（机械电子工程专业论文）基于can总线淡水鱼糜加工生产线控制子系统的研究.pdf

j!一 摘要 本课题是国家“9 4 8 ”项目“淡水鱼方便食品深精加工技术”资助的在研项目。 采用了自动化控制领域中c a n 总线技术，结合我国淡水鱼糜加工生产线控制技术较低 的实际情况，本文提出了一种基于c a n 总线的淡水鱼糜加工生产线控制子系统的解决方 案。采用这种方案能够大大节省硬件数量，简化系统操作，降低维护保养费用，增加系统 的可靠性，提高淡水鱼糜加工生产线控制技术。 该方案以c a n 设备控制器为核心，并通过c a n 总线网络实现与上位机之间的通信。 系统通过四个现场节点对鱼糜加工生产线设备进行实时控制，由上位机管理软件实现对系 统的管理调度功能。重点阐述了c a n 设备控制器的硬、软件设计方法，编制了上位机管 理软件，最后以鱼糜加工设备漂洗槽和精滤机为例对c a n 设备控制器进行了测试，基本 上实现了控制子系统、c a n 总线和上位机之间实时信息的往返传送。 关键词：现场总线；c a n ：控制系统：c a n 设备控制器 一垒! ! ! 竺! a b s t r a c t t h i sp a p e ri sap r o j e c tc o n s i g n e dt o d e v e l o pb yf r e s h w a t e r - f i s hc o n v e n i e n tf o o d l r t h e r p r o c e s st e c h n o l o g y , w h i c h i san a t i o n a l9 4 8s u b j e c t u s i n gc a n f i e l db u st e c h n o l o g yi n a u t o m a t i c a l l yc o n t r o ld o m a i n ，a i m i n ga tt h el o w e r a u t o m a t i z a t i o nl e v e lo fd o m e s t i ct e c h n o l o g yi nt h ec o n t r o ls u b s y s t e mf o rm i n c e df r e s h w a t e r - f i s h p r o d u c t l i n e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e s ac o n t r o ls o l u t i o nb a s e do nc a nf i e l db u sf o ri t t h i s c o n t r o ls y s t e mc a ns i m p l i f yt h eo p e r a t i o n ，l o w e r st h em a i n t e n a n c ec o s t ，i m p r o v e st h es y s t e m r e l i a b i l i t y , a n di m p r o v e s t h ec o n t r o lt e c h n o l o g yf o rf o rm i n c e df r e s h w a t e r - f i s h p r o d u c t l i n e t h es o l u t i o nt a k e sc a nf i e l db u sa st h ep r o c e s s i n gc e n t e ra n dc o m m u n i c a t e sw i m c o m p u t e r b yc a n n e t w o r k i tm o n i t o r sa l lt h ef i e l d p r o c e s s i n gm a c h i n e st h r o u g hf o u r f i e l dn o d e s ， s u p e r v i s i n g t h ew h o l es y s t e m u s i n g t h e t o pm a c h i n e sm a n a g e m e n ts o f t w a r e t h e c o n t r o l s u b s y s t e mi ss t u d i e da n dd e s i g n e di nd e p t hi nt h i sp a p e r t a k i n gaw a s h i n g t a n ka n da r e f i n e r ， t w of r e s h w a t e r - f i s h p r o c e s s i n g m a c h i n e sa sa o b j e c tc o n t r o l l e d ，t h ef o l l o w i n gw o r k i si t ss t r e s s e s t h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g no fc a nf i e l dd e v i c ec o n t r o l l e rd i s c u s s e di nt h ed e t a i l w a y ，t h et o pm a c h i n e sm a n a g e m e n ts o f t w a r ei n c l u d e da c c o r d i n g l yw i t h t h ed e s i g nf i n i s h e da n d t e s t e ds m o o t h l y ，t h ea u t o m a z i t a t i o no fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h et o pm a c h i n e s ，t h ec o n t r o l s u b s y s t e m ，a n d t h ec a nf i e l db u si sr e a l i z e do nt h ew h o l e k e yw o r d s ：f i e l d b u s ；c a n ；c o n t r o ls y s t e m ；c a nf i e l d b u sd e v i c ec o n t r o l l e r i i 河海大学工学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 淡水鱼糜加工生产线控制系统现状 1 1 1 淡水鱼糜加工现状 目前全世界水产品的年产量约l 亿吨左右，但每年因变质而丢弃的水产品约占总产量的 1 0 ，另外还有3 0 左右属低值水产品，只能作动物饲料。因此，真正供给人类食用的水产 品并不丰富。为解决水产品供应不足问题，同时为适应不同消费者的需求，国际水产品加工 正向以下五类发展：方便食品、风味食品、模拟食品、保健食品、美容食品【i 】。其中，方便 食品为五类之首。用低值水产品加工成鱼糜，再用鱼糜生产出各种鱼糕、鱼卷、鱼饼、鱼丸、 鱼片、鱼酱和鱼香肠等。这样的食品不用烹调可直接食用，既把低值水产品变成营养丰富的 高档食品，又可延长保存期，携带方便。因此，研究与开发鱼糜加工技术顺应了水产品加工 发展方向，具有重要的现实意义。 我国淡水养殖业产品的产量在2 0 0 0 年底为4 2 7 9 万吨，连续1 1 年居世界首位口l ，但鱼糜 加工技术却依然停留在初级阶段，发展速度远远落后于日本、韩国、荷兰、德国等发达国家， 主要存在的问题表现在： 传统鱼糜产品加工多以作坊式手工加工为主，初级加工产品多，深加工产品少。因此 急需用现代科技手段加以改进和提高； 加工品比例较低且技术含量低。目前我国的水产品加工比例仅占水产品总产量的3 0 或更低，而世界发达国家水产品加工率已达到7 0 ，其中我国鱼糜加工成品与原料鱼的比例 与发达国家相比则更低： 加工机械化、自动化水平较低。 针对我国目前实际状况，研究与开发新一代鱼糜加工技术，推进鱼糜加工技术发展，对 于充分有效利用我国丰富的渔业资源，提供高质量动物蛋白有着重要的意义。 1 1 2 淡水鱼糜加工工艺流程 鱼糜制品是一种高蛋白、低胆固醇、低热、低盐食品，在我国历史悠久，常见的有鱼丸、 鱼糕、鱼肉火腿等。一般鱼糜加工生产线设备主要由采肉机、漂洗槽、鱼浆泵、喷淋筛、精 滤机、脱水机等组成 3 1 ，其加工工艺流程如图1 1 所示。 图1 - 1 鱼糜加工工艺流程 基于c a n 总线淡水鱼糜加工生产线控制子统的研究 根据此流程可知其生产原理为：去头、去鳞、去内脏( 俗称“三去”) 后的原料鱼送入采 肉机采肉，然后进入漂洗槽1 进行一次漂洗，接着由鱼浆泵1 输送入喷淋筛1 进行- 次喷淋 沥水，再进入漂洗槽2 进行二次漂洗，二次漂洗后的鱼肉由鱼浆泵2 输：送到喷淋筛2 进行二 次喷淋沥水。经二次漂洗和喷淋的碎鱼肉经精滤、脱水后即成为鱼糜。 1 1 3 生产线中的控制量 在生产线运行过程中，控制对象分为两种，即对单机运行的控制和对整个生产线设备联 机运行的控制。 ( 1 ) 单机运行的控制。 鱼糜加工生产线各设备可控参数见表1 1 。 表1 1 生产线设备可控参数一览表 设备名称控制参数 采肉机 漂洗槽 鱼浆泵 喷淋筛 精滤机 脱水机 采肉机的启停控制、滚筒和橡胶带之间的间距 漂洗槽的启停控制、漂洗槽内水温、水位的控制 鱼浆泵的启停控制、转速控制 喷淋筛的启停控制 精滤机的启停控制、温度控制、鱼肉在进料口内的高度控制、电机转速控制 脱水机的启停控制、转速控制 下面对采肉机、漂洗槽和精滤机三台设备的主要控制参数进行说明。 采肉机 采肉机的采肉部分主要由滚筒和合成橡胶带组成，滚筒上均匀分布直径为4 m m 的网孔， 鱼体受到滚筒外壁和合成橡胶带之间的压力，鱼肉穿过网孔进入滚筒内部，骨刺及鱼皮留在 滚筒表面，被残渣刮刀刮掉，从而达到采肉的目的【4 j 。 在生产过程中，操作员一般通过调整滚筒和合成橡胶带之间的距离来得到合适的采肉能 力。第一道采肉时可将调节手柄稍许抬起一个角度，得到质量较优的鱼肉；第二道采肉时， 因为是混合着坚韧鱼皮的鱼肉，所以要压紧调节手柄以加大滚筒和合成橡胶带之间的压力， 减小它们之间的距离。 本系统采用一道采肉工序，各调节参数在采肉前由手动设定。 漂洗槽 漂洗槽主要由机架、搅拌转子、壳体、出料口、电机和传动装置组成，采用单轴转子搅 拌，使碎鱼肉在漂洗槽内全部翻滚，以达到漂洗目的，7 】。在鱼糜加 ：过程中至少要经过两 次漂洗来去除鱼肉中的血液、尿素、色素、无机盐及部分水溶性物质，以增强鱼糜的弹性， 改善制品的色泽、香气，对于弹性或鲜度较差的鱼种，漂洗工序尤为重要。在漂洗过程中， 漂洗槽内水温、水位两个因素都会对成品鱼糜的质量产生重要影响，温度一般应控制在3 。c 1 0 。c ，温度过低则不利于水溶性蛋白的溶出，温度过高会导致鱼糜中的蛋白质变性：用清水 漂洗时，水位过低则不利于水溶性蛋白质的析出，鱼肉中的脂肪、无机盐离子也不能充分溶 河海大学工学硕士论文 第一章绪论 解于水中，从而降低鱼糜制品的弹性，水位过高则会产生鱼肉溢出等问题。 目前国内鱼糜加工一般在自然环境温度下进行，在夏季高温季节，水温一般都在2 0 以 上，如不进行冷却就用来漂洗鱼肉，对成品鱼糜质量有很大影响。漂洗槽传统的控制方法主 要是通过手工操作来控制槽中水温和水位的。控制水温有两种方法，即通过加入冰块和使用 地下水来漂洗。这两种方法都存在着很多问题，例如使用地下水来降温时，地下水虽然可以 起到降低槽中水的温度，但由于地下水是硬水，如在使用前不进行软化，直接用来漂洗鱼肉 会导致成品鱼糜色泽变暗，品质较低。 在漂洗槽漂洗过程中，主要就是对水温和水位两个主要参数进行合理控制。传统控制水 位的方法主要是通过手工开闭进水阀门来实现的。 精滤机 精滤机主要由进料口、废料出口、调速器和电机等组成，功能是除去混入鱼肉中的骨刺、 筋、鳞、皮、黑膜及其它杂质，确保和提高鱼糜质量。其工作原理为：鱼肉进料于密布直径 1 5 m m 网孔的筒体内，由螺旋轴推进使鱼肉向前移动，简体容积逐渐变小，鱼肉受到挤压从 网孔中挤出而小骨刺、鳞等杂物在简体内继续向前移动，由排渣口排出。在精滤过程中，由 于受到罩筒滤网和转子螺旋片的挤压，鱼肉的温度会有所升高而使其色泽变暗、品质也会变 差，这时就要采取一定的降温措施使鱼肉温度降低到一定范围内。另外，鱼肉从进料口加入 后会在进料口内累积起来，如不及时调整转子转速，鱼肉就会从进料口溢出。 精滤机一般操作过程如下：精滤机启动后，将鱼肉投入进料槽进行精滤，用温度计测量 滤网中挤出精滤鱼肉的温度，如温度太高，则转动调节螺杆，增大滤网和螺旋片的间隙，或 者通过减小转予的转速来达到相同的目的。 从实际使用过程来看，精滤时鱼肉温度升高是影响鱼糜品质的主要因数之一。目前主要 是通过目测或手感来判断鱼糜温度升高的程度，人工放水冷却，致使鱼糜质量波动较大。 ( 2 ) 联机运行的控制 在生产线运行过程中，生产线上的设备不是孤立运行的，而是与其它设备具有相互依存 关系的。整个生产线运行的控制不仅在于能够实现各孤立设备的控制要求，更重要的是它还 需要整个系统提供其一条用以实现生产线各设备间准确、及时的通讯途径和在此之上实现的 一套功能完善的控制规律，从而使生产线上各设备形成相互协调、高效的生产关系，达到生 产产品品质高、生产效率高的目标。 对淡水鱼糜加工生产线而言，联机控制要使整条生产线在正常运行时物料在各个环节既 不会出现淤积、也不会出现脱节的现象：而当生产线在某一或几个环节出现故障( 电气或机 械故障) 时，能够按情况做出最优的决策并显示警告。 1 2 淡水鱼糜加工生产线控制技术的发展方向 1 2 1 现代工业控制技术的发展过程 总的来看，现代工业过程控制系统的发展可以分为四个阶段8 1 。 基于c a n 总线渍水鱼糜加工生产线控制子统的研究 ( 1 ) 模拟仪表控制系统 模拟仪表控制系统于2 0 世纪六、七十年代占主导地位。其主要缺点是：模拟信号精度 低，抗干扰能力差。 ( 2 ) 集中式数字控制系统 集中式数字控制系统( d d c ，d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 ) 于2 0 世纪七、八十年代占主导地 位。它采用单片机、可编程序逻辑控制器( p l c ，p r o g r a m m b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 、顺序逻辑 控制器( s l c ，s e q u e n c el o g i c a lc o n t r o l l e r ) 或微机作为控制器，在控制器内部传输的是数字 信号，因此克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低的缺陷，提高了：系统的抗干扰能力。 集中式数字控制系统的优点是易于根据全局情况进行控制计算和判断，：茁控制方式、控制时 间的选择上是可以统一调度和安排的。但这种集中式控制系统对控制器的要求很高，必须具 有足够的处理能力和极高的可靠性，而且当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧 下降。 ( 3 ) 集散控制系统 集散控制系统( d c s ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 在2 0 世纪八、九十年代占主导地位。 其核心思想是“集中管理、分散控制”，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能， 若干台下位机下放分散到现场实现分布式控制，上下位机之间用控制网络互连以实现相互之 间的信息传递。因此，这种分布式控制系统的结构有力地克服了集中式腔制系统中对控制器 处理能力和可靠性要求高的缺陷。在集散控制系统中，分布式控制思想的实现正是得益于网 络技术的发展与应用，但不同的d c s 厂家为达到垄断经营目的而对其控制通信网络采用各自 专用的封闭形式，不同厂家的d c s 系统之间以及d c s 与上层i n t r a n e t 、i n t e r n e t 信息网络之间 难以实现网络互连和信息共享，因此集散控制系统是一种封闭专用的、不具有可互操作的分 布式控制系统，并且d c s 造价昂贵。在这种情况下，用户对网络控制系统提出了开放性和降 低成本的迫切要求j 。 ( 4 ) 现场总线控制系统 现场总线控制系统( f c s ，f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 用开放的、具有互操作性的网络将 现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降 低了安装成本和维护费用。因此，f c s 实质上是一种开放的、具有互操作性的、彻底分散的 分布式控制系统。在现场总线中，c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 是在中小型测控领域中有 较广泛应用前景的、最有发展潜力的总线之一。 1 2 2 淡水鱼糜加工生产线控制技术的发展方向 由上所述，现场总线控制技术是整个工业控制技术总的发展趋势。时代的发展要求进一 步提高鱼糜加工生产线控制技术，以改善成品鱼糜的质量，提高原料鱼的利用率。显然，把 现场总线技术应用于淡水鱼糜加工生产线控制系统中是开发新一代鱼糜加工生产线控制技术 的主流方向。基于c a n 总线淡水鱼糜加工生产线自动控制系统就是在这种形势下提出的新一 4 河海大学工学硕士论文 第一章绪论 代控制系统，它是一个全集成的、结构完整、功能完善、面向整个生产过程的控制系统，而 且国内外的大量资料表明，c a n 总线已成为现场总线领域中很有发展前途的一种通信技术， 基于c a n 总线的测控网络已经在多种工控领域广泛应用【9 1 。 1 2 3 选择c a n 总线作为本系统通信协议的原因 现场总线种类繁多主要有c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ，控制器局域网) 、l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ，局部操作网络) 、p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ，过程现 场总线) 、w o r l d f i p ( w o r l df a c t o r yi n s t r u m e n tp r o t o c 0 1 工厂仪表世：界协议) 、h a r t ( h i g h w a y a d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ，可寻址远程传感器数据通路) 、f f ( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ， 基金会现场总线) 。经过综合考虑，选择c a n 总线作为本系统通信总线是一种比较好的方案， 理由如下： ( 1 ) c a n 总线符合i s o l l 8 9 8 标准，是目前唯一已经形成国际标准的总线，并被公认为 是最有前途的现场总线之一。 ( 2 ) c a n 总线的硬件接口非常简单，编程方便，系统构成容易，开发系统廉价。 ( 3 ) 对c a n 总线的开发应用，有助于及时掌握现场总线技术的发展，为以后不同现场总 线系统的应用打下良好的基础。 ( 4 ) 现有技术资料较其它几种详细。 1 3 课题研究的背景、目标及内容 1 3 1 课题的研究背景 基于c a n 总线淡水鱼糜加工生产线控制系统是国家“9 4 8 ”计划项目一“淡水鱼糜方便 食品深精加工技术”中的一部分，主要由关键设备的国产化及其控制部分国产化两大部分组 成，旨在充分消化吸收国外先进淡水鱼糜加工设备的设计思想和方法，并在此基础上逐步加 以改造，实现国产化和设备控制的自动化，提高我国淡水鱼糜加工业的生产技术水平和自动 化程度。 本系统生产线控制部分主要由通信子系统和控制子系统组成。 通信子系统包括通信网络、网络电源、c a n 接口适配卡，以及抗干扰措施等。在整个控 制系统的设计过程中，基于c a n 总线通信子系统的设计是基础，这些工作已在前人的努力下 基本完成。 控制子系统主要由智能现场设备模块和生产线设备模块两大模块组成。其中，智能现场 设备模块是本论文研究重点。 基于c a n 总线淡水鱼糜加工生产线控制子统的研究 1 3 2 课题的研究目标及主要内容 本课题的研究目标是在该系统通信子系统设计完毕的基础上，设计了c a n 设备控制器和 上位机管理软件，最后以鱼糜加工设备漂洗槽和精滤机的温控过程为例对c a n 设备控制器进 行相关的测试。主要内容有： ( 1 ) c a n 设备控制器的设计。 硬件设计包括c a n 总线接口模块的设计、微处理器电路( 即节点控制模块) 的 设计和抗干扰模块的设计； 软件设计包括c a n 通信程序的设计和微处理器电路软件的设计； 抗干扰设计包括硬件抗干扰和软件抗干扰； ( 2 ) 系统上位机管理软件的设计。 ( 3 ) 以鱼糜加工设备漂洗槽和精滤机的温控过程为例对c a n 设备控制器进行了相应的 测试。 1 4 论文主体结构 本文主要论述了基于c a n 总线淡水鱼糜加工控制子系统的开发方案，论文结构如下： 第章介绍了淡水鱼糜加工技术，分析了现代工业控制技术的发展过程，指出了淡水鱼 糜加工技术的发展方向。 第二章介绍了c a n 总线技术的特点、技术规范、报文传送、帧结构、错误类型及其界 定，以及c a n 控制系统的组成结构，对鱼糜加工生产线控制子系统的总体结构进行了设计， 重点介绍了控制子系统中c a n 设备控制器的硬件、软件的设计过程，最后介绍了本系统用到 的抗干扰措施。 第三章介绍了用面向对象程序设计语言v i s u a l b a s i e 6 0 对上位机管理软件功能模块的设 计、通信模块和通信程序的相关设计、数据管理模块的设计，包括数据库的建立和实现，最 后介绍了管理软件运行结果，对调试中出现的几种错误隋况以及处理方法进行了分析。 第四章介绍了c a n 设备控制器在鱼糜加工生产线设备漂洗槽和精滤机温度控制中的实 现过程。 第五章介绍了c a n 设备控制器的测试过程，包括测试前的准备工作，把c a n 设备控 制器分为c a n 接口电路模块和微处理器电路模块，对测试中出现的问题进行了分析。 第六章总结全文的研究工作，提出了本项目的后续和有待于完成的工作。 6 河海大学工学硕士论文 第二章c a n 总线控制系统总体设计及软硬件实现 第二章c a n 总线控制系统总体设计及软硬件实现 2 i c a n 总线技术 2 1 i c a n 总线的特点 c a n 即控制器局域网络，是由德国b o s c h 公司在2 0 世纪八十年代为解决现代汽车中各种 过程控制器、执行机构、监测仪器、传感器之间的数据通信而提出并开发的总线式串行通信 网络，1 9 8 1 年由i s o 制订为国际标准。由于c a n 采用了许多新技术和独特的设计，使得基于 c a n 总线构建的系统在可靠性、实时性和灵活性等方面具有突出性能，从而也更适合于工业 过程控制设备和监控设备之间的互联，因此，与f f ，l o n w o r k s ，p r o f i b u s 等现场总线相比， c a n 在国外工业测控领域的应用更加广泛，它已经被公认为最有发展前途的现场总线之一。 目前，c a n 总线技术在我国工业测控领域的应用为数不多，广泛开展对c a n 总线测控网 络的应用性研究开发工作是提高我国工业测控技术水平的需要。 c a n 总线具有以下主要技术性能【1 1 ： c a n 为多主工作方式，网络上任一节点均可在任意时刻主动向网络上其它节点发送信 息，而不分主从。这种通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。利用这一特点可方便地构 成多机备份系统。 c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求。高优先级的数据 最多可在1 3 4 微秒内得到传输。 c a n 采用非破坏性总线冲突仲裁技术。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 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。 c a n 只需通过报文滤波即可实现点对点及全局广播等几种方式传送接收数据，无需专 门的“调度”。 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lm b p s ( 此 时通信距离最长为4 0 m ) 。 c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达“o 个；报文标志符可达2 0 3 2 种( c a n 2 o a ) ，而扩展标准( c a n 2 o b ) 的报文标志符几乎不受限制。 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。 c a n 每帧信息都有c r c 校验及其它检错措施，保证了数据出错率极低。 c a n 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其它节点的操作不 受影响。 基于c a n 总线淡水鱼糜加工生产线控制子统的研究 2 1 2c a n 总线的技术规范 随着c a n 在各种领域的应用和推广，对其通信格式的标准化提出了要求。为此，1 9 9 1 年 9 月p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r s 制订并发布了c a n 技术规范( v e r s i o n 2 0 ) 。该技术规范包括a 和b 两部分。2 o a 给出了c a n 报文标准格式，而2 0 b 给出了标准帧和扩展帧两种格式。此 后，1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了道路交通运输工具数据信息交换一高速通信控制器局域网 ( c a n ) 国际标准i s o i l 8 9 8 ，为控制器局域网的标准化、规范化铺平了道路。 ( 1 ) c a n 网络的分层结构【i 圳 c a n 的具体分层结构和功能如图2 一l 所示。 图2 一lc a n 的分层结构和功能图 ( 2 ) c a n 数据链路层的分层功能 逻辑链路子层l l c l l c 层提供的功能包括：帧接收滤波、超载通知和恢复管理。对二f 接收的数据帧与远程 帧，接收器通过帧接收滤波确定此帧是否与其相关；如果出现接收器被占用情况，要求延迟 到下一个报文，则通过l l c 子层发出超载帧；在发送期间，对于丢失仲裁或被错误干扰的帧， l l c 子层具有自动重发功能，这样可减轻c p u 的负担。 l l c 层包括两种帧：数据帧和远程帧。数据帧包含三个场位，即标识符场、数据长度码 ( d l c ，d a t a l e n g t hc o d e ) 场和l l c 数据场( 最长8 个字节) ，其形：式如图2 - 2 所示。 l 标识符场( 1 1 2 9 位)l d l c 场( 4 位) i l l c 数据场( 最多8 个字节) i l 。j l - - - - - - - - - - - - - - “- 一- - - - - - - j 图2 2l l c 数据帧 数据帧由7 个不同的位场组成，包括帧起始、仲裁场、控制场、数据场、循环冗余校验 场c r c 、应答场以及帧结束符e o f 。其中，仲裁场由标识符和远程发送请求位组成：控制场 由数据长度码和两个保留位r o 、r 1 组成；数据场由数据帧中被发送的数据组成，包括0 8 河海大学工学硕士论文 第二章c a n 总线控制系统总体设计及软硬件实现 个字节，每个字节8 位。远程帧用于请求信息，结构和数据帧结构相同，只是不包括数据场， 通过总线单元发送，以请求发送具有相同标识符的数据帧，远程帧也采用标准帧格式。数据 帧和远程帧借助于帧间空间隔开。 l l c 远程帧仅有两个位场，即标识符场和d l c 场。其形式如图2 - 3 所示。 图2 - 3l l c 远程帧 媒体访问控制子层m a c m a c 子层是数据链路层中的核心，它分为两个完全独立的部分：发送部分和接收部分。 它主要完成发送数据的封装、发送媒体访问管理、接收媒体管理和接收数据卸装功能。 经过m a c 子层的数据封装，来自l l c 子层的数据帧变成由起始帧( s o fs t a r to f f r a m e ) 、仲裁场、控制场、数据场、c r c 场、a c k 场和帧结束( e o fe n do f f r a m e ) 七个 不同场位构成。其形式如图2 - 4 所示。 j 帧起始1 仲裁场l 控制场l 数据场lc r c 场ia c k 场l 帧结束l 图2 4 m a c 数据帧 远程帧有6 个不同的场位，包括除数据帧中的数据场外的其他所有场位，另外仲裁场中 的r t r ( r e m o t et r a n s m i s s i o nr e q u e s t ) 位与数据帧不同，远程帧为“1 ”，数据帧为“0 ”。 m a c 远程帧的形式如图2 5 所示。 l 帧起始 仲裁场 控制场lc r c 场ia c k 场l 帧结束i 图2 5m a c 远程帧 2 1 3 报文传送及其帧结构 进行数据传送时，发出报文的单元称为该报文的发送器。该单元在总线空闲或去失仲裁 前恒为发送器。如果一个单元不是报文发送器，并且总线不处于空闲状态，则该单元为接收 器。 对于报文发送器和接收器，报文的实际有效时刻是不同的。对于发送器而言，如果直到 帧结束的最后一位一直未出错，则对于发送器报文有效。如果报文受损，将允许按照优先权 顺序自动重发送。为了能同其它报文进行总线访问竞争，总线一旦空闲，重发送立即开始； 对于接收器而言，如果直到帧结束的最后位一直未出错，则对于接收器报文有效。 构成一帧的帧起始、仲裁场、控制场、数据场和c r c 序列均借助位填充规则进行编码。 当发送器在发送的位流中检测到5 位连续的相同数值时，将自动在实际发送的位流中插人一 个补码位。数据帧和远程帧的其余位场采用固定格式，不进行填充。出错帧和超载帧同样是 固定格式，也不进行位填充。报文中的位流按照非归零( n r z ) 码方法编码，这意味着一个完整 位的位电平要么是显性，要么是隐性。 报文传送由4 种不同类型的帧表示和控制：数据帧携带数据由发送器到接收器；远程帧 通过总线单元发送，以请求发送具有相同标识符的数据帧；出错帧由检测出总线错误的任何 单元发送；超载帧用于提供当前数据帧的附加延迟。数据帧和远程帧借助顿间空间与当前帧 9 基于c a n 总线淡水鱼糜加工生产线控制子统的研究 分开。 本系统使用较多的报文是数据帧，它有标准帧( 1 1 位) 和扩展帧( 2 9 位) 两种格式，系 统使用其标准帧格式。 2 1 4 错误类型和界定 在c a n 总线中存在5 种相互并不排斥的错误类型。 ( 1 ) 位错误：向总线送出一位的某个单元同时也在监视总线，当监视到总线位数值与送 出的位数值不同时，则在该位时刻检测到一个位错误。 ( 2 ) 填充错误：在应用位填充方法进行编码的报文中，出现了第6 个连续相同的位电平 时，将检测出一个位填充错误。 ( 3 ) c r c 错误：c r c 序列是由发送器c r c 计算的结果组成。接收器以与发送器相同的方 法计算c r c 。如计算结果与接收到的c r c 序列不相同，则检出一个c r c 错误。 ( 4 ) 形式错误：当固定形式的位场中出现一个或多个非法位时，则检出一个形式错误。 ( 5 ) 应答错误：在应答间隙，发送器未检测到显性位时，则由它检出一个应答错误。 检测到出错条件的站通过发送错误标志进行标定。当任何站检出位错误、填充错误、形 式错误或应答错误时，由该站在下一位开始发送出错标志。当检测到c r c 错误时，出错标志 在应答界定符后面那一位开始发送，除非其它出错条件的错误标志已经开始发送。 在c a n 总线中，任何一一个单元可能处于下列三种故障状态之一：错误激活( e r r o ra c t i r e ) 、 错误认可( e r r o rp a s s i r e ) 和总线关闭。 检测到出错条件的站通过发送出错标志进行标定。对于错误激活节点，其为活动错误标 志：而对于错误认可节点，其为认可错误标志。 错误激活单元可以照常参与总线通信，并且当检测到错误时，送出一个活动错误标志。 不允许错误认可节点送出活动错误标志，它可以参与总线通信，但当检测到错误时，只有送 出认可错误标志，并且发送后仍被错误认可，直到下一次发送初始化。总线关闭状态不允许 单元对总线有任何影响( 如输出驱动器关闭) 。 为了界定故障，在每个总线单元中都设有两种计数：发送出错计数和接收出错计数。这 些计数按照下列规则进行( 在给定报文传送期间，可应用其中一个以上的规则) 【9 】： ( 1 ) 接收器检出错误时，接收器出错计数加l ，除非所检测错误是发送活动错误标志或 超载标志期间的位错误。 ( 2 ) 接收器在送出错误标志后的第一位检出一个显位时，接收器错误计数加8 。 ( 3 ) 发送器送出一个错误标志时，发送错误计数加8 。其中有两个例外情况：一个是如 果发送器为错误认可，由于未检测到显位应答或检测到一个应答错误，并且在送出其认可标 志时，未检测到显位。另一个是如果由于仲裁期间发生的填充错误，发送器送出个隐位错 误标志，但发送器送出隐位而检测到显位。以上两种例外情况下，发送器错误计数不改变。 ( 4 ) 发送器送出一个活动错误标志或超载标志时，它检测到位错误，则发送器错误计数 1 0 河海大学工学硕士论文 第二章c a n 总线控制系统总体设计及软硬件实现 加8 。 ( 5 ) 在送出活动错误标志、认可错误标志或超载标志后，任何节点都允许多至7 个连续 显位。在检测到第1 1 个连续显位后( 在活动错误标志或超载标志情况下) ，或紧随认可错误标 志检测到第8 个连续的显位后，以及附加的8 个连续显位的每个序列后，每个发送器的发送 错误计数都加8 ，并且每个接收器的接收错误计数也加8 。 ( 6 ) 报文成功发送后( 得到应答，并且直到帧结束未出现错误) ，如果发送错误计数器不 为0 ，则减1 。 ( 7 ) 报文成功接收后( 直到应答间隙无错误接收，并且成功地送出应答位) ，如果它处于 l 1 2 7 之间，则接收错误计数器减1 。若接收错误计数器为0 ，则仍保持为o 。而若大于1 2 7 ， 则将其值为1 1 9 和1 2 7 之间的某个数值。 ( 8 ) 当发送错误计数器等于或大于1 2 8 或接收错误计数器等于或大于1 2 8 时，节点为错 误认可。导致节点变为错误认可的错误条件使节点送出一个活动错误标志。 ( 9 ) 当发送错误计数器大于或等于2 5 6 时，节点为总线关闭状态。 ( 1 0 ) 当发送错误计数器和接收错误计数器两者均小于或等于1 2 7 时，错误认可节点再 次变为错误激活节点。 ( 1 1 ) 在检测到总线上1 1 个连续隐位发生1 2 8 次后，总线关闭节点将变为两个错误计数 器均值为0 的错误激活节点【l o l 。 当错误计数数值大于9 6 时，说明总线被严重干扰。它提供测试此：状态的一种手段，若系 统启动期间仅有一个节点在线，此节点发出报文后，将得不到应答，检出错误并重复该报文。 它可以变为错误认可，但不会因此关闭总线。 2 2 淡水鱼糜加工生产线控制子系统总体设计 完整的c a n 总线控制系统主要由以下几部分组成：c a n 通信子：系统、控制子系统、测 量子系统和设备管理子系统。此外还包括总线系统计算机服务模式、数据库、网络系统的硬 件与软件等。 其中，控制子系统的硬件主要由智能现场设备模块和生产线设备模块组成。智能现场设 备模块又由总线接口模块和节点控制模块组成，总线接口模块主要用于生产现场和测控主机 的信息交互；节点控制模块可以完成基本控制功能或协调控制功能，执行各种控制算法 1 t o 控制子系统的软件主要包括上位机管理软件、下位机控制软件、组态软件、维护软件、仿真 软件和设备管理软件等。 2 2 1 控制子系统结构设计 淡水鱼糜加工生产线控制子系统应遵循“集中管理，分散控制，数据共享”的原则，设 计选型要先进，安全可靠，经济合理，并能保证系统长期稳定高效的运行。 基于c a n 总线淡水鱼糜加工生产线控制予统的研究 控制子系统满足淡水鱼糜加工生产线系统运行管理和生产自动化的要求，即生产过程自 动控制和报警、自动操作、自动调节、提高运行效率、降低运行成本，对鱼糜加工生产线内 各设备工况等进行计算机实时监测，确保鱼麋加工成品鱼糜产量提高，品质达到标准。 由于c a n 采用多主站工作，并且总线最多可挂接1 1 0 个节点，因此系统中各功能模块都 可以直接挂接到总线上【1 2 , 1 3 1 。根据淡水鱼糜加工生产线系统既需要联机设备集中管理，又需 要单机设备分散实时控制的特殊要求，在设计过程中，把整个控制子系统分为两个部分，即 通信子系统和控制子系统。通信子系统在第一章已经做了简要介绍，这里主要介绍控制子系 统的开发过程。 淡水鱼糜加工生产线系统结构简图如图2 6 所示。 图2 - 6 基于c a n 总线淡水鱼糜加工生产线控制系统结构简图 控制子系统分为两层，即智能现场设备模块和生产线设备模块。按照淡水鱼糜加工生产 线的流程，把现场控制部分( 图2 6 ) 分为四大块：控制节点1 # 、控制节点2 # 、控制节点3 # 和控制节点4 # 。控制节点1 # 由智能现场设备模块i d l - 1 、i d i 一2 、i d l 3 、i d i - 4 组成，分别控 制采肉机( s y 2 0 0 ) 、漂洗槽1 ( p x c 6 0 0 ) 、鱼糜输送泵1 ( p y p 系列) 、喷淋筛l ( p l s - 4 7 3 ) ； 控制节点2 # 由模块i d 2 1 、i d 2 2 、i d 2 3 组成，分别控制漂洗槽2 ( p x c - 6 0 0 ) 、鱼糜输送泵 2 ( p y p 系列) 、喷淋筛2 ( p l s 。4 7 3 ) ；控制节点3 # 由模块i d 3 - 1 组成，用来控制精滤机( r e 2 0 0 ) ； 控制节点4 # 由模块i d 4 1 组成，用以控制脱水机( h x 3 0 0 ) 。 2 2 2 控制子系统的工作原理 图2 - 6 所示控制子系统的工作原理为：智能现场设备中各单元节点控制器对本单元所属 的各检测点进行巡回检测，并将检测数据按照c a n 总线协议标准发送给c a n 总线，让后由 河海大学工学硕士论文 第二章c a n 总线控制系统总体设计及软硬件实现 c a n 适配卡( 采用c a nr s 2 3 2 转换结构) 将数据信息经过转换后发给上位测控微机：并根据 操作者的指令或系统软件预先设定的控制程序，向各单元节点控制器发送控制命令，由单元 节点控制器对其所属生产线设备进行自动控制。若脱离上位测控微机，单元节点控制器将根 据软件设定的控制参数直接对生产线设备进行自动控制。需要手动操作时，操作者可通过单 元节点控制器上的小键盘对控制参数进行现场修改。该单元节点控制器就是控制子系统设计 的关键，在c a n 总线控制系统中，定义该单元节点控制为c a n 设备控制器【1 4 】。 2 3c a n 设备控制器的设计 早期的现场设备大多是一些常规的模拟仪表，它通过传感器或变送器检测物理信号并转 换成标准的4 2 0 m a 模拟信号进行传输。这种方式在检测环节中存在精度低、动态补偿能力 差、无自诊断功能的问题；在传输环节中存在着信号只能单向传输的问题。这两个问题从根 本上制约了整个控制系统向更高层次方向的发展【l 5 1 ”7 1 。 随着计算机及通信技术的发展，在控制现场使用的现场设备数量：大大增加，而且对现场 设备的技术要求也不断提高，使得现场设备越来越趋于数字化和智能化。这些现场设备内嵌 有微处理器，不但能够完成数字信号的通信和处理，还可以完成非电量信号检测、变换和放 大等模拟信号的处理，称这样的现场设备为“智能现场设备”。 智能现场设备采用的数字通信方式不仅大大提高了系统的检测精度，而且使现场设备抗 干扰能力也得到很大的改善。智能现场设备的结构如图2 7 所示。 图2 。7 智能现场设备结构图 图2 7 中，智能现场设备主要由主电路板、键盘显示控制器和辅电路板组成l l ”，是现场 总线控制系统中最底层，也是设计现场总线控制系统过程中必不可少的一个环节。在智能现 场设备的设计中是一个需要自行研制、且起关键作用的器件，即通用c a n 设备控制器。所 谓“通用”是指对于不同的智能现场设备所选用的设备控制器在硬件部分是一样的、通用的。 不同的检测和控制功能通过各自相应的软件来实现，其实质是编写不同的程序，写入存储器 中，这样不仅使设备层的检修较为方便，而且可以大大减少为保证系统正常运行所需设备控 制器的备份量，从而减少额外的费用，降低成本【l 列。c a n 设备控制器的结构主要由c a n 总 基于c a n 总线淡水鱼糜加r 生产线控制子统的研究 线接口电路、微处理器数据采控电路组成。c a n 设备控制器及时把现场采集到的智能设备的 1 ：作状态信息传递到c a n 总线上，测控主机或其它智能现场设备从c a n 总线上获得此信息 进而执行相应的操作；同时把主机发送到c a n 总线上的信息传送到各智能现场设备以使其 执行相应的命令。 2 3 1c a n 总线接口电路设计 在c a n 设备控制器的组成结构中，c a n 总线接口电路主要由c a n 通信控制器和总线 收发器两部分组成。c a n 通信控制器主要负责完成c a n 总线通信协议的物理层和数据链路 层功能，对外部微控制器而言，它相当于一个存储器i o 映像设备，其典型