（机械电子工程专业论文）基于can总线的工业控制系统的研究与应用.pdf

摘要 摘要 随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，传统的工业控制领域正经历 着一场前所未有的变革，而工业控制的网络化，更拓展了工业控制领域的发展空 间，带来新的发展机遇。基于嵌入式技术和现场总线技术的兴起和广泛应用，本 文以工业现场和机电设备控制的需求为基础，研究开发基于嵌入式技术的能够完 成多种控制任务和数据通信功能的多用途工业控制器，并以此为独立的智能控制 节点构建一个基于现场总线的工业网络控制系统，以满足多种工业控制的要求。 本文所设计的系统中作为个体的智能控制器可以独立实现控制任务，也可以 通过现场网络进行联机工作，具有个体系统的独立性与网络化的联机性相结合的 特点，对解决各种中小型生产设备的自动化程序控制和系统管理对网络通信和实 时控制的需求具有重要意义。总的来说，本文主要进行以下几个方面的工作： 对工业控制系统的发展状态进行分析，研究了工业控制器和网络化工业 控制的应用背景和发展现状； 分析c a n 总线满足工业控制网络要求的相关技术，提出工业设备网络控 制系统的总体设计，构建系统的基本层次和功能； 在c a n 通信的基础上，分析和定位控制对象，提出工业控制器的设计要 求，选择嵌入式微处理器，进行控制器主控单元及外围电路的软硬件协同设计， 主要包括传感器信号、开关量信号等被控量瞬时值的检测和输入模块，模拟量输 入输出模块，数字量输出模块，电源模块，存储模块以及显示和人机接口模块等； 网络控制系统的应用层通信协议的设计，底层智能控制器节点通信功能 的实现以及p c _ c a n 通信适配卡的设计； 分析工业控制系统在拉链机和铝锭连铸堆剁机组中的应用； 基于c a n 总线的工业控制系统研究的总结与展望 关键词：工业控制器；c a n 网络；通信；控制系统 a b s t r a c t 晰mt h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r ，a sw e l la sc o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o l t e c h n o l o g y ，t h et r a d i t i o n a li n d u s t r i a lc o n t r o lf i e l di sg o i n gt h r o u g ha nu n p r e c e d e n t e d c h a n g e ，a n di n d u s t r i a lc o n t r o l l i n gn e t w o r kw i d e n si n d u s t r i a lc o n t r o lf i e l d ，b r i n g s a b o u tan e wo p p o r t u n i t yf o rd e v e l o p m e n t b a s e do nt h eb o o s t i n go fe m b e d d e d t e c h n o l o g ya n df i e l d b u s ，t om e e tt h er e q u i r e m e n t sf o rc o n t r o li ni n d u s t r i a lf i e l d sa n d e l e c t r o m e c h a n i c a ld e v i c e s ，t h i sd i s s e r t a t i o nd e v e l o paa l l - p u r p o s ec o n t r o l l e rb a s e do n e m b e d d e di n i - c o n t r o l l e r ，w h i c hc a n c o m p l e t e m u l t i - f u n c t i o nc o n t r o la n d c o m m u n i c a t i o n i tc a na l s ob ec o m p o s ean e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do n f i e l d - b u st os a t i f yt h en e e d so fm u l t i - t a s kc o n t r 0 1 i nt h i sp a p e r ，a u t h o rh a sd e s i g n e da n dr e a l i z e dai n t e l l i g e n ta n dm u l t i f u n c t i o n i n d u s t r i a lc o n t r o l l e r ，w h i c hc a nc o m p l e t ec o n t r o lt a s k so fo f f l i n eo p e r a t i o n i n d e p e n d e n t l yi nt h es y s t e m ，a n da l s oc a nw o r ko n l i n et h r o u g hf i e l d b u sn e t w o r k t h es y s t e mh a v eb o t hc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n d e p e n d e n c ea n do n l i n en e t w o r k ，a n d h a v es o m er e a l i s t i cm e a n i n gt om e e tt h en e e do fn e t w o r k sc o m m u n i c a t i o na n dr e a l - t i m ec o n t r o lt oc o m p l e t ea u t o m a t i cc o n t r o lo fm i n i m e d i u ms c a l e dp r o d u c t i o n e q u i p m e n ta n ds y s t e mm a n a g e m e n t i ng e n e r a l ，t h i st h e s i sm a i u l yf o c u s e so nt h e f o l l o w i n gc o n t e n t s t h ea r t i c l ea n a l y s e st h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fi n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m ， a n d s t u d i e st h eb a c k g r o u n do fa c t u a la p p l i c a t i o no fi n d u s t r i a lc o n t r o l l e ra n dn e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e m b a s e do na n a l y z i n gc o r r e s p o n d i n gt e c h n o l o g yo fc a nf i e l d b u sm e e t i n g i n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k ，t h es e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e sac o n t r o ln e t w o r ks y s t e mt o i n d u s t r i a le q u i p m e n t ，c o n s t r u c t si t sb a s i cs t r u c t u r ea n df u n c t i o n s a n a l y z i n ga n dl o c a t e i n gc o n t r o lo b j e c t sb a s eo nc a n f i e l d - b u sc o m m u n i c a t i o n ， t h ef o u r t hc h a p t e rp r o p o s e sd e s i g nr e q u i r e m e n t so fi n d u s t r i a lc o n t r o l l e r m a i nc o n t r o l u n i ta n dp e r i p h e r a lc i r c u i t sa r ed e s i g n e dw i t ht h en e wm o d e l c o o p e r a t i o nw i t h s o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，a n dc h o o s i n gt h ee m b e d d e dh i g h - p e r f o r m a n c em i c r o c o n t r o l l e r t h es y s t e mm a i n l yi n c l u d et h ei n f o r m a t i o ne x a m i n a t i o na n dl o a dm o d u l eo fs e n s o r s i i i 基于c a n 总线的工业控制系统的研究与应用 s i g n a l so rs w i t c hs i g n a l s ，a n a l o gi n p u t o u t p u tm o d u l e ，d i g i t a lo u t p u tc o n t r o lm o d u l e ， m e m o 巧m o d u l e ，d i s p l a ya n d u s e ri n t e r f a c em o d u l ea n ds oo n t h ef i f t hc h a p t e rm a i n l ye x p a t i a t e sd e f i n i t i o no fa p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o lo f t h en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ，r e a l i z a t i o no ft h ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o no fi n t e l l i g e n t c o n t r o l l e rn o d e sa n dd e s i g no fp c c a na d a p t e r si nt h en e t w o r k e dc o m m u n i c a t i o n s y s t e m t h es i x t hc h a p t e rm a i n l yc o n c e r na p p l i c a t i o no fi n d u s t i a lc o n t r o ls y s t e mi ns l i d e f a s t e n e rm a c h i n ea n df u l l a u t o m a t i ca l u m i n i u mi n g o ts t a c k e r - r e c l a i m e r t h es e v e n t hc h a p t e rm a i n l ye x p a t i a t e ss u m m a r ya n do u t l o o ko fi n d u s t i a l e o n t r o ls y s t e mb a s e do nc a nf i e l d - b u s k e y w o r d s ： i n d u s t i a lc o n t r o l l e r ；c a nf i e l d b u sn e t w o r k ； c o m m u n i c a t i o n ； i v 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人( 签名) ： 参勿形孳 弘7 年只le l 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦 门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸 质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关 数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 l 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“ ) 日期：伽7 年占月z 日 日期：力7 年多月7 日 第一章绪论 第一章绪论 随着计算机技术、控制技术和通信技术的发展，传统的工业控制领域正经历 着一场巨大的变革，网络化控制成为工业控制系统发展的方向。控制系统的结构 也从最初的c c s ( 计算机集中控制系统) ，到第二代的d c s ( 分散控制系统) ，发 展到现在流行的f c s ( 现场总线控制系统) 。控制网络对大数据量进行高速率传 输的要求( 图像、语音信号等的传输) ，又产生了多种领域以太网与控制网络的 结合i 。工业控制系统网络化将当今先进的嵌入式技术、多标准工业控制网络互 联技术融合进来，拓展了工业控制领域的发展空间，给工业控制网络系统带来新 的发展机遇。 1 1 课题的研究背景 在制造企业的生产现场，多个设备分布于厂房，其中有许多设备的运行完全 依靠人工控制，生产信息的统计依赖于人工统计，生产效率和生产技术水平都很 低。随着电子技术的飞速发展，许多劳动密集型生产行业开始采用先进的电子信 息技术来装备和改造传统生产设备，采用先进的自动化控制方式替代原有的手工 操作。现场总线技术是为了适应现代工业自动化的发展而出现的。现场总线将网 络通信、网络控制与管理的概念引入工业控制领域，将自动化底层的控制设备与 服务器互连，实现生产过程监控的网络控制。现场总线通信协议简单，易于实现， 在工业现场有着广阔的发展前景。 一个独立的工业生产现场或机电设备包括各种传感器、执行器等装置，为了 实现对这些装置的控制和管理，一般都用专门的工业控制器与它们相连，控制器 对各种输入的信号进行数据处理后，通过输出口对各种执行机构进行控制。数据 信号的处理过程可分为信息的提取和知识的提取两个步骤。信息的提取是工业控 制的基础，主要是用来对现场数据进行采集的过程，现场数据的提取还包括从工 业现场总线网络中交换数据，并在此基础上实现两台以上自动化设备联机工作， 设备之间是通过工业现场总线实现信息指令交流，因此工业控制器必须具备总线 通讯功能。知识的提取是对数据的再加工过程，这要求工业现场的设备控制器具 有一定的智能，随着现代自动化技术的发展，工业现场控制器不仅需要满足传统 基于c a n 总线的工业控制系统的研究与应用 的工业控制功能，还要向灵活性、网络化、智能化的方向发展。 网络化的工业控制系统融合了现场设备的自动化控制和网络控制、网络管理 功能，提高了工业控制的自动化水平，是工业控制领域中的一个重要研究课题。 1 2 课题的国内外研究概况 1 2 1 工业控制系统的发展现状 1 ) 基于p l c 的工业控制系统 可编程控制器( p l c ) 始终处于工业控制自动化领域的中心，为各种各样的 工业控制系统提供可靠的控制方案。同时，p l c 也承受来自其他技术产品的冲击。 目前全世界p l c 生产厂家约2 0 0 家，生产3 0 0 多种产品i 蕊。国内p l c 市场仍以国 外产品为主，如s i e m e n s 、m o d i c o n 、0 m r o n 、三菱、g e 等产品。经过多年发展， 国内p l c 生产厂家也越来越多。 微型化、网络化、p c 化和开放性是p l c 未来发展的主要方向。在基于p l c 控制系统的早期，p l c 体积大价格昂贵；但经过近些年的发展，微型p l c 已经出 现，随着软p l c 监控组态软件的进一步完善和发展，安装有软p l c 组态软件和 p c - - b a s e d 控制的市场份额将逐步得到增长。 2 ) 以工业p c 为基础的工业控制系统 2 0 世纪末，p c - - b a s e d 的工业计算机( 简称工业p c ) 应运而生。它包含两 种类型：i p c 工控机和c o m p a c tp c i 工控机以及它们的变形，如a t 9 6 总线工控 机等。由于基础自动化和过程自动化对工业p c 的运行稳定性、热插拔和冗余配 置要求很高，现有的传统的控制系统，自动化部分基本被p l c 和d c s 所垄断，过 程自动化和管理自动化部分主要是由各种进口的过程计算机或小型机组成，但其 硬件、系统软件和应用软件的价格很高，使众多企业止步。2 0 世纪9 0 年代以来， 由于p c 工业的发展，以工业p c 、i o 装置、监控装置、控制网络组成的p c - - b a s e d 的自动化控制系统得到迅速普及。由于基于p c 的控制器被证明可以像p l c 一样 可靠，并且被操作和维护人员接受，所以，越来越多的制造商正在陆续采用或至 少在部分生产中采用p c 控制方案闭。基于p c 的控制系统易于安装和使用。有高 级的诊断功能，为系统集成商提供了更灵活的选择。 3 ) 面向测控管一体化设计的d c s 控制系统 集散控制系统i x ；s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 问世于7 0 年代，生产厂 家主要集中在美、德、日等国。我国从7 0 年代后期起，首先在大型设备的进口 2 第一章绪论 中成套引入国外的d c s ，当时，我国主要行业的d c s 基本全部进口。8 0 年代初期， 在引进、消化和吸收的同时，开始了d c s 国产化的技术攻关。 近1 5 年来，我国d c s 系统研发和生产发展很快，崛起了一批优秀企业。这 批企业研制生产的d c s 系统，不仅品种数量大幅度增加，而且产品技术达到或接 近国际先进水平，打破了国外d c s 系统在我国垄断的局面。这些专业化企业不仅 占据了一定市场份额，积累了技术，同时使得国外引进的d c s 系统价格也大大降 低。据统计，2 0 0 5 年，我国石化行业有1 0 0 0 多套装置需要应用d c s 控制1 2 l ；d c s 作为监控系统在仪表行业成为市场的主导产品。 4 ) 基于k s 的控制系统【3 l 2 0 世纪8 0 年代中后期，随着控制、计算机、通信、网络、集成电路及智能 传感技术的发展，在工业控制领域逐步形成了一种新兴的以网络集成为基础的控 制技术，即现场总线控制技术f c s ( f i e l d - b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。它是集当今 计算机技术、网络技术和控制技术为一体的当代最先进的计算机控制技术，是一 种全分散、全数字、全开放的控制系统。现场总线控制技术使控制系统的信息交 换和沟通迅速覆盖了从现场设备层到控制、管理的各个层次。f c s 是继电动单元 组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散式控制系统后的新一代控 制系统，将逐渐成为本世纪计算机控制系统的主流。 1 2 2f c s 是工业控制系统发展的趋势i 卅 1 ) d c s 系统的缺陷 传统d c s 系统是非开放性系统，软件、下位机、通讯协议都是专用的，用户 一旦采用，系统的维护时则只能被动的依赖于原厂家，而且d c s 结构复杂且不通 用，一般用户本身难以自行处理。封闭结构的传统d c s 系统由于缺少交流与竞争， 其产品性能价格比较差，例如d c s 分散程度不高，无法做到单回路分散控制， 因此不得不使用大量的冗余设备，导致成本高昂，安装复杂，可靠性也不高。 2 ) f c s 的特点和优越性 f c s 是由d c s 发展而来的，是实现自动化系统最底层的现场控制器和现场智 能仪表设备互联的实时控制通讯网络，遵循i s o ( 国际标准化组织) 的o s i ( 开 放系统互连) 参考模型的全部或部分通讯协议。f c s 对传统d c s 的冲击来自于其 本质优越于d c s 系统的技术特点。现场总线技术不仅是一种通信技术，它更融入 了智能化现场原件、计算机网络和开放系统互连等技术，与d c s 相比，f c s 具有 3 基于c a n 总线的工业控制系统的研究与应用 以下技术特点和优势。 ( 1 ) 可靠性高 现场总线采用分散式控制。现场设备既有检测、变换、工程量控制和补偿功 能，也有运算和控制功能。通过现场总线，将传统d c s 、p l c 等控制系统复杂的 控制任务进行分解，分散于现场设备中，由现场变送器或执行机构构成控制回路， 并实行各部分的控制。同时也简化了系统结构、提高了系统的可靠性、自治性和 灵活性。所以说，彻底分散的控制方法以及先进的数字通讯技术使系统可靠性大 大提高。 ( 2 ) 互换性和互操作性好 由于f c s 采用开放的、唯一的国际标准，来自不同厂家的相同类型的设备可 以互换，而无需专用的驱动程序，彻底改变了传统控制系统控制层的封闭性和专 用性，因而用户可选用任意多家符合现场总线标准的产品集成自己的控制系统， 而不必担心系统的兼容性，也不必为集成不同品牌的产品而增加额外的投资，大 大方便了系统的维修和升级。 ( 3 ) 功能强 f c s 含有大量的诊断信息，用户可以方便的查询所有设备的运行，能够及时 发现潜在的故障并消除隐患，同时系统结构简化，便于维护，这使现场仪表除具 有检测或执行功能外，还具有变换、补偿和控制功能，系统除具有监控操作功能 外，还具有预测性维护、统计等非控制功能。 ( 4 ) 全数字通信 f c s 采用完全的数字信号传输。这种数字化的传输方式使得信号的检错、纠 错机制得以实现，因此它的抗干扰能力比较高，传输准确度也得到显著提高。 ( 5 ) 多分支结构 传统控制系统中设备的连线都是一对一的，而现场总线是多分支结构，其网 络拓扑可分为总线型、星型、树型等多种结构。这种多分支结构不仅大大节约布 线电缆，而且使得布线简单、工程安装周期缩短、维护也很方便。这种结构具有 系统扩展性。如新增设备，只需直接并行挂接即可，无须架设新的电缆，也无须 系统停机。 ( 6 ) 系统的开放性 现场总线标准实现了完全开放，无专利许可要求，面向世界上任何一个制造 4 第一章绪论 商和用户。不同制造商生产的设备可实现完全的信息交换，用户可以按自己的需 要和考虑，自由集成来自不同厂商的产品，也可以与不同层网络互连，标准的统 一开放，打破了个别厂商的垄断，给该技术以强大的支持群体，促进了公平竞争， 促进了技术进步l s l ，因此系统集成的主动权完全掌握在用户而不是供应商或集成 商手里。从以上分析d c s 的弊端和f c s 的优势可以看出，一个全数字化、全分散 式、可互操作、开放式互连网络f c s 是工业自动控制系统的发展趋势。目前，国 际上各种各样的现场总线有几百种之多。 1 3 嵌入式技术在工业控制器中的应用 1 3 1 嵌入式技术 随着电子技术的快速发展，特别是大规模集成电路的产生而出现的微型机， 使现代科学技术得到了质的飞跃，而嵌入式微控制器技术的出现则给现代工业控 制领域带来了一次新的技术革命1 6 l 。由嵌入式微控制器组成的系统，最明显的优 势就是可以把计算机系统嵌入到任何微型或小型仪器、以及工业生产设备中。为 此嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、 适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 它主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备以及用户应用软件等部分组成，用于实 现对设备的控制、监视和管理等功能。嵌入式技术自出现以来，集合了先进的计 算机技术、半导体技术、电子技术，和各个行业的具体应用相结合，这决定了它 必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 嵌入式技术的发展基于嵌入式微处理器的广泛应用。自2 0 世纪7 0 年代单片 机问世以来，电子技术飞速发展，特别是半导体技术的发展，各种系列和型号的 微处理器依次推出，据目前统计，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 几个系列，其中8 0 5 1 体系的占有多半，生产8 0 5 1 单 片机的半导体厂家有2 0 多个。3 5 0 多种衍生产品。嵌入式处理器的功能不断完 善和增强( 寻址空间从6 4 k b 到1 6 m b ，处理速度从0 1 m i p s 到2 0 0 0 m i p s ，常用封 装从8 个引脚到几百个引脚) ，在接口电路设计、软件编程方面也日趋成熟。 1 3 2 嵌入式处理器分类 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，根据目前的应用现状， 嵌入式计算机一般可以分为以下几种。 5 基于c a n 总线的工业控制系统的研究与应用 1 ) 微处理器( e m b e d d e d _ i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m u ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u ，和工业控制计算机相比，嵌 入式微处理器具有体积小、成本低、可靠性高的优点。在应用中，将微处理器及 其存储器、总线、外设等安装在专门设计的电路板上，称为单板计算机。如s t d b u s 、p c i 0 4 等。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能 上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性方面都有 所增强。目前，嵌入式处理器主要有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 一4 0 0 、p o w e rp c 、a r m 系列等。 2 ) 微控制器( m i c r o c o n t r o l i o ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，即将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入 式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，在芯片内部集成了r o m e p r o m 、 r a m 、总线、总线逻辑、定时、计数器、w a t c h d o g 、i o 、串行口、a d ，d a ，f l a s h r a m ， e e p r o m 等各种必要功能和外设。为适应不同地应用，一个系列的单片机一般具 有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，只是存储器和外设配 置和封装不同，这样使单片机最大限度地和应用需求相匹配。 和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，使 功耗和成本下降，可靠性提高，微控制器是目前嵌入式系统工业的主流，它的片 上外设资源丰富，适合于控制，因此称为微控制器。嵌入式微控制器的品种和数 量最多，有代表性的通用系列包括：8 0 5 1 、p 5 1 x a m 、c s - 2 5 1 、c s 一9 6 1 9 6 2 9 6 、 c 1 6 6 1 6 7 、m c 6 8 h c 0 5 11 1 2 1 1 6 等，目前m c u 占嵌入式系统约7 0 的市场份额。 3 ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a is i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法， 具有较高地编译效率和指令执行速度，逐步应用在数字滤波、f f t 、频谱分析等 方面。d s p 的应用使以通用单片机以普通指令实现d s p 功能，过渡到采用嵌入式 d s p 处理器。嵌入式d s p 处理器有两个发展来源，一是d s p 处理器经过单片化、 e m c 改造、增加片上外设成为嵌入式d s p 处理器，二是在通用单片机或s o c 中增 加d s p 协处理器。目前广泛应用的有代表性的d s p 处理器有t e x a si n s t r u m e n t s 的t m s 3 2 0 系列和m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列。 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc hip ，s o c ) 随着e d i 的推广和v l s i 设计的普及，以及半导体工艺的迅速发展，可以实 6 第一章绪论 现一个硅片上构建一个更为复杂的系统，这就是s y s t e mo nc h i p ( s o c ) 。片上 系统s o c 是追求产品系统最大包容的集成器件，它的最大特点是成功实现了软硬 件的无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块1 7 l 。各种通用处理器 内核将作为s o c 设计公司的标准库，和许多其他嵌入式系统外设一样，成为v l s i 设计中种标准的器件。在一个硅片内部运用标准的v h d l 等语言描述各种器件， 存储在器件库中，从而实现一个复杂系统。用户经过仿真后，就可以直接交付厂 商进行生产，这样整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中，应用系 统电路板变得很简介，大大减小了系统功耗、提高了可靠性。 1 3 3 嵌入式处理器在工业控制器中的应用 自可编程序控制器( p l c ) 出现以来，因其具有通用性强、使用方便、适应面 广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单的特点，一直在工业控制领域中占据着 主导地位，是机电设备的主流控制器l 锄。但p l c 也存在着明显的缺点：一是p l c 的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的，绝大多数的p l c 是专用总线、专用通 信网络及协议，编程虽多为梯形图，但各公司的组态、寻址、语文结构不一致， 使各种p l c 互不兼容；二是国内p l c 的市场被西门子、施奈德、三菱等国外大公 司占据，价格相对比较昂贵。对p l c 一般小容量的是几千元，大的甚至是几万元， 这也很大程度上限制了自动化工程师的使用；三是在小型项目中，人们习惯于使 用p l c 控制，但由于小型p l c 基本针对单机控制，网络功能较弱，构建网络难度 较大，为了方便构建控制网络，在本可以由小型p l c 完成的控制功能，不得不使 用网络功能较强的中型p l c ，这使系统成本增加。 嵌入式处理器所构成的系统具有较强的实时性和可靠性，成本低，这些优点 使得嵌入式系统在工业控制中得以广泛应用。目前已经有大量的8 、1 6 、3 2 位嵌 入式微控制器应用在工业过程控制、数控机床、电力系统、电网安全、电网设备 检测、石油化工系统等领域中。基于嵌入式处理器所设计的嵌入式工业控制器， 也逐步出现在工业生产和控制的设备中，并在一些特殊运用中取得优势，相对 p l c 而言，基于嵌入式的工业控制器具有以下特点：运算处理能力强、组网和通 信方便：成本低；针对应用优化设计、用户使用方便。 1 4 本课题的主要研究内容和意义 本文旨在研制一种能够应用于中小规模工业现场和机电设备，能够完成多种 控制任务并具备通信功能的多用途工业控制器，并以此工业控制器为智能控制节 7 基于c a n 总线的工业控制系统的研究与应用 点，组成一个工业设备的现场网络控制系统，以满足多种工业控制的要求。 系统中各智能控制节点可以独立地、各自为阵地实现机电设备的单机控制， 也可以与其他控制节点联网工作，共同完成一个生产现场的自动化控制任务。该 系统对解决各种中小型生产设备的自动化程序控制和系统管理对网络通信和实 时控制的需求具有重要意义。 总的来说，本文主要进行以下几个方面的工作： 对工业控制系统的发展状态进行分析，研究了工业控制器和网络化工业 控制的应用背景和发展现状 分析现场总线c a n 满足工业控制网络要求的相关技术，提出并实践一种 工业设备网络控制系统，构建系统的基本层次和功能 在c a n 通信的基础上，分析和定位控制对象，提出工业控制器的设计要 求，选择嵌入式微处理器，进行控制器主控单元及外围电路的软硬件协同设计， 主要包括传感器信号、开关量信号等被控量瞬时值的检测和输入模块，电源模块， 显示模块，输出控制模块以及人机接口模块等 现场网络通信层功能的实现和它的软硬件设计，以及p c c a n 通信适配 卡的软硬件设计 分析工业控制系统在拉链机和铝锭连铸堆剁机组中的应用； 基于c a n 总线的工业控制系统研究的总结与展望 8 第二章工业设备网络控制系统的总体设计 第二章工业设备网络控制系统的总体设计 2 1 问题的提出和系统实现的功能 在中小型机电设备的控制项目中，人们习惯于使用p l c 控制，但由于小型 p l c 基本针对单机控制，网络功能较弱，构建网络难度较大，为了方便构建控制 网络，在本可以由小型p l c 完成的控制功能，不得不使用网络功能较强的中型 p l c ，这使系统成本增加。其次p l c 价格相对比较昂贵，一般小容量的是几千元， 大的是几万元，这也很大程度上限制了自动化工程师的使用。 在工业生产现场，相关或无关的多种设备分布于厂房，很多设备的运行完全 依靠人工控制，生产信息的统计依赖于人工统计，各种设备的运行和管理相对独 立，相关设备之间不能够通过数据交换达到较高的自动化水平，控制数据不能共 享；也不能通过上位计算机对整个设备系统进行监控和管理，对生产过程中的各 种参数及时有效地进行分析，生产效率和生产技术水平较低。 针对以上问题，我们所研究和设计的工业设备网络控制系统具有以下功能： 1 ) 控制功能 研制一种低成本的通用型工业控制器，具有多路数字信号和模拟信号输入输 出通道，可以实现中小型设备的单机控制任务；同时它也可以通过网络接口与其 他设备联网协同工作。具有个体系统的独立性与网络化的联机性相结合的特点。 2 ) 多机监控功能 在中小型设备的单一化产品生产厂房，生产设备用低成本的通用型工业控制 器来控制，并通过工业控制器的组网功能，将车间的所有专门化设备组成一个网 络化的设备监控系统，通过适配卡连接的上位机p c 对处于网络中的设备进行监 控和管理，提取每台设备的生产过程参数以对设备运行情况进行分析并维护。 3 ) 协同控制功能 在由多种相对独立的中小设备所构成的大中型生产系统或生产线中，各种设 备相距较远并呈分散型布置，各个设备间需相互配合，协调工作，整个控制系统 具有较高的实时性要求。当系统中某一子系统出现故障时，整个控制系统或生产 线必须作出相应的调整。 9 基于c a n 总线的工业控制系统的研究与应用 4 ) 系统技术性能 1 ) 接入系统中的设备节点间通信距离最长可达1 0 k m 2 ) 通信速率：5 k - 1 m b p s ，可根据需要进行设定 3 ) 无中继情况下，系统中可接入设备节点数：最多可达1 1 0 个 4 ) 工业控制器具备通用性，具有较强的单机控制功能。 5 ) 每个单机设备控制节点具有报警、显示和人机接口 6 ) 供电电压：2 2 0 v a c 2 2 系统的组成和实现目标 如图2 1 所示为工业设备网络控制系统总体方案设计示意框图。 本系统在结构上是一个基于工业控制器构成的现场总线控制系统，系统分 为三层结构：上位机管理层、现场总线网络层和智能控制层。 上位机管理层主要对下位机设备运行进行实时监控和数据处理； 现场总线网络层负责整个系统的数据通信，实现设备节点间以及上位机和下 位机节点间的实时控制和数据通信； 智能控制层主要通过安装在设备上的工业控制器实现对设备的自动化控制， 属于整个系统的最底层，智能控制器节点对各种输入信号进行处理，根据程序的 设定，对各种输出执行机构进行控制，以此完成该节点的控制任务。 口 i 垦i 卜_ 一上位机管理层 一一一广一一嘈琵丽百一 曲 传盛 开关设备 甲 凸 。现场总线网络层。 工业控制器 i 割2 0 d o d 印 i 部稳智面 n 传盛暑 l 圃i 舰卸咽 拈开关设备宁 工业控制器2 郢 鄙穗智 面 一 传暮嚣 拈默骼宁 一谳t 一 设备1设备2 设备n 图2 1现场过程网络控制系统示意图 1 0 工业控 第二章工业设备网络控制系统的总体设计 2 2 1 工业控制器的设计翻 在工业设备的应用中，许多产品的生产和装配是由一些断续的生产过程组 成，这些生产过程因其工艺要求不同而具有不同的工艺流程，而每一工序的操作 都是由一些执行机构( 例如电磁阀、电机、电磁铁等) 来完成，例如机器的周期性 运行和多个设备之间的相互配合等，这就要用一个可以进行编程的控制器来完成 不同的控制工作。 本系统所设计的工业控制器主要针对产品领域较单一，控制方式基本相同， 产量较大，产品控制容量中等的生产设备进行自动化控制，可以为中小型的工业 控制过程提供一个稳定可靠的独立自控操作平台。 一般来说，一个独立的自动控制节点就是一个程序控制器，它是现场过程自 动控制的关键设备。虽然控制节点是相对独立的，但同时它也具有网络通信接口， 通过现场总线的物理层和数据链层支持，各工业控制器节点可以通过组网联机， 实现工业生产现场的设备网络化控制。 工业控制器以微控制器为核心，通过其外围电路的设计使其具有信息采集、 显示、处理、输出控制以及网络通信等多种功能。针对在工业现场中实际应用的 具体要求，从信号输入和输出控制的角度看，工业控制器在程序控制中应该实现 的任务可归纳为以下三个方面： 对传感器信号或开关信号的实时采集，即对被控量的瞬时值进行检测和 输入； 数据处理和实时决策i l o l ，对实时的给定值和被控量的数值按设定的控制 规律进行运算和程序设定； 实时控制，根据决策适时地对执行机构发出控制信号。 根据工业应用中的使用需求，工业控制器应该具有体积小、可靠性高的特点， 基于这一要求控制器的设计需要考虑以下几个方面： 简单有效的实现基本控制和通信功能； 微型、低功耗、低成本元器件的选择； 高效的设计方法，采用模块化的设计思想，软硬件协同设计； 抗干扰分析，控制器软硬件设计采取抗干扰措施。 2 2 2 现场总线的通信网络层设计 现场总线网络层是数据传输的中枢，负责整个系统的通信，它把若干个独 基于c a n 总线的工业控制系统的研究与应用 立自动控制节点通过总线联系在一起形成一个局域控制网，它提供了总线的网络 层和传输层协议，在此基础上把多台相对独立的节点组合在一起，即各个工业设 备联系在一起形成一个自动化生产的控制系统，各个控制节点通过总线传送各种 数据和指令，执行相关的计算与操作，协调各节点按照程序实现自动控制任务。 现场总线的通信网络设计主要包括与上位机管理层的网络接口的硬件和软件设 计，智能控制器层网络接口的硬件和相应的驱动程序，以及实现一个实际通信系 统的应用层通信协议的设计。 通信系统的应用层协议设计采用主从式和多主式相结合的通讯方式，上位管 理层p c 和下层智能控制器向系统网络上发送控制信息和数据信息。底层控制节 点具有智能性，上位机节点检测整个系统的运行状态。网络层必须具备自适应能 力、自稳定能力以及硬件的可扩展性。 2 2 3 上位机管理层 上位机管理层p c 是人机交互的平台，它可以作为工业现场总线的主控节点 ( 当然，现场总线也可以是无主控节点的总线系统) ，通过通信适配卡由现场总 线网络向底层智能控制节点下达控制命令，决定智能控制节点的投入或退出，接 收各个设备控制器节点上传的数据，发送下位节点控制指令，对控制器的运行状 态进行实时监测，对设备运行的历史数据进行统计，对生产质量进行分析等。 智能控制层根据接收到的信息对设备进行控制，同时又将运行过程中产生的 数据和参数传送给上位机管理层，使上位机能够对设备运行进行实时监视。上位 机管理层主要包括数据库、人机界面等。系统可采用w i n d o w s 或u n i x 操作系统 平台，可使用v b 、v c 、d e l p h i 等多种开发语言，可使用s q ls e r v e r 、o r a c l e 等数据存储技术。上位机还可以通过t c p i p 协议向上和i n t e r n e t 网驳接，使之 具有远程控制功能。 2 3 现场总线的选择i n l 由于现场总线从根本上解决了网络控制系统的自身可靠性问题，现场总线技 术逐渐成为网络化控制系统的发展趋势1 1 2 l 。自2 0 世纪8 0 年代末以来，有几种 现场总线技术已逐渐形成其影响并在一些特定的应用领域显示了自己的优势。它 们具有各自的优点，也显示了较强的生命力。 2 3 1 基金会现场总线 基金会现场总线( f o u n d a t i o nf i e l d - b u s ，f f ) 是在过程自动化领域得到 1 2 第二章工业设备网络控制系统的总体设计 广泛支持和具有良好发展前景的技术。它以i s o o s i 开放系统互联模型为基础， 取其物理层、数据链路层、应用层为f f 通信模型的相应层次，并在应用层上加 了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则， 采用社别描述语言规定了通用的功能块集。 基金会现场总线分为低速和高速两种传输速率。低速的传输速率为 3 1 2 5 k b s ，传输距离可达1 9 0 0 m 。高速的传输速率可为1 0 0 f o s 和2 5 m b s ，它 们的通信距离分别为7 5 0 m 和5 0 0 m 。基金会总线物理媒介的传输信号采用曼彻斯 特编码，段数目最多可达6 5 0 0 0 个，最大允许报文可达1 2 8 个比特组。基金会现 场总线的主要技术内容包括f f 通信协议，用于完成开放式互联模型中第2 , - - - 7 层通信协议的通信栈( c o m m u n i c a t i o ns t a c k ) ，用于描述设备特征、参数、属性 及操作接口的d d l 设备描述语言、设备描述字典，用于实现测量、控制、工程量 转换等应用功能的功能模块，实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件