（检测技术与自动化装置专业论文）基于canopen协议的可软件组态控制器的实现.pdf

摘要 摘要 现在的工业生产过程控制领域，越来越多的采用控制器模块加上数据采集模 块组成系统的方案来实现生产流程的自动化控制。这种构成控制系统的方案具有 功能强大、成本低、灵活度高等特点。其中，控制器模块是整个系统的核心，高 性能的控制器模块能采集更多的模拟和数字量，提供更多控制算法和更多回路的 闭环控制，提高了整个系统的性能。另外现场总线技术的发展，也为网络化控制 器的发展提供了契机。 根据控制器算法模块化和控制器网络化的发展要求，本文提出了一种基于填 表编辑组态序列，然后下载组态数据到控制器的方法来实现可软件组态控制器。 并且采用具有高度灵活性和可配置性的c a n 总线高层协议c a n o p e n 实现控制 器的通信功能。 填表编辑组态序列不仅可以灵活的根据需要组织组态序列，同时也降低了整 个系统开发的复杂度。通过c a n 总线下载组态数据到控制器实现可软件组态的 功能。 控制器具有现场总线通信接口已经是发展的趋势。在分析和比较了各种现场 总线的性能和实现途径后，控制器的现场总线通信协议确定为c a n o p e n 。课题 完成了c a n o p e n 协议栈在t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 上的集成，分析了控制器参数和过程 数据与c a n o p e n 对象字典索引的映射关系。 控制器软件采用多任务体系架构，课题完成了嵌入式实时操作系统i - l c o s i i 到t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 上的移植，在此基础上完成了控制器的软件开发。 通过实验测试，控制器表现出了柔性大、较高的采样精度和较好的控制效果 等优点，与c a n o p e n 主协议栈的连接测试表明控制器满足c a n o p e n 从节点的基 本功能。 关键词软件组态；c a n o p e n ；实时系统；现场总线；p c o s i i 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，m o r ea n dm o r es y s t e m ，w h i c h d a t as a m p l i n gm o d u l e ，i su s e dt o i m p l e m e n t i sc o n s i s t e do fc o n t r o l l e rm o d u l ea n d t h ea u t o m a t i cc o n t r o li nt h ef i e l do f i n d u s t r y t h i ss y s t e mh a st h ef o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ：p o w e r f u lf u n c t i o n ，l o wc o s t ， h i g hf l e x i b i l i t y t h ec o n t r o l l e ri st h ec o r eo ft h es y s t e m ，a n dh i g h e rp e r f o r m a n c e c o n t r o l l e rc a ns a m p l i n gm u c hm o r ea n a l o gi n p u t sa n dd i g i t a l i n p u t s ，c a np r o v i d e m u c hm o r ec o n t r o la r i t h m e t i c sa n dc o n t r o lm u c hm o r ec l o s e dl o o p s ，i na d d i t i o n ，c a n x m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m m o r e o v e r , t h ed e v e l o p m e n to ff i e l d b u s p r o v i d e sa l lo p p o r t u n i t yt on e t w o r kc o n t r o l l e r a c c o r d i n gt o t h et r e n d so fn e t w o r kc o n t r o l l e ra n dc o n t r o l l e rw i t h m o r e a l g o r i t h mm o d u l e s ，t h i sp a p e rp r o p o s e saw a yb yf i l l i n gi naf o r mo fc o n f i g u r e s e q u e n c ef i r s t l y , t h e nd o w n l o a d i n gc o n f i g u r ed a t ai n t od s pt o i m p l e m e n tt h e s o f t w a r e 。c o n f i g u r a b l ec o n t r o l l e r a tt h es a m et i m e ，c a n o p e n ，w h i c hi st h e a p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o lo fc a nb u sa n dp o s s e s s i n ge x c e l l e n t f l e x i b i l i t ya n d c o n f i g u r a t i o nc a p a b i l i t y , i sc h o s e na st h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo ft h ec o n t r o l l e r t h ew a y b yf i l l i n gi naf o r mo fc o n f i g u r es e q u e n c en o to n l ym a k e si tc o n v e n i e n c e t oe d i tt h e c o n f i g u r es e q u e n c e ，b u ta l s or e d u c e st h e c o m p l e x i t yo fs y s t e m d e v e l o p m e n t d o w n l o a d i n gt h ec o n f i g u r ed a t at ot h ec o n t r o l l e rt h r o u g hc a nb u sc a n a c h i e v et h ef u n c t i o no f s o f t w a r e c o n f i g u r a b l ec o n t o l l e r i t 。t r e n d st h a tc o n t r o l l e rw i t hf i e l d b u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 a f t e ra n a l y z i n g p e r f o r m a n c eo fk i n d so ff i e l d b u sa n dw a y st oa c h i e v e ，c a n o p e ni sc h o o s e nt ob et h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo fc o n t r o l l e r a f t e rt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h e c a n o p e n p r o t o c o ls t a c ka tt m s 3 2 0 f 2 812 ，c o n t r o l l e rp a r a m e t e r sm a p p i n gi n t oc a n o p e n o b j e c t d i c t i o n a r yi sa n a l y s i s e dt o o c o n t r o l l e rs o f t w a r e ，am u l t i - m i s s i o na r c h i t e c t u r e ，b a s e do nar e a l t i m e o p e r a t i n g s y s t e mi t c 0 s i i u n d e rt h ec o n d i t i o na tt r a n s p l a n t i n g “c 0 s i it ot m s 3 2 0 f 2 812 ， t h ec o n t r o l l e rs o f t w a r ei sf i n i s h e ds o o n t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ec o n t r o l l e rm o d u l eh a sh i g hs a m p l i n ga c c u r a c y g o o dc o n t r o le f f e c t i v e n e s sa n dh i g hf l e x i b i l i t y t h et e s tb yc o n n e c t i n gt h ec a n o p e n p r o t o c o ls t a c kt ot h ec a n o p e nm a i ns t a c kp r o v e st h ec o n t r o l l e rm e e t i n gt h eb a s i c f u n c t i o n so fac a n o p e ns t a c k k e y w o r d s s o f t w a r e c o n f i g u r a b l e ；c a n o p e n ；r e a l t i m es y s t e m ； f i e l d b u s ；p c o s i i i l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，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，也不包含为获得北京工业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已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景 1 1 1 控制仪表的发展 第1 章绪论 在早期的工业过程控制中，主要是把基地式仪表和部分单元组合式仪表( 多 是气动仪表) 作为过程检测控制器构成单输入单输出的系统，对温度、压力、流 量和液位这几种量进行控制和监视，控制的目的主要是保持这些量的稳定、确保 生产的安全。 随着电子技术的迅速发展，工业生产过程中出现了一个车间乃至一个工厂的 综合自动化，过程控制进入了一个新的阶段。这一阶段大量的采用单元组合仪表 和组装仪表( 这一阶段采用的仪表主要是模拟仪表，仪表之间通过标准的 4 , - - 2 0 m a 或1 - 5 v 的信号传送信息) ，同时结合计算机技术实现了直接数字控制 ( d d c ) 和设定值控制( s d c ) ，控制系统也由单变量系统转向多变量系统【lj 。 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 ) 的出现把工业控制的自动化 水平带入了一个新的阶段。集散控制系统即集中操作和管理、分散控制，是计算 机技术( c o m p u t e r ) 、通讯技术( c o m m u n i c a t i o n ) 和控制技术( c o n t r o l l e r ) 相结 合的产物【2 1 。在d c s 系统中开始采用以微处理器为核心的智能仪表，通过这种 智能仪表一方面采集底层模拟信号制的传感器信号，面通过数字通讯的方式相 互连接交换数据实现集中的管理。这一阶段中出现的智能仪表就支持组态功能， 通过对这些仪表进行组态，针对不同的控制对象用户可实现不同的控制方案。但 是集散控制系统在数字通讯这一级的通讯协议一般都是各个厂家自定义且不对 外开放的，所以想要在一个系统中使用不同厂家的设备几乎是不可能。 现场总线技术【3 】的出现和不断完善给工业过程控制领域又带来了新的变革。 安装在制造业( 断续生产过程) 或流程工业( 连续生产过程) 的现场装置与控制 装置( 一般位于控制室内) 之间的实现双向串行多结点通信系统称为现场总线。 现场总线也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络，其中协议的开放 性和控制的更加分散化是现场总线的两大特点。 现场总线技术【5 卅将专用芯片置入传统的现场装置，使它们都具有了数字计 算和据，通信能力，采用双绞线等多种传输介质作为总线，把多个现场装置连接 成网络系统，并按“公开”、“规范”的通信协议，将多个现场装置之间以及与远程 监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的控制系统。 北京工业大学工学硕士学位论文 现阶段，将支持现场总线的各种仪表、控制器和采集模块组合起来构成控制 系统即现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 的方案已被越来越多 的应用于工业控制系统中。由于现场总线控制系统具有其中的现场设备可以是不 同厂家的产品( 只要支持同一种现场总线) ；且系统构成不用像d c s 那样需要 一次就考虑到整个系统的构成，而是可以先组成一个较小的控制系统，然后根据 后期的需要再添加设备，很方便的实现系统升级等诸多优点，表现出了逐步取代 d c s 的趋势。 现场总线的最终国际标准( f d i s ) i e c 6 1 1 5 8 于2 0 0 0 年出台，它里面定义 了8 种类型的现场总线作为标准，没有真正的定义一个统一的标准。而基于不 同现场总线技术构成的f c s 又具有不同的体系机构，这点阻碍了f c s 的发展。 但是人们普遍认为f c s 将取代d c s ，带有通讯和控制功能的现场总线装置( 传 感器、执行机构、仪表等) 最终将取代模拟信号制的装置【卜引。 总之，随着电子技术和现场总线技术的不断发展，现阶段的控制器模块的功 能也是越来越强大的，一般需要具有以下几个特点： ( 1 ) 采用高性能的嵌入式单片机设计，运算速度大大提高，支持更多的控 制算法，可管理更多的采集模块； ( 2 ) 带有通讯接口，至少支持一种现场总线通讯协议，为各个不同厂家的 模块实现互联提供了接口： ，( 3 ) 内含有丰富的功能算法模块库，具有可软件组态的功能，通过提供的 组态软件可对其进行组态； ( 4 ) 组态软件易学易用，方便用户，组态手段丰富多样，可为表格输入方 式，也可以是图形输入方式； ( 5 ) 内置有大容量的存储芯片，可独立的完成存储采集的数据的任务； ( 6 ) 可靠性高，通讯接口和电源电路采取了一定的保护措施防止来自工业 现场的强干扰，带有看门狗电路，可防止因软件问题造成的死机。 1 1 2c a n 总线及c a n o p e n 高层协议 为了解决汽车内部众多控制器与测量设备之间的数据交换问题，德国 b o s c h 公司于1 9 8 6 年开发了一种新的串行数据通信总线一a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 总线【8 9 】。 由于c a n 总线使用了1 1 位的标识符，并通过位同步机制，迫使低优先级的报 文自动放弃对总线的驱动，实现了冲突避免机制。和基于冲突检测机制的现场总 线相比，c a n 总线的冲突避免机制保证了在高网络负载情况下的高总线有效使用 率，从而能够有效地支持分布式控制系统或实时控制系统，具有低成本、高可靠 性、高抗干扰能力和高实时性等特点。此后，于1 9 9 3 年颁布的i s 0 1 1 8 9 8 国际标准 第1 章绪论 为c a n 总线的规范化和应用系统设计铺平了道路。同时，各种基于c a n 协议的 高层协议开发使得c a n 总线功能更强，应用范围更广，不仅在汽车工业、过程控 制、数控机床和纺织机械等领域已取得广泛运用，而且正在向医疗、电力、海运 电子设备等方面发展。 然而，c a n 本身是一个底层协议，仅详细定义了物理层和数据链路层，本身 并不完整。很多复杂的应用问题需要更高层次的定义来解决。比如，c a n 数据帧 一次最多只能传送8 字节，而不能传输大于8 字节的长帧；c a n 只提供了非确认的 数据传输服务，而无法提供有确认的数据传输，等等。所以，c a n 协议允许各厂 商在c a n 物理层的基础上自行开发高层应用协议，以满足不同应用的需要。这种 做法使得c a n 能够灵活地运用到工业控制的各个领域，但是也造成了c a n 应用 层协议的不统一。 在这种情况下，1 9 9 2 年在德国成立了名为自动化c a n 用户和制造商协会 ( c i a ，c a ni na u t o m a t i o n ) 的非赢利组织。该协会制定并标准化了一系列的c a n 高层协议，并向其用户提供所有关于c a n 的标准、使用和测试的咨询服务。1 9 9 3 年，在c a n 的开发者德国b o s c h 公司的带领下，一个基于c a n 基本协议的 应用层协议规范a n o p e n 协议在欧盟的资助项目中设计并提出。 图1 - 1c a n 、c a n o p e n 标准在o s l 网络模型中的位置框图 f i gl 一1f r a m e w o r ko fc a na n dc a n o p e np r o t o c o li no s l n e t w o r km o d e l c a n o p e n 协议集定义了基于c a n 的分布式工业自动化系统的应用标准以及c a n 应用层通信标准。c a n o p e n 在发布后不久就获得了广泛的承认。尤其是在欧洲， c a n o p e n 被认为是在基于c a n 的工业系统中占领导地位的标准。c a n o p e n 协议 集基于所谓的“通信子集”，该子集规定了基本的通信机制及其特性。大多数重要 北京t 业大学t 学硕十学位论文 的设备类型都在称为“设备子集”的协议中进行描述。设备子集定义了不同类型的 标准设备及其相应的功能。依靠c a n o p e n 协议集的支持，可以对不同厂商的设 备通过总线进行配置【1 2 1 4 j 。 c a n o p e n 协议着重定义了应用层以及相关的通讯架构，详细内容包括对象字 典、网络管理、启动配置、各种传输对象的定义等等。 其中，对象字典是c a n o p e n 的关键，它保存了一个c a n o p e n 节点所有的配置 参数和通讯数据，也提供- c a n o p e n 应用层和用户程序交流的接口。正是由于对 象字典的存在，在c a n 总线上传输的报文不需要包含所传数据的格式定义、类型 与作用等附加信息，只需包含实际的数据。报文的接收端只需借助对象字典的帮 助，便可以解析c a n 报文内的信息，因为c a n 报文中的每一个比特都被对象字 典完全定义。所以，c a n o p e n 协议具有很高的数据传输效率。 网络管理和启动配置则体现 c a n o p e n 协议的灵活性。c a n o p e n 协议并不要 求在启动网络时预知网络中的所有节点信息。根据启动配置过程，c a n o p e n 网j 络 可以主动发现网络中的节点，并正确地检查和配置新节点。网络管理则提供了灵 活的节点维护机制。整个c a n o p e n 当中的所有节点都可以被其它节点监视和控 制，实现网络的动态管理。 各种传输对象则扩展了c a n 总线标准中对于标识符的定义。不同类型的通讯 对象完成不同的通讯任务，通讯任务的优先级则由标识符的优先级直接标识。对 象字典中对于不同通讯对象的配置则保证了该机制的高通讯效率。 总的来说，c a n o p e n 协议是一个具有高度灵活性和高通讯效率的c a n 应用 层协议。 当然，c a n o p e n 并不是唯一被c i a 认可的c a n 应用层协议。同样运用于c a n 网络的应用层协议还有s a ej 1 9 3 9 、d e v i c e n e t 、c a n k i n g d o m 和s d s 。它们各有 特点。s a ej 1 9 3 9 协议主要用于重型卡车控制系统，并使用了c a n2 0 扩展协议， 针对于重型卡车系统的通讯要求对标识符进行了重新定义，但是数据报文中包含 了数据的类型和格式信息，便于解析但是通讯效率不高。d e v i c e n e t 和c a n o p e n 类似，也具有相似的对象字典结构。不过d e v i c e n e t 的定义更为复杂和严格，有 严格层次定义，节点开发成本较高。c a n k i n g d o m 采用通用模块化的设计方法使 得各种模块都能很容易地接入c a n k i n g d o m 网络当中。s d s 适用于高效实时的系 统，采用标准的主从结构，由主控节点进行全权控制。 相比之下，c a n o p e n 是一个完全开放的协议，开发者可以免费获得协议授权， 支持c a n l 0 基本和c a n 2 0 扩展协议，支持从2 0 k b p s 至0 1 m b p s 的多种传输速率， 拥有和o s i 兼容的基本架构，具有高度的灵活性。相比d e v i c e n e t 协议，c a n o p e n 需要的代码量和运算量较小，特别适合于中小型的嵌入式系统【l 酬。 c a n o p e n 应用层协议在国外已有很多方面的应用，受到了足够的重视。 第1 章绪论 在欧洲，c a n o p e n 协议已被广泛的应用于医疗装置中，并进一步扩展应用 到保安控制系统中；在美国，c a n o p e n 协议已经成为装载机械和公共运输设备 的协议标准，同时也应用于嵌入式系统的控制。 在国内c a n 的应用层协议主要应用d e v i c e n e t ，很少用到c a n o p e n 。主 要是因为 ( 1 ) 目前工业届标准很多，而且都还在发展，这使得用户选择起来比较困难 ( 2 ) c a n o p e n 协议相当复杂，需要开发者有良好的软硬件基础，另外从头 研究的话，需要企业及相关研究结构有一定的耐心，而国内企业普遍 缺乏这种耐心 ( 3 ) 国内的总体技术水平还是偏低，一些先进技术的应用在国内不一定有良 好的市场这使得开发者也很犹豫 基于上述3 方面的原因使得c a n o p e n 应用层协议在我国的应用还处于初级 阶段，与国外比起来，国内在这方面的研究和投入都非常的有限。 1 1 3 嵌入式操作系统 由于硬件的限制，在使用m c u 设计嵌入式系统的初期，程序设计人员得到 的是只有硬件系统的“裸机”，没有任何类似于操作系统的软件作为开发平台， 对c p u ，r a m 等这些硬件资源的管理工作都必须由程序员自己编写程序来解 决，从而使程序员工作的十分辛苦，并使程序的开发效率极低。由于技术进步， 单片系统硬件的功能越来越强，为嵌入式操作系统的运行提供了条件。 嵌入式操作系统由运行、就绪、睡眠、挂起等状态组成，具有剥夺式优先级 任务调度和时间片轮转调度、单片机片内资源管理、中断管理、时钟管理等功能， 包含建立时间片、信号量p 操作、信号量v 操作等原语，数据传送借助实时数据库 的数据共享功能来实现。嵌入式操作系统实现了对硬件资源管理、硬件细节的信 息隐蔽和在任务级上对应用软件系统的支撑，并保证了该软件系统的并行设计、 并行调试和并行运行，使每个任务在设计、调试和运行中，完整使用全部单片机资 源而自动完成相互之间的协调和管理功能【l 7 1 。 嵌入式操作系统按应用范围划分，可分为通用型嵌入式操作系统和专用型嵌 入式操作系统。通用型可应用于多种应用环境，例如常见的w i n d o w sc e 、 v x w o r k s 、l 工c l i n u x 、q n x 、e c o s 及i _ t c o s 等：专用型嵌入式操作系统则用于 一些特定的领域，例如移动电话的s y m b i a n 、手持数字设备( p d a ) 的p a l mo s 等。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 2 课题的任务及意义 本课题是与企业合作课题“智能循环水处理控制器”的延续。在完成该课题 过程中发现过程控制现场的被控量个数多、参数复杂、控制回路多等特点，原有 固定的软硬件结构和接线在现场已经不能满足使用要求。结合现场的实际情况并 考虑现代控制器的发展趋势，决定开发可软件组态的网络控制器来解决实际遇到 的这些问题。 课题的任务是在以t i ( t e x a si n s t r u m e n t ) 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片作为主控 制器的硬件平台上实现可软件组态控制器，通信接口采用c a n o p e n 高层协议，整 个软件构架基于实时操作系统9 c o s i i 。 设计采用模块化的设计方案。控制器由采集模块、控制模块和输出模块构成。 这种方案结构简单、易于实现，而且采用模块化设计，特别适用于中小型的工业 生产过程控制中。其中，采集模块负责采集现场的模拟量和开关信号；控制模块 将采集到的数据按照用户的组态序列进行运算处理：输出模块将控制模块的运算 结果输出到相应的模拟或者数字输出通道上，同时通过c a n o p e n 协议与 c a n o p e n 主协议栈进行交互。 控制器模块在整个控制系统中起着重要的作用，软件组态和c a n o p e n 的通 信功能都是由这个模块实现的。因此本课题开发出性能稳定、功能强大的控制器 模块具有一定的现实意义。另外c a n o e p n 协议在国内还处于研究阶段，特别是 在控制器方面，本课题也是对c a n o p e n 协议在控制器方面的应用作一些初期的 探索。 1 3 论文结构 本文将按照如下的方式展开： 第二章将介绍可软件组态的实现方法。包括上位机和d s p 两部分。组态序 列的编辑、下载，以及组态数据c a n 报文的编码和解析。 第三章将首先介绍c a n o p e n 通信协议，分析集成c a n o p e n 协议栈的可行性， 最后介绍c a n o p e n 协议栈在控制器中的集成的过程和功能测试。 第四章将介绍控制器的软件构架。控制器软件基于实时多任务操作系统 “c o s i i ，介绍了p c o s i i 在t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 上的移植，分析了每个任务的功能 以及任务之间的同步等。 第五章将对控制器的功能和控制性能进行实验验证。通过控制水箱液位的实 验来测试控制器的可软件组态和c a n o p e n 的功能以及控制性能。同时对实验结 果进行分析和总结。 第2 章软件组态的设计 第2 章软件组态的设计 2 1 组态和软件组态 组态的概念最早来自英文“c o n f i g u r a t i o n ”，含义是使用软件工具对计算机及 软件的各种资源进行配置，达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行特定任 务，满足使用者要求的目的。目前世界上的组态软件有近百种之多。国际上知名 的组态软件有美国商业组态软件公司w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h 、r o e k w e l l 公 司的r s v i e w 3 2 、信肯通公司的t h s n k & d o 、德国西门子公司的w i n c c 等。国内 的组态软件起步也比较早，目前实际工业过程中应用较广的有北京昆仑通态自动 化软件科技有限公司的m c g s 、北京三维力控科技有限公司的力控、北京亚控科 技发展有限公司的组态王以及台湾研华的g e n i e 等【4 j 。 组态软件是基于功能模块库加组态序列来实现的，可满足种类繁多的自动化 行业和各种各样的应用需求。组态序列是每个特定的处理周期中应用软件所需完 成的功能集合和模块之间的消息传递序列，也是功能的选择和按前后顺序方式运 行的组织形式。组态软件原理结构如组态软件的中心是组态序列和实时数据库。 当某一功能模块响应组态序列呼叫为应用任务服务时，首先从功能模块库中调用 该模块，然后按该模块定义的数据接口从实时数据库中获取数据，在模块内部完成 相应的操作、运算等处理后，再将其结果按定义的数据接口送回到实时数据库中 去。如图2 1 所示。 图2 1 组态软件功能框图 f i g2 - 1f r a m e w o r ko fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e 组态软件用于建立控制策略，在组态被下载到执行功能块的设备之前，组态 7 - 北京工业大学工学硕士学位论文 软件还检查组态的一致性。整个现场总线网络的组态可以一下子下载下去，如果 网络上新添一个设备，则只需要下载该设备的组态，而不会影响总线上其他设备 或干扰控制，只有与它相关的那部分组态下载到该设备中。 通常组态软件允许用户在线或离线修改控制策略。“离线”指组态修改只存 在于数据库中，而没有存入设备。一旦离线组态完成，就可以下载到设备中。由 于在线修改直接针对设备，出于安全方面的原因，一般局限于对参数值的改动。 系统组态是指按设计人员的要求，利用各种支持软件组态的设备和组态软件 提供的各种功能算法模块，通过组态的方法，将这些设备和设备中的功能算法模 块按一定的规律联系起来，从而构成一个控制系统来实现特定的控制作用，达到 一定的控制目的。系统组态可概括的分为硬件组态和软件组态，硬件组态是对整 个系统的硬件进行配置，如确定系统的规模、工作站数量、i 0 及分散处理单元 的数量( 对d c s 而言) 、网络配置、配置所需要的驱动程序等。软件组态是指按需 要对系统中的应用软件进行设定。如配置数据库( 包括实时数据库和历史数据 库) 、分配工位号、控制系统组态和人机接口界面的编辑等。 系统组态要求对现场具体的各种设备进行设置，这决定了系统组态的软件一 般都是和特定的采集、控制设备挂钩。一般来说都是各个公司针对自己的工业控 制器和其他设备，制作自己的组态软件，来实现系统组态的功能。如北京和利时 的s m a r t p r o 就是和利时公司为自己的工业现场设备开发出来的一套大型综合的 组态控制系统。 系统组态的实现方法较多，一般有表格编程、梯形图输入、顺序功能图输入 和功能块图输入等方法。表格式编程的方法是提供用户几个基本的表格，如模块 运行表、输入输出处理表、运算模块连接关系表和基本设置表等，通过填写这些 表格将各个功能算法按一定的规则“连接”起来，即进行组态以实现预定的控制任 务。将这些表格数据翻译为硬件设备( 我们这里是控制器模块) 可识别的控制指 令流，下传到硬件设备的存储器中让其依照表格数据运行即完成了整个组态的工 作。 网络组态包括为链路设备和通信端口分配网络以及设备通信参数。设备组态 包括选择设备和设置执行机构类型、传感器类型、连接等。控制策略组态包括链 接和配置功能块【2 9 1 。 本课题的控制器模块的可软件组态功能实际上也是一种系统组态，只不过是 组态的对象由众多的设备缩小为单一的控制器模块。除了要硬件设备支持外，上 位机上还要能提供基本的组态手段。由于梯形图输入和功能图输入等图形输入的 组态手段实现起来比较复杂，开发周期也比较长，所以这里选用了表格式编程的 方法来作为实现组态功能的手段。 第2 章软件组态的设计 2 2d s p 上软件组态的设计 2 2 1 控制器硬件平台介绍 本设计采用的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是t i 公司c 2 0 0 0 系列中性能最高的定点3 2 位处 理器，主频高达1 5 0 m h z ，完全可以满足高复杂度和高实时性的控制要求。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 具有以下片内外设资源【4 2 】： 最多达1 2 8 k x l 6 位的片上f l a s h 三个3 2 位c p u 定时器 8 通道1 6 位p w m 1 6 路1 2 位模数转换接口，但通道最快转换周期2 0 0 n s 5 6 个可配置的通用i o 引脚( g p i o ) 4 0 + 8 5 的工作温度 控制器模块主要由输入信号调理部分、d s p 运算控制部分和输出信号调理 部分组成。输入和输出信号都是经过调理后的标准信号( 4 2 0 m a 或者1 - 5 v ) 。控 制器整体框图如下所示： 图2 2 控制系统整体框图 f i g2 - 2f r a m e w o r ko fc o n t r o ls y s t e m 传感器信号经过信号调理之后转换为4 - - , 2 0 m a 的电流输入，通过a d 进行采 样，因为2 8 1 2 片上有1 6 路1 2 位的a d ，可以满足过程控制精度要求，所以直接采 用其中的1 0 路作为a d 输入。2 8 1 2 没有d a 输出所以利用s p i # b 扩w a 转换芯片 m a x 5 2 5 0 b 产生四路d a 输出，再结合d s p 产生的p w m 信号经过调理后实现另外 的6 路d a 输出，这样就共有1 0 路的d a 输出，然后再把模拟信号进行调理和电压 转电流都变换成4 2 0 m a 的电流信号。控制器还有8 路的数字输入和输出，8 个按 键输入来实现其它的控制功能。 北京工业大学工学硕士学位论文 表2 - 1 控制器输入输出通道 t a b2 ，li n o u tc h a n n e l so fc o n t r o l l e r 信号通道总数取值 模拟输x ( a i ) 1 0 4 一- 2 0 m a ( 1 5 v ) 模拟输出( a o ) 1 0 4 - 2 0 m a ( 1 5 v ) 数字输入( d i ) 80 1 数字输出( d o ) 80 1 按键输入( k i ) 8 o 1 2 2 2t m s 3 2 0 f 2 8 12 的增强型c a n 模块 c 2 8 系列d s p 继承了增强型的c a n 总线通信接口，该接口与c a n 2 0 b 标准接 口完全兼容。概括起来，2 8 1 2 的e c a n 模块具有以下功能【3 8 】： 支持兼容的c a n 2 0 b 协议 最高支持1 m b p s 的总线通信速率 3 2 个报文邮箱，每个邮箱具有以下特点 接收邮箱或发送邮箱可配置 标准或扩展标志可配置 夺一个可编程接收滤波器屏蔽寄存器 支持数据帧和远程帧 数据长度0 8 个字节可编程 在接收和发送消息时，使用3 2 位分时邮递 保护消息的接收 发送消息的极性可编程 采用两个中断级的可编程中断 夺在发送或者接收超时，使用可编程中断 低功耗模式 可编程总线唤醒 在仲裁丢失时自动重发 自动应答远程请求信息 在仲裁或错误丢失信息时，自动重发 可以通过特定的信息与3 2 位定时邮递计数器同步 第2 章软件组态的设计 c a n h c a m ， 图2 3t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的e c a n 模块 f i g2 - 3e c a nm o d u l eo f t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 处理器的c a n 控制器为c p u 提供完整的c a n 协议，减少了通 信时c p u 的开销。c a n 协议内核主要完成两个功能：根据c a n 协议对c a n 总线 上接收到的消息进行解码，向接收缓冲器发送解码后的信息；c a n 协议内核的另 外一个功能是根据c a n 协议在c a n 总线上传送信息。 消息控制器对c a n 协议内核接收到的消息进行判定，决定留给c p u 使用还是 丢弃，在初始化时，c p u 通过应用程序设置所有消息的标识符。消息控制器根据 消息的极性将下一个消息发送到c a n 协议内核( c p k ) 。 2 2 3 算法模块编码规则 用户通过运行在上位机( p c ) 的组态序列编辑软件编辑好组态序列后，就 通过c a n 通信的方式，将组态数据下载至u d s p 。因为c a n o p e n 没有关于组态这方 面的通信子协议的规定，所以传输组态数据使用c a n 报文格式进行发送，而且也 没有必要为组态数据制定c a n o p e n 协议规范，因为每个设备提供商的实现方式是 不同的。 在d s p 上已经实现了包括输入输出在内共2 0 个算法模块，每个算法模块都归 一化为两个输入和一个输出，这些算法模块都保存在一个函数指针数组里面，方 便对算法模块进行调用。 北京工业大学工学硕士学位论文 t y p e d e fl o n g ( 串f u n ) ( i n t ，i n t ) ； f u nf u n m o d u l e 1 6 ； f u n m o d u l e 0 】= a d d ； f u n m o d u l e 1 】= s u b ； f u n m o d u l e 2 】= m u l ； f u n m o d u l e 3 】2 a b s v ； f u n m o d u l e 4 】= m a x _ a ； f u n m o d u l e 5 = m i n _ a ； f u n m o d u l e 6 】2 c m p ； f u n m o d u l e 7 】= a n d ； f u n m o d u l e 8 】= o r ； f u n m o d u l e 9 】= n o t ； f u n m o d u l e 10 = x o r ； f u n m o d u l e 11 = p i d _ f u n c t i o n ； f u n m o d u l e 12 = h i m ； f u n m o d u l e 1 3 = l l m ； 这些算法模块如下： 声明函数指针数组类型 实例化一个函数指针数组 包括p i d 和模糊p i d 上限幅 下限幅 表2 - 2 算法模块 t a b2 - 2a l g o r i t h mm o d u l e s 输 是否可 入 算法模 算法 d s p 中实现中参 输出以用户 模块算术表达式参数配置第 块名称的函数名数 编号个数二个参 个 数 数 加法lw o = m l + w 1 2 a d d2ly 减法2w o = w i l - w 1 2s u b 21y 乘法3 w o = w i l 奉w 1 2m u l2ly 绝对值4 w o = i w l l a b s v11n 返回较大值5 w o = m a x ( w i1 ，w 1 2 ) m a xa21y 返回较小值 6 w o = m i n ( w i1 ，w 1 2 ) m i na2ly 比较 7i f ( a b ) o u t ：le l s eo u t ：0 c m p 2ly 与8 b o = b i l & b 1 2a n d21y 或9 b o = b 1 1ib 1 2o r21y 非 1 0b o = n o tb i ln o t11n - 1 2 第2 章软件组态的设计 异或 1 1b o = b i lx o rb 1 2x o r2ly 普通p i d 1 2 y = p i d _ f u n c t i o n ( a , b )p i d f u n c t i o n 21y 模糊p i d1 3 y = f p i d _ f u n c t i o n ( a , b ) f p i d _ f u n i c a t i o n 2 1 y 上限幅1 4 i f ( a b ) b o = be l s eb o = a h l m21y 下限幅 1 5 i f ( a s e t v a l ) f l a g = 1e l s e 上限报警1 6 h a i m2ly f l a 9 2 0 i f ( a s e t v a l ) f l a g = le l s e 下限报警1 7l a i m 2ly f l a g = 0 s p e c 开关输入d i d i g i t a l l n 8 0 i a l o s p e e 开关输出 d o d i g i t a l o u t o8 i a l l s p e c 模拟输入 a i a n a l o g l n 1 0o i a l 2 s p e c 模拟输出a o a n a l o g o u t 01 0 i a d s p e c 按键输入 k i k e y l n 80 i a l 4 表2 2 中“算法模块名称 为该算法模块的名称；“算法模块编号”为该算 法模块在d s p 代码中的编号，也就是在函数指针数组中的编号，组态数据直接引 用这个编号；“算术表达式”为算法模块的数学表达式，“d s p 中实现的函数名 为该算法模块在d s p 代码中的功能函数名，也就是函数首地址；“输入参数个数 为相应模块运算时需要输入参数的个数，这里列出的是该模块实际的输入参数个 数，但由于对所有的模块输入都归一化