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1、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 学生姓名班级学号完成日期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。
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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（
7、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（-
8、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-6
9、202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
10、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
11、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) i
12、CAN-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
13、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，
14、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
15、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
16、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
17、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
18、.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”。
19、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
20、 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
21、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，
22、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
23、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
24、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画
25、面设计对于HMI来说是非常关键的。HMI画面是用组态软件来做的，常见的组态软件有西门子公司的Wincc、罗克韦尔公司的RsView及国产的MCGS等。在本温度控制系统设计中，我们选择了MCGS来完成监控画面的设计。MCGS和其他组态软件相比最大的优势是它操作方便，提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持，对于新手来说很容易上手。图18 新建工程我从网络上面下载MCGS软件，安装好后，双击桌面图标，弹出工作台，进行新建工程。如图17所示，接下来我将工程命名为“烤箱温度控制”。首先点击“用户窗口”，单机“新建窗口”按钮，选中“主控窗口”后，点击窗口属性，弹出“用户窗
26、口属性设置”，如图19所示。图19 用户窗口属性设置在窗口名称栏中输入“主控窗口”，单击确认。然后选中“动画组态”，进入组态开发界面。进入开发界面后，点击弹出工具箱管理器，然后在工具箱中将相应的组件拖入到组态开发界面中。完整的主界面如图20所示。图20 组态组界6 心得体会本设计采用以CAN总线为基础的组态温度控制系统，采用了iCAN-2404继电器功能模块，iCAN接口卡和iCAN-6202模拟量输入模块，结构简单，方便控制。本设计只是温度控制其中的一个简单控制实例，里面还有许多需要完善的地方，例如可以将数据通过GPRS发送给用户，使用户可以对系统进行远程控制。人机界面内容可能不够丰富，如果时间允许和实物进行试验，所产生的实验数据会使报告更加丰富。7 参考文献1 薛迎成/何坚强.工控机及组态控制技术原理与应用.中国电力出版社2 于洋.测控系统网络化技术及应用.机械工业出版社3 来清民.手把手教你学CAN总线.北京航空航天大学出版社4 谢昊飞.网络控制技术.机械工业出版社5 陈在平.现场总线及工业控制网络技术.电子工业出版社6 周立功.iCAN现场总线原理与应用.北京航空航天大学出版社
