10 个类型，其中主要的有: 基金会现场总线 FF(Foundation Fieldbus)、控制局域网络 CAN(Controller Area Network).局部操作网络 Lonworks(Local Operating Network)、过程现场总线 PROFIBUS(Process Field Bus)和 HART 协议 (Highway Address RemoteTransducer)等。2.2.2现场总线的技术特点现场总线的特点体现在以下几点:l)系统的开放性现场总线是开放式互联网络，既可与同层网络互联，也可与不同层网
27、络互联。现场总线协议是一个完全开放的协议，它不像 DCS 那样采用封闭的、专用的通信协议，而是采用公开化、标准化、规范化的通信协议。这就意味着来自不同厂家的现场总线设备，只要符合现场总线协议，就可以通过现场总线网络连接成系统，实现综合自动化。第 9 页 共 45 页2)互操作性与互用性这里的互操作性，是指实现互相连接的设备之间、系统之间的信息传送与沟通，可实现点对点、一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用，用户可以自由地选择设备，而这种选择独立于供应商、控制系统和通信协议，不需要专有协议和特殊定制驱动软件和升级软件。3)现场设备的智能化与功能自治
28、性它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅仅依靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时监测设备的运行状态。4)系统结构的分散性FCS 把功能块分散到现场设备中执行，取消了传统的 DCS 系统中的过程控制站。由于现场设备本身可完成自动控制的基本功能，使现场总线能够构形成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有 DCS 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。5)对现场环境的适应性工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的
29、抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足安全防爆要求等。现场总线的优点由于现场总线具有以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从设计、安装、搬运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。具体体现在以下几方面:l)节省硬件数量与投资、节省安装费用由于采用一对 N 结构，使得接线简单、工程周期短、安装费用低。据不完全统计，相对于 DCS，使用 FCS 可以减少从 1/2 到 2/3 的隔离器、端子柜、I/O 终端、I/O 联接件及 I/O 柜子，这样就节省了 I/O 装置及装置室的空间。同时，还可以减少电缆的用量，费用可以节省 66%或更多。第 10 页 共 45 页2)提高系
30、统的准确性与可靠性数字信号取代了模拟信号传输标准，传输的准确性更高，更具完整性。由于免去了 D/A 及 A/D 转换，使精确度可以从+0.5% 提高到士 0.1%。同时，由于系统结构的简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统运行的可靠性。3)节省维护开销由于现场控制设备具有自诊断与简单的故障处理能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便分析出故障原因并快速排除，缩短了维护停工的时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。4)用户具有高度的系统集成主动权由于不同厂商遵循同一现场总线标准的同类设
31、备，具有互可操作性与互用性，用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统，达到最佳集成。总之，现场总线已经发展成为一种信号标准、通信标准、系统标准，它将从根本上改变控制系统的结构，将原来的 DCS 系统发展成为全数字化、真正实现“分散控制、集中管理， ，控制思想的系统。2.3现场总线控制系统2.3.1现场总线控制系统的构成以现场总线作为基础发展起来的全数字控制系统称为现场总线控制系统。它是继 DCS 后的新一代控制系统。它是一个开放的通信网络，又是一种全分布式的控制系统。它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、优化的综合自动化功能。这是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术。现场总线由于采用了智能现场设备，能够把原先 DCS 系统中处于控制室的控制模块、各种输入输出模块置入现场设备，加上现场设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而只需通过都处于现场的变送器、执行器之间的连接，便可在现场构成完整的基本控制系统，实现彻底的分散控制。2.3.2DCS与 FCS的比较
