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同济大学2013届毕业生毕业论文(设计) 题目:船用焚烧炉控制装置 研究与设计院(系)别 专 业 电气工程及其自动化 班 级 学 号 姓 名 赵 强 指导教师 韩耀振 二一三年六月摘 要 随着电子技术和微型处理器功能的不断提高,计算机网络技术得到迅猛的发展,而应用于船上的测控自动化系统,仍然采用集中式控制方式,一旦控制点增加,设备之间以及系统与外界之间的信息传输效率势必降低。以CAN为代表的现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运而生的。将CAN总线技术应用到控制系统中,分布式控制方式可以弥补集中式控制方式的不足,更好的发挥控制系统的性能。本文在对CAN总线在焚烧炉控制方面的应用进行了深入分析和研究的基础上,开发了一种新型的船用焚烧炉控制装置。主要研究成果如下: 根据目前船用焚烧炉所要达到的功能要求,改进了传统船用焚烧炉控制系统的总体结构。该控制系统采用分布式控制方式,CAN总线作为纽带,实现MCU主站与A/D子站、D/A子站、I/O子站之间的数据传递,并对各子站进行测控。因此,在系统需要优化或者某个站出现故障的时候,只需要对主站进行升级或者更换该故障站就可以了。这样,不仅提高了系统工作效率,而且使维护变得更加便利。 基于CAN总线的船用焚烧炉在生产过程中,不仅要完成固体垃圾和液体垃圾的焚烧,而且还要实现主站和各个子站之间的通信。因此,在硬件方面,本文采用单片机作为控制核心,构建模块化平台,包括控制模块、通信模块、采样模块和保护电路,并完成了各个模块的硬件设计;在软件方面,本文设计了固体垃圾燃烧程序、液体垃圾燃烧程序、以及通信程序等,完成了控制装置对整个船用焚烧炉的实时监测和控制。 完成了基于CAN总线的船用焚烧炉控制装置的硬件设计和软件设计,采用了优化的控制策略,成功的将该系统应用到船用焚烧炉实际工作中,取得了良好的控制效果,基本满足了用户所规定的技术指标要求。关键词:船用焚烧炉,CAN总线,单片机Abstract As the continuous improvement of electronic technology and microprocessorfunctions,computer network system has been rapid development,but the marine and control automation still use centralized contr01 method,Once monitoring systems the control point increase,it is difficult to complete the exchange of information between devices,as well as between the system and the external systemsField bus is driven by real demand,CAN bus technology is applied to the control system, distributed control method can compensate for lack of centralized control mode,which makes control system performance betterIn this thesis,on the base of analysis and research with CAN bus which suits the application of marine IncineratorsA new “kind of marine Incinerator based on CAN bus control system will be developedMain research achievement is as bellows: According to the performance which current marine incinerator must reach,the architectural structure of the marine incinerator is developedThe control system uses distributed control to achieve data transmission between the main station and substations by CAN bus,control each substationWhen the system needs to optimize or a station fails,only upgrade the main station or replace the fault station In this way,it not only improves the efficiency of the system,but also make maintenance more convenient When the marine incinerator based on CAN bus works,it is not only to complete the incineration of the solid waste and liquid waste,but also to achieve the communication of the main station and various substationsThe hardware system of control system with MCU as the core is realizedThe design of system platform include control module,communication module,sampling module and the protection circuit have been finishedWith the software,it has a solid waste combustion process, liquid waste combustion process,communications procedures and S0 on,which has completed that a control device could real-time monitor and control the entire marine incinerator In this thesis,in addition to achieve the basic control requirements of marineincinerator,fuzzy control algorithm which is simulated replaced original PID control algorithm for optimizing the systemSimulation results confirm the stability,precision of control,anti-jamming capability have been improved remarkablyThe hardware design and software design of marine Incinerator based on CAN Bus have been finishedUsed an optimized control strategy ,the system applied to the practical work of marine incinerator successfully,and achieved good control effectIt has met the basic technical request of the usersKey Words:Marine incinerators,CAN bus,MCU 第1章 前言 1.1引言 船舶废料主要包括有生活废料、运行废料两大类。由于船舶营运流动性大,周期长,靠岸时间短的现状存在,导致大量废料难以处理的问题出现。如果这些废物处理不当,或者将其投入海中,不仅对海水水质造成污染,而且对海洋中的动植物也产生危害。随着人们环保意识的增强,如何在航行过程处理废料但尽量减轻对生态破坏问题越来越引起各个国家的重视,因此世界上各个国家对水运航行中的船舶处理废料都是有严格规定的。我国的“防止船舶废料污染规定”中明确规定严禁将船舶废料处理入海。国际海事组织规定凡是大、中型船舶必须具备船舶废料处理设备船用焚烧炉,它既可处理固态废料,也可以处理污水油混合物和油泥等液态废料。船用焚烧炉的问世不仅攻克了船上废料的处理难题,而且降低了船舶航行的成本,因为船上的生活用热还可以通过废料处理过程中所产生的热量来补充。所以说开发升级船用焚烧炉正当时。在我国,许多航运公司为了节省成本开支,仍然沿用上世纪七、八十年代国外进口的运输船舶,该类船舶虽然具备船用焚烧炉,但由于使用时间较长,自动化程度较低等一系列问题存在,这些船用焚烧炉控制系统已经不能达到目前国家规定的对船用焚烧炉性能的要求。因此,对传统的控制系统进行优化或更新换代势在必行。 现代科学技术的蓬勃发展给传统的焚烧过程控制技术带来了动力,本文应用现场总线技术和微处理器技术构建起来的船用焚烧炉控制系统对原有的控制设备进行改造,不仅在使焚烧炉工作效率得到提高,而且节省了资金投入,所以受到航运界的广泛欢迎。 1.2国内外研究现状 (1)船用焚烧炉方面: 船舶废料的处理方式大多采用的是热焚法将废料中的有机物质和空中 的氧气在高温下氧化。这种方法能使船上固态废料快速变成灰渣,使废物的重量和体积大大减小。它的不利之处在于需要消耗大量附加燃料,并且增填了发生火灾的安全隐患。 作为热焚法的主要设备是焚烧炉,目前已经有几十种国外研制的产品投入使用或即将投入使用,大致可以概括为五种类型:处理废油和固态废料的焚烧炉;处理废油和污泥污水的焚烧炉;处理废油、污泥污水和固态废料的综合焚烧炉;既能处理废料又能回收焚烧热量的焚烧炉,称锅炉联合设备;兼具有惰性气体发生器功能的焚烧炉。在这五种类型的焚烧炉中,前三种使用广、技术成熟、型式多样:而第四种型式不多、使用面狭窄,但是它的未来前景光明;第五种属于试验成功不久,尚未量产的新成果。 目前国内生产船用焚烧炉的技术还不成熟。我国从1978年开始研制船用焚烧炉,到目前为止,虽然已经研制成功几种常用规格的船用焚烧炉,但是在规格、种类、技术水平和产品功能上与国际领先水平仍有一定的差距,还不能完全达到我国船舶防污染的标准。虽然发达国家和海洋运输业发达国家的船用废料焚烧设备技术比较成熟、稳定、自动化程度高,但要想照搬国外焚烧技术非常困难,况且进口他国设备投资过大,每套需花费上十万美元之巨。因此,这种设备能否顺利国产化才是真正解决上述问题的关键。据资料分析,随着我国“防止船舶废料污染规定”地深入实施,国内船东用户对该设备的需求量将达到每年1000套以上。国产化的产品可完全可以替代进口产品,并提升我国船用废料焚烧装置的技术水平。该项目普及以后,将会取得可观的社会效益、环境效益以及经济效益,具有光明的市场前景与持续的发展势头。 (2)CAN总线方面: CAN中文全称控制器局域网,英文全称Controller Area Network,CAN总线是目前国际国内应用非常广泛的现场总线之一。CAN总线是一种能有效支持实时控制和分布控制的,全数字式现场控制设备互连串行通讯总线。和其他现场总线相比较,CAN总线在通信过程中具有突出的稳定性、准确性和实时性。其主要特点包括:采用短帧结构,位速率高,抗干扰强;以多主方式工作,通信方式灵活;网络上的节点采集信息时,可以分为多优先级,减少出现网络瘫痪的频率;信号传输距离达到10千米时,CAN总线上的数据传输速率仍可达到50Kbps;通讯的硬件接口简易,通信线路简单。CAN总线技术问世以来,首先被应用到汽车领域中的控制器通信,满足车在各电子控制设备之间的信息交换,并组成汽车电子控制网络对整车电子设备实施监控。比如变速箱的控制器、测量仪表仪器、发动机控制系统等都存在CAN控制设备。德国奔驰公司将CAN技术使用到高级客车上。首先,利用电子控制器通过CAN对发动机进行控制,然后,利用控制器接受驾驶员的操作信号。这样,两套独立的CAN总线系统就成立了。奔驰公司的成功带动了其他汽车公司的学习,也在它们生产的汽车上构建两套CAN总线系统。目前,除了Volvo、BMW、Volkswagen以外,Fiat和Renault也纷纷把CAN总线技术应用到它们的汽车上。 CAN总线技术在汽车领域起步不久,就被广泛的应用到其他领域。在国际上,荷兰的Kone公司在电梯行业使用CAN总线;瑞士工程办公室Kvaser在纺织机械厂采用CAN总线,并由他们独创自己机器的通信协议。荷兰Philips公司使用CAN为X光机组建内部网络,德国Siemens公司将CAN总线融合到CT断层扫描仪中,它们对医疗器械进行了大的改革,并成为CAN的工业用户。在国内,哈尔滨威帝、济南优耐特公司相继将CAN总线投入到汽车控制系统中,并在北京公交汽车上得到实现,我国在智能楼宇、家用电器以及小区建设中,也逐渐普及CAN总线技术,例如抄表系统、防盗系统、家电控制掣。 随着CAN总线技术的不断发展,其应用的领域不断扩大,主要覆盖传感器技术、大型仪器装置、工业现场控制系统和数据采集系统等。现在,例如Inter、NEC、Silioni、Honeywell等上百家国际知名大企业都支持CAN协议。CAN总线技术的研究开发还在不断前行中,应用范围势必不断拓宽,未来前景不可估量。 1.3课题的研究意义及来源 随着人们海上环境保护意识的增强,船舶焚烧炉的重要性可想而知。国际国内各港口都加强了船舶防污染设备的检查力度,船舶防污染设备在例行检查中为必不可少的项目。但是有部分船舶在靠港前,通过焚烧炉燃烧含油破布当成燃烧污油的方式在油类记录册上造假。传统的焚烧炉不能记录燃烧的全过程,使检查人员无法对该设备的实际使用情况做出准确判断。因此,规定要求这类不合格或者需要被淘汰的焚烧炉控制系统必须更换。 本文研究的来源是某企业生产的基于PLC船用焚烧炉。上世纪九十年代,该厂从挪威GOLAR METAL公司引进生产技术,采用当时高端的PLC控制器和先进的工艺完成了船用焚烧炉的研制。该设备具有体积小、安装方便、操作简单、安全稳定、焚烧效果好等优点,且该焚烧炉经型式试验验证,得到中国、德国、美国、挪威及劳氏等船级社认可。经过近20年的使用,以前的控制器已经达不到目前的控制要求,尤其是其备件很难订购,那么控制器的更新换代势在必行。如果引进他国技术和选用更加高档次的PLC,投入成本较大,并且焚烧炉所处环境恶劣,容易出现故障,所以设计稳定性强、抗干扰能力强、性价比更高的控制器是非常有必要的。 1.4本文主要研究内容 本课题研究的目的是设计一套基于CAN总线通信方式,以单片机作为控制核心的,分布式船用焚烧炉控制系统。该基于CAN总线的船用焚烧炉控制系统与传统的船用焚烧炉控制系统的区别以及主要研究内容如下: 1)采用分布式控制方式取代传统的集中式控制方式,传统的集中式控制方式在控制点增加或者要求提高系统性能的情况下,就得更换整个控制器,重新布线,存在成本提高,工作繁琐,维护不方便的问题;本文中,改进的分布式控制方式要求:主站与各个控制子站分开,由MCU主站对A/D子站、D/A子站以及I/O子站进行实时测控,并构成主从式结构。当系统需要升级优化的时候,对主站控制器进行替换或者增加控制子站就能完成系统更新,并且在遇到某个站出现故障的问题只需要对该站采取必要的维修就可以达到目的,避免了对整个系统进行大的检修。这样不仅提高了工作效率,节约了成本,而且为以后的升级和维护提供了便利。 2)选用自主研发的单片机控制器替换价格昂贵的可编程控制器PLC。尽管PLC有抗干扰能力强、稳定性高、运算速度快、平均无故障长等一系列优点,而且能够达到船用焚烧炉的控制要求。但是PLC的价格却特别昂贵,以工业常用的西门子PLC为例,较低端型号S7-200的PLC少则上千多则上万,就更不用说用在控制主站的高级别PLC了,一套控制系统的硬件加正版软件的成本就达上数万之多,实在是成本太高。采用单片机为核心的控制系统不仅能达到PLC的性能要求,满足船用焚烧炉的控制需要,而且成本降低了很多。 第2章 基于CAN总线的船用焚烧炉控制系统结构 2.1船舶废料焚烧概述2.1.1焚烧原理 焚烧是一种通过燃烧废料的高温热力技术。燃烧是一种强烈的氧化作用,常伴有光和热的现象,也常伴有火焰现象,会致使周围温度的急剧升高。待燃烧处理的物质中包括三种主要成分:氧化物质、可燃物质以及不可燃的惰性物质。氧化物是燃烧过程中必不可缺少的物质,最普遍的氧化物是含有20氧气的空气,氧化物中空气含量以及与可燃物质的混合程度对废料的燃烧的效率影响很大;可燃物质是含有碳、氢氢以及碳氢等高能量化学键的有机物质,这些化学键经过氧化后,会释放出大量热能;不可燃的惰性物质问接地参与燃烧过程中的主要氧化反应,影响废料的温度和污染物的产生。在任何燃烧或焚烧过程中,这三种主要成分相互影响,所以必须谨慎地控制三者的比例,才能达到燃烧或焚烧的最终效果。2.1.2焚烧过程 根据船舶废料成分复杂这一燃烧特性,可以把燃烧过程分为以下四个阶段: 1)脱水干燥:首先进行辅助燃烧,废料中的水分受热而蒸发,当水分温度达到100时,基本蒸发完毕。固体废料在差热分析曲线上的60到90这个范围上有一个较浅的吸热峰。 2)燃烧:船舶废料中的物质大多是含有C、H元素的有机物,C、H存在的形式并不复杂,其化学键强度相近,破坏键所需温度比较接近,一般在250时,挥发性物质挥发并与氧气混合。当达到着火温度时,开始燃烧,在火焰温度的影响下固体物质开始进行热分解,并释放大量挥发性物质,同时燃料质量急剧减少,在差热分析曲线上出现失重峰值。 3)过渡:当热分解速度降低的时候,挥发性物质能够持续维持火焰的燃烧。废料中尚未挥发的部分,由于高温而炭化,氧气逐渐侵透至炭粒表面,导致炭粒着火,出现两种燃烧状态并存的现象。挥发物质燃烧分解结束后,火焰熄灭。4)碳燃烧:当废料中的木质素全炭化以后,氧气旦接触到炭粒表面,固体炭粒立刻开始快速燃烧,在差热分析曲线上出现碳化燃烧反应峰,反应速度迅速减小,直至火焰熄灭。2.1.3焚烧效果检测 在实际焚烧过程中,由于种种原因无法达到理想的焚烧效果,致使废料燃烧不彻底。不完全燃烧的程度直接反映了燃烧效果的优劣,评价焚烧效果优劣的方法主要包括目测法、监视分析法以及一氧化碳法。 1)目测法:通过肉眼直接观察废料燃烧产生的烟气的“黑度”来断定焚烧的效果,烟气颜色越黑,焚烧效果越差。 2)监视分析法:利用现场仪表仪器测量废料焚烧炉炉温、压力、燃油耗量、蒸汽参数,由此推断出废料焚烧工况的稳定与否,进而判定焚烧效果的优劣。3)一氧化碳法:一氧化碳是废料焚烧所产生的烟气中所含不完全燃烧的产物之一,烟气中一氧化碳的含量显示了焚烧效果的优劣。烟气中一氧化碳的含量越低,表明废料焚烧进行得越彻底,废料焚烧的效果就越好;反之,焚烧就进行得越不完全,效果就越差。 本船用焚烧炉采用目测法和监视分析法。燃烧室外壁上装有透明的强化玻璃,操作人员可以通过目测法对燃烧效果进行监视;温度传感器、压力传感器、计量泵以及火焰探测器负责采集焚烧炉炉温、压力、燃油耗量和蒸汽参数,为监视分析法提供数据,后面章节将详细介绍的这种燃烧效果监测方法。2.2船用焚烧炉系统的介绍2.2.1船用焚烧炉系统的构成 本课题所研究的船用焚烧炉主要应用于船上固态生活废弃物和液态污油污泥的焚烧,该焚烧炉主要有以下四个部分组成:带柴油燃烧器、污泥燃烧器、燃油加热器和电控装置的燃烧室;带循环泵和加热器的污泥柜;烟气风机;烟气风门。这四个部分的概述如下: 1)燃烧室:用来燃烧固体废料和液体废料的装置。它由燃烧器、控制器、二次风门、燃油喷嘴、垃圾门和出灰门组成。燃烧器刚启动点燃时,火焰先螺旋向下,然后在燃烧室中央不断旋转上升。废科被燃烧火焰点燃,烟气从燃烧室流向顶部的出口,烟气出口的古氧量增加烟气中残留物质颗粒被充分燃烧以保证安牟。当烟气离开燃烧宣时从壁板底部吸入的冷却空气与之混合,使之在被烟气风机抽出,由烟囱排出前温度降至340度。 这个过程中,通过热敏电阻测量膛内的温度,温度山控制系统自动控制调节,同时挣制加料门旁边的二次风门开闭调来节气体流量,调整膛内负压。垃圾门和出灰门在装烧炉工作期问以及在室内温度冷却到设定温度前,控制系统始终保持这两个门闭合状态。 2)污泥柜:具有作为焚烧炉污油泥存放和输送的功能。它包括温度控制器、循环泵、排放阀。温度控制嚣用来控制加热器,确保污油泥温度的在设定范围内(60一90度)。两个排放阀装于污泥柜上用来检测污泥柜中污油的液面商度。位置在下面的一个阀门负责泻放污油泥中多余的水。污油柜使用时,启动输送泵,将污泥油输送到污油泥柜中,循环泵将一部分污油泥输送到焚烧炉中,另一部分通过回流管返回到柜中,确保污油泥和水充分混合。输送泵和高液面“high level”开关相连。当污油泥液位达到高液位开关时输送泵自动停止,当液面达到设定的最低液碰时,污泥柜上的低液面开关将关闭循环泵,当温度达到设置最低点时,进行自动加热。 3)烟气风机:用于抽送燃烧室的烟气,产生炉膛负压,同时通过燃烧室的冷却夹层吸入外界气体。燃烧室中产生的高温烟气与冷却央层产生的气体混合,将排出的气体温度降到340度。4)烟气风门:受控制器控制,自动调节烟气管中的烟气流量,客户可以直接从显示屏上读取炉膛负压,调节压力到设定点。焚烧炉的系统机构如图2.1所示图2.1 焚烧炉的系统组成2.2.2船用焚烧炉系统的工作原理 自动污油泥控制是专门用于控制污油燃烧,以达到焚烧最大污油量和消耗最少柴油量的目的,并且保持燃烧室的温度在850度以上。对污油的燃烧程序来说,污油的“质量是一个重要的因素。当处理含水量较高的污油时,燃烧这种污油就会相应增加柴油的消耗量。 下面以焚烧炉控制焚烧污油泥为例,说明其运行的工作原理: 1启动程序 1)闭合电源开关,系统得电,通过控制面板启动污油泥燃烧程序。015秒,烟气风机和燃烧器风机运行,进行膛内预扫风;1535秒,点火变压器通电打火,35秒时点火变压器断电,停止点火。 2)25秒时柴油总电磁阀Y1和一级燃烧电磁阀Y2打开,开启柴油喷嘴l,光敏电阻将火焰信号发送到控制器,控制器实现一级燃烧。 3)风门开启,电磁阀Y3通电,开启柴油喷嘴2,二级风门关闭,这时风门开启达到最大位置,66秒时实现二级燃烧。 4)开启污油泥循环泵和污油泥计量阀,污油泥电磁阀Y4得电,污油泥正常燃烧。 5)当温度小于640度,关闭污油泥计量阀,保持二级燃烧电磁阀通电,实现二级污油泥燃烧;当温度大于或等于650度,保持污油泥计量阀开启,二级燃烧电磁阀Y3失电,实现一级污油泥燃烧;当温度大于850度,一级燃烧电磁阀Y2失电,实现污油泥单独燃烧。 2停止程序 1)当一级燃烧电磁阀Y2、二级燃烧电磁阀Y3关闭时、关闭污油泥循环泵和污油泥燃烧,一级、二级以及污油泥燃烧结束。 2)当控制风机电动机的继电器复位时,由于有门控接触器自保,风机电动机和燃烧器电动机仍然运转,实现炉内冷却,待程序设定通电延时若干小时后,动断触点断开,风机电动机和燃烧器电动机停止转动。2.3船用焚烧炉控制系统方案设计 目前,据国内外研究开发的船用焚烧炉控制器系统主要采用集中式和分布式两种控制方式。传统的船用焚烧炉控制器系统主要采用集中式控制方式。这种方式是将所有输入输出模块连接到中央控制器进行数据交流与信息管理,并由中央控制器完成所有的信号处理以及采取相应的控制策略,而所有的模块不可以直接进行数据交流,需要通过中央控制器来实现。那么,中央控制器在整个系统中就起到了至关重要的地位,如果单个节点发生故障,将会致使整个网络的通信中断,而中央控制器的失败将会造成整个系统的瘫痪。特别是在系统需要升级或者增加测控节点的时候,就得更换整个控制器,重新布线,工作繁琐,维护不方便。尽管采取多种改进措施后,可提高中央控制器和系统的可靠性,但其成本投入太大,经济上的劣势仍非常突出。所以集中式控制方式对于系统的可靠性和经济性相对较低。船用焚烧炉集中控制结构具体如图2.2所示: 图2.2 船用焚烧炉集中控制结构图 本文设计的分布式船用焚烧炉控制器系统的网络结构主要为星形拓扑,即网络中的每个节点通过点对点的方式连接一个中央设备,每个节点将数据发送到设备,再由中央设备将数据回馈到目标节点。由于使用了星型拓扑结构,每个节点都有单独的通信通道;便于加入新节点,所以添加子站控制点更加容易;不需要总线访问机制,简化通信协议。 在这个设计中,分布式控制方式将本系统任务模块化,每个模块都有单独的单片机进行控制,提高了整个系统工作的稳定性,而且利于以后子站的扩展和各站的维护。船用焚烧炉主控制器是主站,它通过现场总线和多个下位控制子站进行数据交流。在通信过程中每个控制子站以中断的方式或定时的方式和控制主站进行数据交流。同时,每个子站能够独立处理信息,这样能够节约主站控制器的资源,提高系统的工作效率。其结构如图2.3所示。图2.3 船舶焚烧炉分布控制结构图24基于CAN总线船用焚烧炉控制系统方案设计 CAN总线是一种串行通信的现场总线,能够有效支持分布式控制。一个简单的CAN总线只需要两个CAN节点和通信媒体就能完成,通信媒体起到了连接两个CAN节点之间信息传递桥梁的作用。 从CAN总线在控制系统上的应用来看,CAN总线系统主要由上位机,微控制器和CAN适配卡组成。CAN适配卡是实现上位机与CAN总线通信的连接接口,带CAN适配卡的上位机系统和微控制器系统在CAN总线网络中分别相当于一个网络节点。上位机节点和微控制器节点以总线为媒介传递的信息,既可以进行单向通信又可以进行双向通信。2.4.1基于CAN总线船用焚烧炉控制系统的结构 在一般的CAN总线系统中,没有刻意区分主节点和从节点,但是考虑本文设计的系统的稳定性以及实际应用的可行性,还是将上位机系统作为主节点,微控制器系统作为分节点。主节点负责监控多个分节点,接受并处理从节点采集的信息,然后向从节点发送控制信息:分节点完成主节点的控制命令,同时向主节点传送监测信息,分节点与分节点之间的交流通过主节点的调度来完成。 在本文所设计CAN总线系统中,使用单主从结构更适合。单片机主站作为主节点,A/D子站、D/A子站、以及I/O子站作为分节点,每个分节点中含有单片机作为微控制器。主站和各分站之问采用CAN总线分布式的控制方式,进行现场数据采集和控制信号传递,而上位机和单片机主站之间则利用串行总线进行实时通讯连接。子站利用现场仪表检测各物理参数(温度、压力、燃油耗量、时问等)并传送到单片机主站,由单片机主站对采集到的数据进行分析和运算,然后对目标子站给出指令,同时子站的运行状况通过上位机的触摸屏显示,工作人员根据触摸屏上的当前信息,实现人机界面操作站功能。CAN总线系统如图2.4所示:图2.4 CAN总线系统的结构2.4.2基于CAN总线船用焚烧炉控制系统的通信方式 CAN总线系统针对节点种类的不同和各种类数量的多少,可以通过两种通信方式来完成信息的传输,它包括多主式结构和单主从式结构。 多主从式结构:CAN网络上任意两点之间可以在任意时刻进行信息交流,不分主从节点,不用占地址节点信息,通信方式多样。 单主从式结构:CAN网络上每个节点的功能是有区别的,任意两点不能进行自由平等的信息交流。各个从节点之间的通信必须通过主节点的调节器来规划。CAN总线通信方式有以下特点: 1)CAN可以点对点连线,点对多连线以及广播方式传输数据。 2)CAN网络上的节点根据不同的实时要求可分为不同的优先级。 3)CAN采取非破坏总线仲裁技术,当多个节点同时向CAN总线传输数据 的时候,优先级高的占用CAN总线,级别较低的退出传输,这样就减少了总线冲突仲裁时间,减轻了网络的负担。 4)CAN不但能够单主通信方式工作,而且还能多主通信方式工作,网络上的任意一个节点都可以不分主从的向其他的节点传送信息,通信方式多样。 5)CAN通信距离长,通信距离最大可达到距离10km;通信速率高,最高通信速率可达到1Mbs。 本设计中的CAN总线系统采用主从式通信方式工作,网络上的节点包括一个主节点和三个分节点,区别于多主式结构的网络那样可以进行任意两点间的自由通信。本系统的通信方式中,整个CAN网络的通信活动要依靠单片机主站中的调度器来调节,子站和子站之间不能进行直接通信。2.4.3 CAN总线船用焚烧炉控制系统的通信协议 数据的传输由4个不同的帧类型所表示和控制: 数据帧:数据帧负责将数据从发送器传送到接收器。 远程帧:当CAN总线单元需要发出远程帧的时候,请求发送具有同样识别符的数据帧。 过载帧:过载帧用以在已发送的和将要发送的数据帧(或远程帧)之间增加一段额外的延时。 错误帧:任何单元检测到总线错误就发出错误帧。 在CAN2.0B的版本协议中有标准帧、扩展帧两种不同的帧格式,它们的不同之处为标识符域的长度不同,标准帧含有“位标识符,而扩展帧含有29位标识符。 CAN标准帧含有11个字节,包括信息与数据两部分。前3个字节为信息部分,后8个字节为数据部分。其中字节l为帧信息,第1位到第3位表示数据帧时数据的长度,第6位表示帧的类型,第7位表示帧格式:字节2、字节3中含有11位有效报文识别码;字节4到字节11为数据帧的实际数据。它按照IDl0到ID00的顺序发送。标准帧如下表2.1所示。表2.1 CAN2.0 标准帧7654321字节1PFRTRXX数据长度字节2(报文识别码)ID.10ID.3字节3ID.02ID.00RTR帧数据部分字节4字节5字节6字节7字节8字节9字节10字节11CAN扩展帧含有13个字节,包括信息与数据两部分。前5个字节为信息部分,后8个字节为数据部分。其中字节l为帧信息,第1位到第3位表示数据帧时数据的长度,第6位表示帧的类型,第7位表示帧格式;字节2到字节5中含有29位有效报文识别码;字节6到字节13为数据帧的实际数据。它按照ID28到ID00的顺序发送。扩展帧如下表2.2所示:表2.2 CAN2.0扩展帧7654321字节1PFRTRXX数据长度字节2(报文识别码)ID.28ID.21字节3ID.20ID.13字节4ID.12ID.05字节5ID.04ID.00XXX帧数据部分字节6字节7字节8字节9字节10字节11字节12字节13本文中的CAN总线系统要求,不但能实现主站与目标子站之间点对点的通信,而且还能够完成主站对所有子站的区域广播,因此通信协议采用扩展帧的帧格式。这样不仅丰富了通信手段,增加了滤波器的功能,而且为网络优先级的划分提供了条件。 根据本系统实际通信的需要,设定扩展帧29位有效报文识别码格式如下: 1)ID28ID21位存放接受信息或者发送信息的目标节点地址,当数据发送采用广播形式的时候,该8位全部设置为1。 2)ID20IDl3位存放发送信息或者发送信息的本节点地址。3)IDl2IDl0位存放控制命令。 4)ID09ID05位存放该数据包共含有的帧总数。 5)ID04ID01位存放当前发送或接受到的第几帧数。 本系统的扩展帧格式如下表2.3所示:表2.3 本系扩展帧帧标识符ID28ID27ID26ID25ID24ID23ID22ID21Dest MacID(目标节点地址)ID20ID19ID18ID17ID16ID15ID14ID13Src MacID(本节点地址)ID12ID11ID10ID9ID8ID7ID6ID5命令帧总数ID4ID3ID2ID1ID0当前第几帧帧数据分布Byte0Byte1Byte2Byte3Byte4Byte5Byte6Byte72.5本章小结 本章首先介绍和分析了本系统的控制对象船用焚烧炉的基本结构组成以及工作原理。针对船用焚烧炉的性能要求,概括了基于CAN总线的分布式船用焚烧炉控制系统的总体设计方案。在设计方案中,比较详细地叙述了基于CAN总线的控制系统的结构,通信方式以及通信协议。第3章 船用焚烧炉控制系统硬件设计 在上一章中,对于船用焚烧炉控制系统,提出了分布式设计方案。即整个系统由一个主站模块和若干子站模块组成,而且每个模块都用一个单片机进行管理,通过CAN总线进行信息交换。本章将在整体设计方案的基础上,对主站电路、子站电路以及通信电路进行研究和设计。3.1主站硬件设计 该系统中的主站模块由控制部分、通信部分、外部存储以及时钟部分构成。主站实现的功能主要有:通过CAN总线采集各个子站控制器传送的温度、压力、燃油耗量、时间等参数数据并进行适当处理,同时主站上的LED实时显示各通道的传输状态,然后传送给上位机,由上位机显示屏可视化各站的运行状况。当出现异常情况的时候,主站控制器驱动蜂鸣器,上位机报警,主控制器将故障数据及时保存至外部存储器以供操作人员随时查阅故障记录。主站结构框图如图3.1所示:。图3.1 主站结构图3.1.1主站控制部分设计 1)主控制芯片的选择 因为船用焚烧炉工作的环境比较恶劣,要求控制器主控制芯片的稳定性较强、处理信息的速度较快,并且价格较便宜,所以选用ATMEL(爱特梅尔)公司生产的AT89S52型号的单片机作为主控制芯片。 AT89S52是一种低电压、低功耗、高性能的8位微型控制器,在指令系统和工艺方面都与型号80C51单片机完全兼容。它含有8K字节可编程Flash存储器,该片内Flash采用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,允许系统和常规编程器对程序存储器进行编程。因此,AT89S52单片机广泛应用于嵌入式系统和工业控制系统中。 AT89S52单片机具有以下标准配置:8k字节片内Flash、256字节RAM、32根I/O线、全双工串行通信口、3个16位定时器/计数器、看门狗电路、片内晶振及时钟电路。除此之外,当AT89S52工作频率降至0Hz时,可以运用静态逻辑继续工作,并且支持2种节电模式。空闲模式下,CPU停止工作,RAM、定时器/计数器、中断、串口仍然工作。掉电保护模式下,信息保存在RAM中,振荡器和单片机停止工作,直到硬件复位或下一个中断到来为止。其结构如图3.2所示图3.2 AT89S52结构图2)并行I/O口扩展电路尽管AT89S52单片机具有P0P3四组并行I/O端口,但是在该系统中,PO和P2口被片外存储器占用,P3口作为第二功能使用,仅仅剩下的Pl口无法满足系统的要求,因此必须扩展并行I/O口。 并行I/O口扩展电路采用Intel公司生产的8155芯片作为扩展核心,该芯片具有2568位静态RAM存储器,1个6位和2个8位可编程并行I/O口以及1个14位可编程定时器/计数器。8155是单片机I/O口扩展电路中应用最多的芯片之一。8155的结构如图3.3所示:图3.3 8155结构图8155可以直接与AT89S52单片机相连接,以扩展22位并行I/O口,片外RAM以及14位定时器/计数器,8155和AT89S52具体连接如图3.4所示:图3.4 AT89S52和8155接口电路3.1.2主站存储部分设计 根据船用焚烧炉控制系统的要求,系统需要对子站运行状况,上位机指令、故障信号等数据进行实时记录。主控制核心AT89S52单片机只有8k字节Flash和256字节RAM的存储量,不仅仅在进行大量的数字信息处理和控制算法时显得太小,而且在调试程序时也不方便,所以需要外扩两片8KB的RAM与8KB的ROM。这样就解决了内部存储器不够用的问题。 RAM采用Intel公司生产的6264芯片,具有功耗低、读写速度快、外围电路少等优点。它是采用CMOS工艺制造,容量为8KB,28引脚双列直插式,静态RAM芯片。工作电压为5V,工作电流为200mA,读取速度为200nS。Intel6264的操作方式由,CS2四个引脚的电平变化共同作用决定: 1)读出:和为低电平,同时和CS2为高电平时,数据输出缓冲器打开,被选中部分的数据通过数据线DOD7输出。 2)写入:当和为低电平,同时和CS2为高电平时,数据输入缓冲器选通,数据由数据线DOD7输入被选中的存储部分。 3)保持:当为高电平,芯片未被选中,处于待命状态,数据线呈现高阻状态。 ROM选用Microelectronics公司生产的2764芯片,该芯片是紫外线擦除, 电可编程的EPROM。它的主要特点是能够在应用系统中进行在线编程,并能在断电的情况下保存数据,而不需要保护电源。兼有数据存储器与程序存储器的功能。它具有8KB存储容量,采用CMOS工艺制造,工作电压为5V,编程电压为125V,工作电流为200mA,读取速度为150nS。 2764在工作模式下,由,Vpp四个引脚的电平变化共同作用决定: 1)写入:当为低电平,为高电平,Vpp为125V时,一旦引脚有低脉冲进入,数据输入缓冲器选通,数据由数据线DOD7输入被选中的存储部分。 2)读出:当和为低电平,同时Vpp为5V时,数据输出缓冲器打开,被选中部分的数据通过数据线DOD7输出。 3)保持:当为高电平,芯片未被选中,处于待命状态,数据线呈现高阻状态。在存储器电路设计中,74LS373起到锁存器的作用。单片机的P0口连接到扩展存储器,起数据传输的作用;P0口连接到地址锁存器,起低8位地址传输的作用。当单片机要进行地址传输的时候,74LS373输出允许端0E接地,表示输出端一直打开,使能LE为高电平,输出Q0Q7状态和输入D1D7状态相同;当单片机要进行数据传输的时候,74LS373输出允许端0E接地,表示输出端一直打开,使能LE为低电平,锁存上次地址,D1D7与扩展存储器开始传输数据。单片机、扩展存储器以及地址锁存器连接如图3.5所示:图3.5 片外存储器和89S52接口电路3.1.3 通信部分设计 在进行短距离的串行通信的时候,标准TTL或者CMOS就可以达到要求,但是要进行较长距离的串行通信,标准TTL或者CMOS的驱动能力就难以胜任了,而且噪声容量小,通信质量不高。为方便对船用焚烧炉系统进行实时监控,需要采用一种可以长距离传输信息,驱动能力较强,噪声容量较大的通信方式。RS-232通信方式能够满足上位机和主站之间通信的需要。 RS-232标准协议是由美国EIA和BELL等公司于1969年公布的通信协议。它的传输速率可以达到20Kbit/s,如今广泛应用于PC机和其他设备之间的近距离连接。由于各大通信设备中都包含有可以和RS-232相兼容的通信设备,因此,它已经被现今微处理器串口通信接口广泛使用。RS-232根据电气特性和逻辑电平之问的关系制定了特别的规定。在数据传输的过程中,逻辑信号表示为“1”时,电压为-3V-15V;逻辑信号表示为“0”时,电压为+3V+15V。而在实际应用中,-3V+3V之间是没有意义的,工作在+5V+15V之间才是有效的。本系统中的RS-232通信采用Maxim公司的MAX232,该芯片是一种双组接收器/驱动器。它的特点是:单5V电源工作,LinBiCMOSTM工艺技术制造,具有两个驱动器及两个接收器,工作电流为8mA,工作电压为30V。MAX232和单片机通信连接如图3.6所示: 图3.6 MAX232和89S52接口电路 MAX232作为接收器/驱动

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