（机械电子工程专业论文）基于canbus的干酪根自动制备监控系统研究.pdf

接要 摘要 总线技术已经广泛应用于实时性和抗干扰能力有苛刻要求的的工业现场。油 气田开发实验对仪器的自动化程度，效率和精度要求越来越高，总线技术的网络 纯智能纯将促使我国漓气罄开发实验仪器向更高层次发展。本文着重与对c a n 总 线技术在干酪根自动制备控制系统中的应用基础上进行的研究与软件设计。 采用王控机+ c a n 网络的硬件结构形式，开发上位祝控制软件，针对干酪根制 备过程中的关键技术和主要问题，本文在以下几个方面进行了详细的研究和探讨： 参照予酪根制备流程，综合分析? 目前的几种干酪根制各仪系统不足，提出 一种高可靠性而经济的总线体系结构和功能模块划分，对系统的数据流向和控制 过程进行了详细研究。 实现控制与现场分离，傈障了操作入员的安全性。根据干酩搬国标制定流程， 设计了一种操作简易方便的参数设置过程和制样处理过程。将整个制样过程划分 为设置参数、数据提取、调翔处理、循环处理圈部分，把大量的运算和复杂的制 样环节放在线程中自动处理，既保证了操作的简易性，又实现了繁琐而复杂实验 过程，实现了高自动化。 利用c a n 总线的高实时性，监测现场的温度，压力，并根据采集的模拟信号， 并自动完成相应的过程处理，若有异常发生，及时报警并暂停当前任务，维护现 场设备安全，实现高智能化。 建立数据库对实验数据信息( 包括样品参数和实验结果等) 、实验历史、当前 王0 状态、故障目志等进幸亍存储。 研究p i d 控制算法，实现对温度的控制。并在以往设备的排液方式上，做了 较为完善的改进。最后，提出了一种经济实用的废液自动处理方式。 关键词：干酪根，c a n b u s ，实时性，p i d a 转s t r a e t a b s t r a c t b u st e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt oi n d u s t r i a la e r af o ri t sr e a l t i m en a t u r e a n da n t i i n t e r f e r e n c e i nt h eo i la n dg a sf i e l d ，d e v e l o p m e n to fe x p e r i m e n t a la p p a r a t u s d e m a n d sh i g h l y0 1 1t h ed e g r e eo fa u t o m a t i o n , e f f i c i e n c ya n da c c u r a c y , t h ei n t e l l i g e n t b u sn e t w o r kw i l lp r o m o t ec h i n e s eo i la n dg a se x p e r i m e n t a la p p a r a t u st oah i g h e rl e v e l t h i sp a p e rf o c u s e so nt h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o ns o f t w a r ed e s i g no fk e r o g e n a u t o m a t i cp r e p a r a t i o nc o n t r o ls y s t e mb a s eo nc a n b u s a st h eh a r d w a r ep l a t f o r mo f i p ca n dc a nn e t w o r k , id e s i g n e dt h es o f t w a r eo f p c f o rt h ek e yt e c h n o l o g i e sa n dk e yi s s u e si nt h ep r o c e s so fk e r o g e np r e p a r a t i o n ，t h i s p a p e rc a r d e do u tad e t a i l e ds t u d ya n de x p l o r a t i o n i nt h ef o l l o w i n ga r e a s is t u d i e dt h ek e r o g e ng bp r o c e s s e s ，a n dm a d eai n t e g r a t e da n a l y s i so ft h ec u r r e n t s e v e r a lk e r o g e np r e p a r a t i o ni n s t r u m e n ts y s t e m ，t h e np r o p o s e dah i 曲r e l i a b i l i t ya n d e c o n o m i cb u sa r c h i t e c t u r e sa n df i m c t i o n a lm o d u l e s w h a ti s 璎翻潜，im a d eao fr e s e a r c h o ft h ed a t af l o wa n dp r o c e s so ft h ec o n t r 0 1 a c c o r d i n gk e r o g e ng bd e v e l o p m e n tp r o c e s s ，id e s i g n e das i m p l ea n dc o n v e n i e n t o p e r a t i o no ft h ep a r a m e t e rs e t t i n gp r o c e s sa n dt h ep r o c e s s i n gp r o c e s s t h ew h o l e p r o c e s se a r lb ed i v i d e di n t of o u rp a r t ：p a r a m e t e r ss e t t i n g , d a t ae x t r a c t i o n ，p r o c e s s c a l l i n ga n dp r o c e s sr e c y c l i n g t h el a r g en u m b e rc o m p u t i n ga n dc o m p l e xp r o c e s s e sa r e c o m p l e t e do nt h et h r e a dp r o c e d i n gt oe ：n s u r et h es i m p l i c i t yo ft h eo p e r a t i o n , c o m p l e x p r o c e s sa n dh i 曲a u t o m a t i o n b e c a u s eo ft h er e a l t i m en a t u r eo fc a n b u s ，t h et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e c a l lb em o n i t o r e d 。i na c c o r d a n c ew i t ht h ea n a l o gs i g n a la c q u i s i t i o n ，t h ep r o c e s sc a nb e a u t o m a t i c a l l yc o m p l e t e d i fa b n o r m a ls i t u a t i o nh a p p e n s ，t h es y s t e mt i m e l ys e n d sa w a r n i n gs i g n a la n ds u s p e n dt h ec u r r e n tp r o c e d i n g 。 ad a t a b a s ei se s t a b l i s h e dt os t o r ee x p e r i m e n t a ld a t a ( i n c l u d i n gs a m p l ep a r a m e t e r s a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，e t e ，p r o c e s s i n gh i s t o r y , t h ec u r r e n ts t a t eo fi oa n df a u l t l o g k e y w o r d s ：k e r o g e n ，c a n b u s ，r e a l - t i m e , p i d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 暨舀j 蔑墓日期：kp 年珀7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：序炙引币躲货大贲导师签名：兰。：二：圣 日期：2 们孝年二月t j 日 第一章绪论 1 1 千酪根概况 1 1 1 干酪根概念 第一章绪论 石油及天然气来源于沉积有机质。对生成石油及天然气的原始物质而言，以 沉积岩中的分散有机质为主。沉积物( 岩) 中的沉积有机质经历了复杂的生物化 学及化学变化，通过腐泥化及腐殖化过程形成干酪根，成为生成大量石油及天然 气的先躯。 干酪根是沉积有机质的主体，约占总有机质的8 0 - 9 0 ，研究认为8 0 以上 的石油烃是由干酪根转化而成。干酪根的成分和结构复杂，是一种高分子聚合物， 没有固定的化学成分，主要由c 、h 、0 和少量s 、n 组成，没有固定的分子式和 结构模型。d u r a n d 等对世界各地4 4 0 个干酪根样品的元素分析结果表明，平均c 占7 6 4 ，h 占6 3 ，0 占1 1 1 ，三者共占9 3 8 ，是干酪根的主要元素成分。 在不同沉积环境中，由不同来源有机质形成的干酪根，其性质和生油气潜能 差别很大。干酩根可以划分为以下三种主要类型： i 型干酪根( 称为腐泥型) ：以含类脂化合物为主，直链烷烃很多，多环芳烃 及含氧官能团很少，具高氢低氧含量，它可以来自藻类沉积物，也可能是各种有 机质被细菌改造而成，生油潜能大，每吨生油岩可生油约1 8 k g 。 l i 型干酪根：氢含量较高，但较i 型干酪根略低，为高度饱和的多环碳骨架， 含中等长度直链烷烃和环烷烃较多，也含多环芳烃及杂原子官能团，来源于海相 浮游生物和微生物，生油潜能中等，每吨生油岩可生油约1 2 k g 。 i i i 型干酪根( 称为腐殖型) ：具低氢高氧含量，以含多环芳烃及含氧官能团为 主，饱和烃很少，来源于陆地高等植物，对生油不利，每吨生油岩可生油约0 6 k g ， 但可成为有利的生气来源。 1 1 2 干酪根制备原理 制备干酪根的原理【i 】是首先用有机溶剂溶解掉岩石中可溶有机质，然后用非氧 化性酸( 主要是盐酸和氢氟酸) 和碱溶解去岩石中的无机矿物剩下不可溶的有机物 电子科技大学硕士学位论文 质，最后进一步提纯干酪根。根据国标，其制备流程可用图1 1 表示。 图1 1 干酪根制备流程 由上可知，干酪根制备其原理虽简单，但涉及大量强酸，中间需要多次处理 步骤，过程较为繁琐。要实现其制备过程自动化，首要考虑的是设备的可靠性与 安全性，除了所选用的器材耐腐蚀外，控制系统上更需保证通信的可靠性、灵活 性。另外要考虑设备的人性化，自动化程度高、操作简单可靠才能方便操作人员。 2 第一章绪论 1 1 3 国内外对干酪根制备的研究状况 目前国外和国内各油田、科研和教学等单位制备干酪根方法大都是采用手工 和半机械化的操作法，要完成整个制备过程，操作较为麻烦，而且剧毒和强腐蚀蚀性 的物质对人身危害极大，对环境污染也大。 国内也曾有不少研究人员研制过干酪根自动制备的仪器，并取得了一定阶段 性成功。目前国内制造的有k a p i b ，c g g l 2 0 8 两种型号仪器，都从不同程度上解 决了手工操作的繁琐以及酸腐蚀带来的问题，提高了干酪根提炼效率。不过这些 仪器同时也存在一些弊端【2 】。 k a p i b 是由西南石油学院在9 0 年代自主开发的设备。采用单片机控制技术， 代替了手工，采用水浴加热进行达到了较好的温度效果。其弊端在于： 1 控制方式过于传统，仪器自动化程度不够高。 2 对流量控制误差大。 3 多个容器并行加液，加液量不够合理。 4 排液效果差。 5 废液处理不完善。 6 处理样品周期长。 由于上诉问题，以及当时技术的限制，仪器在使用过程产生了许多问题，未 能推广。 c g g l 2 0 8 仪器是由湖南长沙川戈科技发展有限公司研制，相对于k a p i b 有 了很大的改善。该仪器配备了废气处理系统，减少了对环境的污染和人体的伤害； 采用磁搅拌技术，提高了反应速率；采用无级变量逐步加酸的控制技术，减少了 反应液的耗量。但存在一些问题：对加酸量控制不准确；无加热设施：电磁搅拌 震荡效果不佳，未能有效提高反应速率；无废液处理措施等。 因而各个石油部门都迫切需要一种可靠高效高自动化程度的仪器来处理全国 各地大量样品。 1 2 我国石油仪器的发展历史、现状与趋势 我国油气田开发实验仪器的历史从2 0 世纪5 0 年代开始到8 0 年代，大量引进苏 联、法国和美国仪器，例如岩心分析仪器，如气体孔隙度仪、立管式气体渗透率仪、 水银p v t 仪、大表盘压力表、高压柱塞泵、岩心分析仪、高压计量泵等。在这 电子科技大学硕士学位论文 期间，各个有实力的大油田纷纷引进国外仪器，形成了一个引进国外仪器的高潮。在 引进仪器的同时进行的国外培训、考察，使广大从业科技人员开阔了眼界，并从与国 外同行的交流中，迅速缩小了我们与发达国家在油气田开发实验方面的差距。 经过多年与国外油气田开发实验室的交流，我国的油气田开发实验技术的水平 迅速提高，日趋成熟。但也意识到完全依赖进口仪器存在的许多问题。如仪器进口 花费的外汇太多；易损件的更换困难；非标准产品使操作方法和技术路线上不适于 我国情况。广大油田开发研究人员和油层物理实验技术人员的目光更多地转向仪 器国产化，于是开始根据国外技术支持，研制自己的实验仪器。从2 0 世纪8 0 年代 中期到9 0 年代，已基本实现油气田开发实验的国产化，制造出了常规岩心分析孔隙 度、渗透率、饱和度及洗油仪，岩心照相装置。用于专项岩心分析的相对渗透率仪， 隔板法、压汞法、离心法等油藏岩心毛管压力的测量仪器及岩心驱替装置、高压 计量泵等。国产仪器在全面实现国产化后，国内厂家开始向高层次努力，着手研制具 有独立自主知识产权并适合国情的多功能一体化仪器，并逐渐形成了自己的特点。 目前，大部分开发实验仪器属于非标产品，仪器的通用性和互换性较差，自动化 程度不够高给用户带来诸多不便。随着计算机技术的发展和普及，油田开发实验仪 器的自动化程度、测试速度、测试精度均有了长足发展，其发展趋势是标准化、智 能化、网络化。 一些研究人员把每台仪器进行模块功能模块划分，并已取得了共识。目前采用 模块化的相对渗透率仪及可以进行水驱和化学驱的驱替装置已经面世，为我国油气 田开发实验仪器的标准化工作开了一个好头。 随着网络的飞速发展，各类总线技术应运而生。总线的高可靠性是实时性等 特点既保证仪器的各部分连接方便，又使得信号传输速率了快而精确，提高了分 析效率，另外传感器发展日渐趋于网络化智能化。各类智能传感器应运而生。不 但可以具有自检测、自修正和自保护功能，还根据输入信号值进行自动输出信号； 另外可以通过软件设置做出不同响应；另外提供有各种的网络接口，可以与外部进 行信息交换。总线技术与智能传感器的应用将带来石油仪器的网络化智能化p j 。 1 3 本课题研究的内容及重点 1 3 1 研究内容与意义 本课题是以为西南石油地质勘探研究院研制的干酪根自动制备仪为背景，研 4 第一章绪论 究基于c a n b u s 总线的干酪根自动制备控制系统，其内容包括系统硬件平台的组 建与调试以及上位机( p c 机) 的控制程序。本系统实现功能主要如下： 1 创建表格实现参数设置以及对实验工序的编辑。便于用户对实验各种参数和 工序进行统一的配置和管理 2 实现流程控制、单步控制、以及电机调速等功能。 3 实现温度的p i d 控制 4 实现对现场的温度，压力信号检测与监控。 5 设计有效的排除废液方法 6 利用智能型p h 计妥善解决对废酸的处理 该系统有效地解决了以往干酪根制备仪器控制上的弊端，提高了干酪根提炼 效率，方便实验人员更快地对矿样作出精确分析，可广泛应用油气田勘探开发， 对提高我国石油勘探水平有重要意义。 1 3 2 重点及难点分析 在本课题的研究开发过程中，将会重点考虑以下问题： ( 1 ) 建立合理的系统软件体系结构和友好的人机交互界面。 ( 2 ) 参照千酪根制备国标流程，提供多样功能，并实现制样自动化。 ( 3 ) 采用精确的计量方式实现对加液量的控制。 ( 4 ) 针对以往的干酪根仪器不足，妥善解决废液排除、处理等问题。 ( 5 ) 实现总线上对电机无级调速控制。 ， ( 6 ) 实验运行过程中的多线程控制；统一的参数管理和配置方式。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章现场总线c a n b u s 的介绍 现场总线可定义为应用在生产现场，微机测量控制设备之间串行数字通信总 线，是种开放式、数字化、多点通信的底层控制网络技术。 2 1c a n 总线特点 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线属于现场总线范畴。最初是由德国b o s c h 公司为解决现代汽车内部大量的控制测试仪器、传感器和执行机构之间的数据交 换而开发的一种串行数据通信协议。九十年代初期，备受欧洲重视，后来逐渐形 成国际标准。广泛适用于工业领域。 由于采用了许多新技术及独特的设计，c a n 总线与一般的通讯总线相比，它 的数据通讯具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点【4 】可概括如下： 1 c a n 是到目前为止唯一有国际标准的现场总线。 2 c a n 为多主方式工作，网络上任一节点均可在任一时刻主动地向网络上其 他节点发送信息，而不分主从。 3 在报文标识符上，c a n 上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时需 要，优先级高的数据最多可在1 3 4 9 s 内得到传输。 4 c a n 采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息发生冲突 时，优先级较低的节点会主动的退出发送，而最高优先级的节点可不受影响的继 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的情况。 5 c a n 节点只需要通过对报文的标识符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收数据。 6 c a n 的直接通信距离最远可达1 0 k m ( 速率5 k b p s 以下) ；通信速率最高可 达1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) 7 报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极 低。 8 c a n 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。 6 第二章现场总线c a n b u s 的介绍 2 2c 州协议层 c a n 现场总线采用了七层o s i 机构中两层网络结构【辅一一物理层、数据链路 层。 为什么只采用两层网结构? 主要是因为：1 面向控制的信息通常非常有限，当 要求这种息必须快速到达目的站时，七层模式使数据转换远远慢于实时操作要求； 2 现场总线设备不需要o s i 地址；3 与o s l 系统有关的网络接口的造价对现场总线 系统来说显得过高，包o s i 系统所有各层的总开销，对现场总线的应用来说同样 显得过高：4 现场总线腿络采用成本的桥接器、路由选择器和喇问连接器等实现与 其他开放式系统( 例如o s i 网络、m a p 络) 的连接。这种网络结构具有结构简单、 执行协议直观、价格低廉等优点。同时性能又人满意。因此，现场总线是一种开 放式实时系统，只具有简单的网络结构。 h 黼圃 应用层 表示层 会话层 运输层 网络层 数据链路层 物理层媒体 图2 1c a n 网络协议层结构图 如图所示，数据链路层又分为逻辑链路控制( l l c l o g i c l i n k c o n t m l ) 和媒 体访问控制( m a c - - m e d i t m aa c c e s sc o n t r 0 1 ) ，物理层又分为物理信令( p l s p h y s i c a ls i 留a a l l i n g ) ，物理媒体附属装置( p m a - - p h y s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n t ) 和 媒体相关接( m d i - - m e d i u md e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 。物理层负责物理信号传输、译 码、位时序和位同步等功能，数据链路层负责像总线仲裁、信息分段以及数据安 全、数据确认、错误检测、信号传输和错误控制等功能。这两层的协议一股都封 电子科技大学硕士学位论文 装在具体的芯片中，即总线控制器( s j a l 0 0 0 ) 中。系统的开发主要集中在应用层 上，包括数据的发送，响应，以及网络的启动，标识符的分配等等。 2 2 1l l g 子层 一、l l c 子层功能 l l c 子层提供的功能包括：帧接收滤波、超载通告和恢复管理。 1 帧接收滤波：在l l c 子层上开始的帧跃变是独立的，其自身操作与先前 的帧跃变无关。帧内容由标识符命名。标识符并不能指明帧的目的地，但描述数 据的含义，每个接收器通过帧滤波确定此帧与其是否有关。 2 超载通告：如果接收器内部条件要求延迟下一个l l c 数据帧或l l c 远 程帧，则通过l l c 子层开始发送超载帧。最多可产生两个超载帧，以延迟下一个 数据帧或远程帧。 3 恢复管理：发送期间，对于丢失仲裁或被错误干扰的的帧，l l c 子层具有 自动重发送功能。在发送成功完成前，帧发送服务不被用户认可。 二、l l c 帧结构 l l c 帧是等同l l c 实体( l p d u ) 之间进行交换的数据单元，以下分别描述 l l c 数据帧和远程帧的结构。 1 l l c 数据帧 l l c 数据帧由三个位场，既标识符场、数据长度码( d l c - - d a t al e n g t hc o d e ) 场和l l c 数据场。 2 l l c 远程帧 l l c 远程帧由两个位场( 标识符场和d l c 场) 组成。l l c 远程帧标识符格式 与l l c 数据帧格式相同，只是不存在数据场。d l c 的数值是独立的，此数据为 对应数据帧的数据长度码。 2 2 2m a g 子层 一、m a c 子层结构功能模型 m a c 子层功能由i e e e8 0 2 3 中规定的功能模型描述。 1 发送部分功能包括： ( 1 ) 发送数据封装 接收l l c 帧并接口控制信息 第二章现场总线c a n b u s 的介绍 c r c 循环计算 嗵过向l l c 帧附加s o f 、r t r 位，保留位、c r c 、a c k 和e o f 构造m a c 帧。 ( 2 ) 发送媒体访问管理 确认总线空闲后，开始发送过程( 通过帧间空闲应答) m a c 帧串行化 插入填充位( 位填充) 在丢失仲裁情况下，退出仲裁并转入接收方式 错误检测( 监控，格式校验) 应答校验 确认超载条件 构造超载帧并开始发送 构造出错帧并开始发送 输出串行位流直物理层准备发送 2 接收部分功能包括： ( 1 ) 接收媒体访问管理 由物理层接收串行位流 解除串行结构并重新构筑帧结构 检测填充位( 解除位填充) 错误检测( c r c 、格式校验、填充规则校验) 发送应答 构造错误帧并开始发送 确认超载条件 重激活超载帧结构并开始发送 ( 2 ) 接收数据御装 由接收帧中去除m a c 特定信息 输出l l c 帧和接口控制信息至l l c 子层 二、m a c 帧结构 c a n 系统中，数据在结点间发送和接收以四种不同类型的帧出现和控制，其 中：数据帧将数据由发送器传至接收器；远程帧由节点发送，以请求发送具有相 同标识符的数据帧；出错帧可由任何节点发送，以检测总线错误，而超载帧用于 提供先前和后续数据帧或远程帧之间的附加延时。另外，数据帧和远程帧以帧间 9 电子科技大学硕上学位论文 空间隔同先前帧隔开。 1 m a c 数据帧 一个m a c 数据帧由七个不同位场构成，它们是：帧起始( s o f s t a ro f f r a m e ) 、仲裁场、控制场( 两位保留位+ d l c 场) 、数据场、c r c 场、a c k 场和 帧结束( e o f e n do f f r a m e ) 。 2 m a c 远程帧 激活为数据接收器的节点可以通过发送一个远程帧启动源节点发送各自的数 据。一个远程帧由6 个不同位场构成：帧起始( s o f ) 、仲裁场、控制场( 两位保 留位+ d l c 场) 、c r c 场、a c k 场和帧结束( e o f ) 。其中，仲裁场由来自l l c 子层的标志符和r t r 位构成。在m a c 数据帧中，r t r 位数值为“l 。帧起始 ( s o f ) 、控制场、c r c 场、a c k 场和帧结束( e o f ) 等位场均与m a c 数据帧 的相应位场相同。 3 出错帧 出错帧由两个不同场构成，第一个场有来自不同节点的错误标志叠加给出， 第二个场为错误界定符。 4 超载帧 存在两类具有相同格式的超载帧：l l c 要求的超载帧和重激活超载帧，前者 为l l c 子层所要求，以表明内部超载状态，或者将有m a c 子层的一些出错条 件而被启动发送。超载帧包括两个位场：超载标志和超载界定符。超载界定符有8 位“隐性”位构成。发送超载标志后，每个节点均监控总线，直至检测到“隐性一 位，以完成8 位长度超载界定符。 5 帧间空间 数据帧和远程帧同前述的任何帧( 数据帧、远程帧、出错帧、超载帧) 以称 之为帧空间的位场隔开。与此相反，超载帧和错误帧前面不存在帧间空间，并且 多个超载帧也不用帧间空间分隔。帧间空间包括间歇场和总线空闲场，并且对于 先前帧已发送“错误一认可 的节点还有暂停发送场。 三、m a c 帧编码和发送接收 帧起始、仲裁场、控制场、数据场和c r c 序列帧段均以位填充方法进行编 码。当发送器在发送位流中检测到5 个数值相同的连续位( 包括填充位) 时，它 在实际发送位流中，自动插入一个补码位。 数据帧或远程帧的其余位场( c r c 界定符、a c k 场和帧结束) 为固定形式， 不进行位填充。错误帧和超载帧也为固定格式，同样不使用位填充方法进行编码。 l o 第二章现场总线c a n b u s 的介绍 帧中的位流按照非归零( n r z - - n or e t u r n t o z e r o ) 方法编码。这意味着，这 就意味着一个完整位其位电平要么是“显性，要么是“隐性修。帧应由其s o f 场 开始逐个位场进行发送。在一场内应首先发送最高位 对于发送器和接收器一帧的有效时点是不同的。对于发送器，若在帧结束完 成前不存在错误，则该帧为有效。若一帧被破坏，则进行恢复处理。对于接收器， 若在帧结束最后一位前不存在错误，则该帧为有效。 四、媒体访问和仲裁 当检测到间歇场未被“显性位中断后，认为总线被所有节点释放。总线一 旦释放，“错误一活动”节点可以访问总线。总线一旦释放，接收当前或先前帧的 “错误一认可 节点可以访问总线。一旦完成暂停的发送，并且其间没有其它节 点开始发送，发送当前帧或已发送完先前帧的“错误- 人可弦节点可以访问总线。 当允许节点访问总线时，m a c 数据帧和m a c 远程帧可以起始。m a c 错误帧和 m a c 超载帧如上述规定被发送。发送其间，发送数据帧或远程帧的每个节点均为 总显主站。 当许多节点一起开始发送时，此时只有发送具有最高优先权帧的节点变为总 线主站。这种解决总线访问冲突的机理是基于竞争的仲裁。仲裁期间，每个发送 起将发送位电平同总线上监测到的电平进行比较。若相等，则节点可以继续发送。 当送出一个“隐性”电平，而监测到的为“显性电平时，表明节点丢失仲裁， 并且不应再送更多位。当送出“显性”电平，而监测到“隐性”电平时，表明节 点检测出位错误。 基于竞争的仲裁依靠标识符和紧随其后的r t r 位完成。具有不同标识符的两 帧中，优先权被标注于帧中，较高优先权的标识符具有较低的二进制数值。若具 有相同标识符的数据帧和远程帧同时被初始化，数据帧较之远程帧具有较高优先 权，它通过按照r t r 位数值标注达到。 五、错误检测 m a c 子层具有下列错误检测功能：监测、填充规则校验、帧校验、1 5 位循 环冗余码校验和应答校验。 1 错误类型 ( 1 ) 位错误 正在想总线送出一位的节点同时在监测总线。但监测到的位数值与送出的位 数值不同时，则检测到位错误。其中例外情况是：在仲裁期间，当送出隐性信息 位或a c k 隙期间送出隐性位时，而检测到显性位不导致位错误；送出认可错误 电子科技大学硕士学位论文 标志，而检测到“显性 位的节点不将其理解为位错误。 ( 2 ) 填充错误 在使用位填充方法进行编码的帧场中，出现的六个连续相同的电平位的位时， 则检测到填充错误。 ( 3 ) c r c 错误 c r c 序列由发送器的c r c 计算结过构成。接收器以发送器相同的方法计算 c r c 。当所计算的c r c 序列不等于接收到的序列时，则检测到c r c 错误。 ( 4 ) 形式错误 当固定格式位场含有一个或更多非法位时，则检测到形式错误。其中列外是： 接收器在帧结束的最后位监测到“显性”位时，不将其理解为形式错误。 ( 5 ) 应答错误 在发送器a c k 隙期间未检测到“显性一位时，则检测到一个应答错误。 当检测到以上这些错误之一，l l c 子层被告之，并且，m a c 子层启动发送 错误标志。当任何节点检测到位错误、填充错误、形式错误或应答错误时，由各 自节点在下一位启动发送错误标志。当检测到c r c 错误时，错误帧在仅随a c k 界定符后的那位启始发送，除非另一个错误条件的错误帧已经准备好启动。 2 错误界定规则 网络中的任何一个节点，根据其错误计数器数值，可能处于下列三种状态之 一o ( 1 ) “错误一激活”节点；一个“错误一激活节点可以正常参与总线通信， 并在检测到错误时，发出一个活动错误标志。活动错误标志由6 个连续显性位组 成，并且遵守位填充规则和在规定帧中出现的所有固定格式。 ( 2 ) “错误一认可一节点：一个“错误一认可 节点不应发送活动错误标志。 它参与总线通信，但在检测到错误时，发送一个认可错误标志，认可错误标志由6 个连续的隐性位组成。发送后，“错误一认可”节点在开始进一步发送前将等待一 段附加时间。 ( 3 ) “总线脱离节点：当一个节点由于请求故障界定实体而对总线处于关 闭状态时，其处于“总线脱离状态。在“总线脱离”状态下节点既不发送，也不 接收任何帧。只有应用户请求，节点才能解脱“总线脱离状态。 1 2 第二章现场总线c a n - b u s 的介绍 2 2 3 物理层 物理层是将e c u 连接至总线的电路实现。e c u 的总数将受限于总线上的电气 负载。c a n 的物理层划分为三部分：物理信令子层、p m a 子层、m d i 子层。物 理信令实现与位表示，定时和同步相关的功能。p m a 实现总线发送接收的功能电 路并提供总线故障检测方法。m d i 实现物理媒体和m a u 之间机械和电器接口。 2 3c a n 2 0 b 协议帧 c a n b u s 规范包括两种帧格式：c a n 2 0 a ，c a n 2 0 b 。目前对总线的应用开 发普遍采用c a n 2 0 b 格式。而规范2 0 b 中又分为两种帧：标准帧和扩展帧。 2 3 10 a n 2 0 b 标准帧格式 c a n 标准帧信息为1 1 个字节包括两部分信息和数据部分前3 个字节为信息 部分 表2 1c a n 标准帧 7654 32l0 字节lf fr t rxx d l c ( 数据长度) 字节2 报文识别码d 1 0 d 3 字节3i d 2 一i d ox xxxx 字节4 数据l 字节5数据2 字节6数据3 字节7数据4 字节8数据5 字节9 数据6 字节l o 数据7 字节1 1 数据8 字节l 为帧信息，第7 位f f 表示帧格式在标准帧中f f = 0 ，第6 位r t r 表示 帧的类型，r t r = o 表示为数据帧r t r = l 表示为远程帧；d l c 表示在数据帧时实际 的数据长度。 电予科技大学硕士学位论文 字节2 ，3 为报文识别码1 1 位有效。 字节4 - l l 为数据帧的实际数据，远程帧时无效。 2 3 2c a n 2 o b 扩展帧格式 c a n 扩展帧信息为1 3 个字节包括两部分信息和数据部分前5 个字节为信息 部分。 表2 2 c a n 扩展帧 7654 3 21o 字节lf fi m txxd l c ( 数据长度) 字节2报文识别码d 2 8 d 2l 字节3i d 2 0 i d 13 字节4r d 1 2 m 1 5 字节5i d 4 i d oxxx 字节6 数据l 字节7数据2 字节8数据3 字节9数据4 字节l o数据5 字节1 l数据6 字节1 2数据7 字节1 3 数据8 字节l 为帧信息，第7 位f f 表示帧格式，在扩展帧中f f = 1 ；第6 位r t r 表 示帧的类型，r t r = 0 表示为数据帧, r t r = i 表示为远程帧；d l c 表示在数据帧时实 际的数据长度 字节2 5 为报文识别码其高2 9 位有效 字节6 1 3 为数据帧的实际数据远程帧时无效1 4 - 7 1 2 4c a n 总线的应用与发展 c a n 总线自开发以来，备受欧洲重视，成为研究开发的热点。其协议不断完 善已经形成国际标准，各大名企相应推出集成有c a n 协议器件。8 0 年代末i n t e l 1 4 第二章现场总线c a n b u s 的介绍 率先推出c a n 总线控制器8 2 5 2 6 ，随后p h i l i p 也推出了8 2 c 2 0 0 芯片。9 0 年代初， c a n 总线的应用在工业和自动化领域掀起一股热潮，此时，我国对c a n 的应用 研究开始起步，到目前c a n 已广泛应用于工业现场控制领域，而总线控制器也以 p h i l i p 公司生产的s j a l 0 0 0 为主。 c a n 总线是为汽车行业开发的数据总线，因而第一用户是汽车行业。目前世 界一些高档名牌汽车，例如b e n z ，b m w , p o r s c h e 等都采用了c a n 总线技术来 实现内部控制系统与检测和执行机构的通信；由于c a n 总线的本身优点，其应用 范围逐渐面向机械、机器人、数控机床、医疗设备、建筑物理监控、传感器领域 等发展。在医疗器材上，c a n 总线的产生有效的解决了医疗上的c t 断程扫描仪 大量数据传输问题，改善了该设备的性能；现在的一些数控技术，引用了c a n 总 线技术，一方面通过总线与上位机通信，一方面通过总线对数字式伺服电机实行 控制。在传感器领域，一些制造商提供带有c a n 接口的数据采集系统，r d 公司 提供的c a n m d e 可以直接通过c a n 与传感器相连。m t e 公司推出的带c a n 接 口的c c c 4 具有四通道数据采集功能。另外国内的周立功公司提供的i c a n 系列 产品，可采集现场的模拟量、数字量，控制现场执行机构等功能。不但如此，c a n 总线也应用在军事上一些设备。例如周立功公司生产的c a n 2 3 2 m b 协议转换器 应用在重庆某军区的坦克设备上。c a n 总线对世界整个测控领域产生了巨大影 响f 引。 电子科技大学觑十学位论文 第三章系统的总体设计 按照实验要求合理制定系统方案搭建硬件平台以及软件框架。采用工业p c 机 和c a n 网络共同构建控制系统是当今工业领域测控系统发展的一大趋势。利用p c 机丰富的软硬件资源，完成制样过程中实时性要求较低的任务，可以使系统的功 能得到显著提高；总线用来完成实时性要求较高的任务，弥补通用操作系统在实 时控制方面的不足。在对于酪根制各过程以及现有的西南石油学院曾开发的制各 仪器k a p i a 进行详细分析的基础上，确定了本系统的总体方案。 31 仪器结构特性 仪器的机械结构是由实验室项目组其他人员设计，内部主要结构如图所示 幽3 1 干酪根制各仪内部机械结构 整个运动平台为一个 边形的腔体( 我们称之为摇床) 其内放置着六只反应 容器，腔体中心有一加热器，用于提高实验过程的温度。反应容器 有两个孔， - f l 为进液孔，酸液山此孔进入。另外个为进气孔，高压氯气由此孔进入。容 器底部有小孔，方便反应完成后残留液排出。 在六边型腔体下面装有一电机，电机的转动带动摇床的偏心轴转动，从而带 第三章系统的总体设计 动摇床的圆弧式摆动( 非圆周运动) ，摇床内的容器也做相应的摆动，这样效果等 效于一种搅拌效果，加速反应。 3 2 系统工作原理 系统工作原理如图3 - 2 所示。酸液、氮气以及中和液( n a o h 溶液) 的供应都 是由仪器的外部管道接入，若将这些源液罐和氮气瓶放置在仪器内，会加大内仪 器空间使得整个仪器显得臃肿，同时酸液罐和氮气瓶容积有限，仪器自动化程度 再高也不会自动生成实验需要的原料，一旦某种酸或者氮气耗尽，都需实验人员 将原料搬运至仪器处，再手动加入，反而造成了不必要的麻烦，浪费了劳动力； 废液排出需汇集到废液罐内，再进行自动中和处理。 图3 2 系统工作原理图 电子科技人学硕士学位论文 因而，可将整个系统工作区域可分为三部分：原料区域、反应区域和废液处 理区域。原料区域放置水、酸液以及碱液，原料的供应由管路引入仪器中。废液 处理区在仪器内部，处理完的废液由管路引出至下水道。 由干酪根制备原理可知，整个工作的主要过程是按一个子流程进行循环，该 子流程可分为三步：加液 反应 排液 清洗。 1 加液由计量泵按量抽取液体到反应容器内，源液的选择以及加入到某个反 应容器通过打开对应的电磁阀实现。 2 反应反应开始时，加热升温，当温度即将到达设定温度时，再进行p i d 控 制。温度的检测通过温度传感器，与此同时，启动电机并调到相应速度，加速反 应。 3 排液反应完成后，打开高压氮气总进气电磁阀，以及各个反应容器进气阀， 根据压力传感器监测容器内压力变化判断残液排完与否，并通过相应的算法进行 自动排液。 4 清洗再进行下一道酸处理前，需加入蒸馏水或者i m o l l 的盐酸对样品进 行三次清洗。 另外，废液的中和处理是通过工业p h 计检测酸碱度自动控制加n a o h 溶液来 实现。一旦废液中和罐内p h 值 7 ，则抽碱液泵开始抽液，搅拌器通过电机控制加 速中和，当p h 值- 7 时，停止中和。 3 3 系统硬件平台 由整个工作情况可知，输出控制量主要有电磁阀、加热器、泵、警铃等，均 为开关量，输入控制量温度信号、压力信号等，均为模拟量，由于实验的强腐蚀 环境，为保证工作的可靠性稳定性，考虑到c a n 总线相对其他控制方式有如下优 点： 1 c a n 数据报出错率极低，可靠性强，保证执行机构正确操作。 2 与以太网比较而言，c a n 总线实时性高，执行机构能及时响应控制命令 3 c a n 相对于4 8 5 等抗干扰性强。 4 c a n 总线通信距离远，可实现操作与现场分离，达到远程监控 采用c a n b u s 组建整个控制网络基于p c 机的分布式数据采集及控制系 统，基本组成单元为工控机器p c + c a n b u s 接口卡+ i c a n 功能模块，i c a n 系列 模块采用c a n b u s 通讯接口，符合c a n 2 o b 协议规范，作为远端i o 模块，用 1 8 第三章系统的总体设计 于工业现场的数据采集。如图3 - 3 所示。 1 2 0 欧 现场 继电器 控渊卜一苎一屯圈 l i - 霄霈峨一t l i i ii 上i ；i 劁劁侧圈网网翠 1 2 0 欧 电磁阀泵 加热器警铃 温度传感器 压力传感器 电机 图3 3 系统硬件平台 ( 1 ) 工业p c 机：包含3 2 位处理器、标准键盘与显示器、网络接口卡等。主 要完成人机界面、文件编辑与编译、加工、网络通信等功能。 ( 2 ) c a n 适配器：实现总线与p c 机的连接，u s b 数据与c a n 数据的转 换，从而建立p c 机与总线的通信 ( 3 ) c a n 开关量输入输出模块：模块具有8 路开关量输入，8 路开关量输 出。将输入的电压型开关量信号或者无源触点信号经过调理以后，送入单片机进 行处理，通过c a n 总线通讯将输入的开关量信号状态传送到网络中的主控设备 ( p c 机) ，并且主控设备通过c a n 总线将输出的开关量