采用現(xiàn)場總線技術(shù)設(shè)計(jì)溫度測控系統(tǒng)

1、現(xiàn)場總線是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。它是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，是自動化領(lǐng)域中底層數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。簡單說，現(xiàn)場總線就是以數(shù)字通信替代了傳統(tǒng)4-20mA模擬信號及普通開關(guān)量信號的傳輸，是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)。主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。CAN 是Controller Area Network 的縮寫（以下稱為CAN），是ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。在當(dāng)前的汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對安全性、舒適性、方便性、低公

2、害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開發(fā)了出來。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構(gòu)成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之增加。為適應(yīng)“減少線束的數(shù)量”、“通過多個(gè)LAN，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要，1986 年德國電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的CAN 通信協(xié)議。此后，CAN 通過ISO11898 及ISO11519 進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，現(xiàn)在在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議?，F(xiàn)在，CAN 的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面?，F(xiàn)場總線是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控

3、制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。 在工業(yè)系統(tǒng)中，潤滑油系統(tǒng)為大型設(shè)備的轉(zhuǎn)軸軸承提供潤滑油，是保證設(shè)備安全運(yùn)行的重要條件。潤滑油溫度需保持在20C到60C之間，控制值為35C左右，在潤滑過程中油溫會升高，需要在供油管上增加冷油器來冷卻油溫。通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)冷卻水流量，使油溫能保持在最佳值附近。本文介紹一種采用分布式結(jié)構(gòu)的自動溫度測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的溫度測控模塊不僅可以按照設(shè)定獨(dú)立的進(jìn)行溫度測控，而且能夠?qū)⒎植荚诓煌攸c(diǎn)的溫度測控模塊通過CAN現(xiàn)場總線連接起來，接入PC機(jī)進(jìn)行集中監(jiān)控和管理。本系統(tǒng)采用CAN現(xiàn)場總線進(jìn)行通訊，由于一條CAN總線上的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)理論上是不受限制

4、的，實(shí)際應(yīng)用則取決于總線驅(qū)動電路，目前最高達(dá)到110個(gè)。所以，基于CAN的分布測控系統(tǒng)適合各種規(guī)模的應(yīng)用場合，由于CAN現(xiàn)場總線采用非破壞總線仲裁技術(shù)，大大節(jié)約了總線沖突的仲裁時(shí)間，尤其是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下，也能穩(wěn)定通訊，不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)，由于CAN總線的系統(tǒng)靈活，其節(jié)點(diǎn)可以在不要求現(xiàn)存節(jié)點(diǎn)及其應(yīng)用層改變?nèi)屎蛙浖蛴布那闆r下，接入CAN網(wǎng)絡(luò)，大大提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)充能力。分布式溫度測控系統(tǒng)由溫度測控模塊，隔離CAN中繼器，計(jì)算機(jī)，打印機(jī)，CAN通訊卡等組成，其結(jié)構(gòu)如圖所示：溫度測控模塊是系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)與關(guān)鍵，它直接與溫度采集及控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連接，實(shí)現(xiàn)對溫度的

5、檢測與控制，如溫度超限（上限，下限）報(bào)警、加熱、冷卻等。雖然該模塊是系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，但它也可以獨(dú)立工作，即在系統(tǒng)其它部分停止工作的情況下，自動溫度測控模塊仍然可以獨(dú)立控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)基本的溫度測控功能，提高了系統(tǒng)工作的可靠性。同時(shí)由于系統(tǒng)降低了對上位計(jì)算機(jī)可靠性的要求，因此上位機(jī)可以采用普通的PC機(jī)來代替工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，降低了系統(tǒng)的成本。各個(gè)溫度測控模塊與上位計(jì)算機(jī)之間通過CAN現(xiàn)場總線通訊。與其他網(wǎng)絡(luò)不同，在CAN總線的通訊協(xié)議中，沒有節(jié)點(diǎn)地址的概念，也沒有任何與節(jié)點(diǎn)地址相關(guān)的信息存在，它支持的是基于數(shù)據(jù)的工作方式。即：CAN總線面向的是數(shù)據(jù)而不是節(jié)點(diǎn)；因此加入或撤銷節(jié)點(diǎn)設(shè)備都不會影響

6、網(wǎng)絡(luò)的工作，這樣的結(jié)構(gòu)十分適用于控制系統(tǒng)要求快速、可靠、簡明的特點(diǎn)。同時(shí)，CAN總線的直接通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)到10km，通過CAN中繼器可以是通訊的距離進(jìn)一步延長。系統(tǒng)工作時(shí)，首先上位機(jī)將各溫度測量點(diǎn)的溫度設(shè)定值及極限溫度設(shè)定值通過CAN總線發(fā)送給相應(yīng)的溫度測量模塊，下位 的 溫 度 測 量 模 塊 將 接 收 到 的 各 設(shè) 定 值 進(jìn) 行 保 存 在EEPROM，這樣在不更新設(shè)備的情況下，控制模塊可以脫離上位機(jī)而獨(dú)立工作，控制模塊的啟停等操作可以通過現(xiàn)場的操作面板進(jìn)行控制，也可以在上位計(jì)算機(jī)上進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)中的上位計(jì)算機(jī)主要完成人機(jī)對話和系統(tǒng)管理功能，如各溫度測量點(diǎn)的溫度及其上下限的設(shè)定

7、，對采集的溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)庫管理，實(shí)現(xiàn)溫度的查詢和打印等，同時(shí)對溫度測量點(diǎn)的加熱和冷卻進(jìn)行手動實(shí)時(shí)控制。溫度測控模塊采用PIC185F458單片機(jī)控制，由電源電路，復(fù)位電路，看門狗電路，CAN接口電路，信號調(diào)理電路，多路選擇電路，繼電器輸出電路等組成，由于PIC185F458單片機(jī)內(nèi)部包含11位的A/D轉(zhuǎn)換器，所以電路省去了A/D轉(zhuǎn)換電路，如圖所示：自動溫度測控模塊的典型CAN通訊接口電路如圖所示：MCP2551是一款I(lǐng)SO11898兼容的高速CAN收發(fā)器，其標(biāo)準(zhǔn)引腳與功能使其可用于已有高速CAN收發(fā)器的應(yīng)用中，同時(shí)提供改進(jìn)的性能，如更寬的瞬變電壓與短路電壓范圍，以及更短的傳播延遲。為了增強(qiáng)CAN

8、總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，PIC185F458的CANTX和CANRX并不是直接與MCP2551的TXD和RXD相連，而是通過高速光耦6N137后與MCP2551相連，這樣就很好的實(shí)現(xiàn)了總線上和CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。光耦部分電路所采用的兩個(gè)電源VCC和VDD必須完全隔離，否則采用光耦也就失去了意義。電源的隔離可采用小功率隔離電源模塊或帶多5V隔離輸出的開關(guān)電源模塊。應(yīng)用層協(xié)議是CAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的關(guān)鍵，因此該系統(tǒng)中，我們在上位PC機(jī)與前端溫度測控模塊之間的通信中，制定了切實(shí)可行的用戶層通信協(xié)議。 系統(tǒng)通信報(bào)文采用擴(kuò)展幀格式，通信協(xié)議采用“ID+輔助標(biāo)識碼+命令+數(shù)據(jù)”的形式，其中ID為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)標(biāo)識符

9、，采用ID.0-ID.12（共13位）。標(biāo)識符ID.14-ID.20（共8位）作為輔助標(biāo)識碼，當(dāng)數(shù)據(jù)是多幀報(bào)文時(shí)，被用作數(shù)據(jù)索引號；當(dāng)對開關(guān)量的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制時(shí)，作為控制對象的索引號。標(biāo)識符ID.21-ID.8（共8位）作為命令操作碼，ID.14-ID.28不參與收濾波。系統(tǒng)操作命令有： （1）系統(tǒng)巡檢命令：系統(tǒng)啟動時(shí)，上位計(jì)算機(jī)檢測各自動溫度測控模塊的工作狀態(tài)。 （2）巡檢應(yīng)答：對上位計(jì)算機(jī)發(fā)送的巡檢命令進(jìn)行應(yīng)答。 （3）溫度設(shè)定命令：上位計(jì)算機(jī)將用戶設(shè)定的溫度傳送到各自動溫度測控模塊 （4）極限溫度設(shè)定命令：上位計(jì)算機(jī)將用戶設(shè)定的極限溫度（上限、下限）傳送到各自動溫度測控模塊。（5）數(shù)據(jù)

10、請求命令：上位計(jì)算機(jī)請求自動溫度測控模塊將采集的溫度數(shù)據(jù)上傳。 （6）數(shù)據(jù)應(yīng)答：自動溫度測控模塊將所采集的溫度數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)。 （7）開關(guān)量執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制命令：加熱泵、冷卻泵的啟停以及其他開關(guān)量輸出。上位軟件設(shè)計(jì)分布式自動溫度測控系統(tǒng)的上位軟件采用Visual C+語言編寫而成，包括用戶管理、溫度設(shè)置、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)打印、報(bào)警設(shè)置、通訊測試等功能模塊。為了能使用戶操作簡便，軟件采用單窗體界面，通過按鈕可以調(diào)出其他各對話框，如：用戶管理對話框、溫度設(shè)置及報(bào)警狀態(tài)查詢對話框、數(shù)據(jù)查詢和打印對話框及通訊測試對話框等。 主窗口的功能是通過上位計(jì)算機(jī)與自動溫度測控模塊之間的數(shù)據(jù)通訊，在上位計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯

11、示各溫度測控點(diǎn)的溫度，并可對各控制模塊進(jìn)行控制。為了形象、直觀、靈活的表示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，軟件中使用了動畫，各儀器儀表完全仿照實(shí)物設(shè)計(jì)，數(shù)值采用數(shù)碼顯示，所有對話框采用了Windows XP界面。用戶管理對話框可以實(shí)現(xiàn)用戶的登錄及注銷、合法用戶口令修改、新用戶的創(chuàng)建，用戶權(quán)限設(shè)置等功能。溫度設(shè)置對話框可以設(shè)置各溫度測控點(diǎn)的溫度。報(bào)警設(shè)置對話框可以設(shè)置各溫度測控點(diǎn)的極限溫度，同事實(shí)時(shí)顯示各溫度測控點(diǎn)的溫度數(shù)值和當(dāng)前的報(bào)警狀態(tài)。數(shù)據(jù)查詢和打印對話框可以實(shí)現(xiàn)每天和每月數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和打印。通訊測試對話框用于設(shè)備調(diào)試和維護(hù)，需要專業(yè)人員操作。本設(shè)計(jì)中采用Microsoft Access數(shù)據(jù)庫來對各數(shù)據(jù)進(jìn)行

12、保存和管理，在具體實(shí)現(xiàn)上是通過ADO數(shù)據(jù)對象與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接的。溫度測控模塊軟件溫度測控模塊軟件的程序采用C18和匯編語言混合編程，包括模塊管理程序、模塊測控程序和通信程序3大部分，模塊管理程序有鍵盤及顯示接口程序，EEROM讀寫程序，時(shí)鐘管理程序，報(bào)警處理程序等，實(shí)現(xiàn)終端機(jī)測控參量的實(shí)時(shí)顯示，上下限制的設(shè)定，超限報(bào)警處理功能；模塊測控程序有數(shù)據(jù)采集及濾波處理程序，標(biāo)度轉(zhuǎn)換程序，開關(guān)量輸入程序，控制輸出程序等，實(shí)現(xiàn)溫度參量的采集處理，開關(guān)量的輸出控制；通訊程序?qū)崿F(xiàn)本模塊與上位計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程通訊，完成遠(yuǎn)程測控和控制的功能。為了減輕網(wǎng)絡(luò)的通信負(fù)荷，溫度測量模塊定時(shí)比較所采集的數(shù)據(jù)（溫度），如果有變化

13、則向上微計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，否則，不傳輸數(shù)據(jù)。分布式自動溫度測控系統(tǒng)不僅具有基本的溫度測控功能，而且通過CAN總線將分布在各處的單元連接起來，可以在上位計(jì)算機(jī)上進(jìn)行集中監(jiān)控以及查詢和統(tǒng)計(jì)等數(shù)據(jù)的管理，具有結(jié)構(gòu)靈活、人機(jī)界面好、集控制和管理與一體等優(yōu)點(diǎn)，克服了人工方式控制經(jīng)度差，勞動強(qiáng)度大，且集中綜合管理更加困難等缺點(diǎn)，提高了生產(chǎn)效率，降低了各種損耗，管理手段實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化。此系統(tǒng)可以應(yīng)用于與其他遠(yuǎn)距離分布式控制場合。程序一（具體溫度采集程序具體溫度采集程序）功能：實(shí)時(shí)采集當(dāng)前環(huán)境溫度值，并顯示于數(shù)碼管上。同時(shí)，當(dāng)溫度高于某一值時(shí)（在這里設(shè)為功能：實(shí)時(shí)采集當(dāng)前環(huán)境溫度值，并顯示于數(shù)碼管上。同時(shí)，當(dāng)溫度

14、高于某一值時(shí)（在這里設(shè)為27攝氏度，攝氏度，蜂鳴器便會發(fā)出報(bào)警）。而當(dāng)?shù)陀谠撝禃r(shí)，蜂鳴器便自動停止報(bào)警。蜂鳴器便會發(fā)出報(bào)警）。而當(dāng)?shù)陀谠撝禃r(shí)，蜂鳴器便自動停止報(bào)警。#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit DS=P22; uint temp; uchar flag1; sbit dula=P26;sbit wela=P27; sbit beep=P23;unsigned char code table=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7

15、f,0 x6f,0 x77,0 x7c,0 x39,0 x5e,0 x79,0 x71;unsigned char code table1=0 xbf,0 x86,0 xdb,0 xcf,0 xe6,0 xed,0 xfd,0 x87,0 xff,0 xef;void delay(uint count) /延時(shí) uint i; while(count) i=200; while(i0) i-; count-; void dsreset(void) /發(fā)送復(fù)位和初始化命令 uint i; DS=0; i=103; while(i0)i-; DS=1; i=4; while(i0)i-;bit t

16、mpreadbit(void) /讀一位 uint i; bit dat; DS=0;i+; DS=1;i+;i+; dat=DS; i=8;while(i0)i-; return (dat);uchar tmpread(void) /讀一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù) uchar i,j,dat; dat=0; for(i=1;i=8;i+) j=tmpreadbit(); dat=(j1); return(dat);void tmpwritebyte(uchar dat) /向DS18B20里寫一位 uint i; uchar j; bit testb; for(j=1;j1; if(testb) /writ

17、e 1 DS=0; i+;i+; DS=1; i=8;while(i0)i-; else DS=0; /write 0 i=8;while(i0)i-; DS=1; i+;i+; void tmpchange(void) /DS18B20開始轉(zhuǎn)換 dsreset(); delay(1); tmpwritebyte(0 xcc); / address all drivers on bus tmpwritebyte(0 x44); / initiates a single temperature conversionuint tmp() /獲取溫度值 float tt; uchar a,b;dsreset();delay(1);tmpwritebyte(0 xcc);tmpwritebyte(0 xbe);a=tmpread();b=tmpread();temp=b;temp0;a-) display(tmp(); if(temp=270) P1=0 x00; beep=0; else beep=1; P1=0 xff; 具體實(shí)現(xiàn)程序具體實(shí)現(xiàn)程序float IUX=0,Error=0,temp,Old_temp; define PID.P 0.2fdefine