现场总线控制系统设计

现场总线控制系统设计第一页，共29页。现场总线系统设计过程1

现场总线系统设计原则2

现场总线网络与控制设计3

软件设计4现场总线系统运行、维护

第二页，共29页。现场总线设计原则

现场总线系统设计要保证系统运行的可靠性。在特殊的场合，总线系统要采用屏蔽、防爆、甚至要求有冗余备份。

保证系统实时性、多任务、和多回路分布特性。

1保证系统设备的互联、互操作和互换性

2

考虑如:网络节点数、节点的位置分布、总线速率和传输能力。

考虑如:总线设备之间遵从的协议;考虑网络的升级和设备替换。第三页，共29页。现场总线设计原则

现场总线系统设计要保证系统运行的可靠性。在特殊的场合，总线系统要采用屏蔽、防爆、甚至要求有冗余备份。

充分考虑监控和通信软件的功能

3兼顾设计的先进性和经济性

4

现场总线系统设备厂家一般可提供给用户相应的系统软件。

设计实际监控系统时，要在系统先进性和经济性上折中考虑。第四页，共29页。现场总线网络与控制设计网络设计主要考虑因素

现场仪表设备分布情况

控制任务执行设备的选择和安装地点

服务器、工作站设备的选择和地点

布线系统设计，如走向、拓扑、介质

确定通信网络模块设备第五页，共29页。现场总线网络与控制设计

选用现场总线技术的原因-时代及技术进步的要求；-彻底分散控制，提高系统的可靠性；-提高整个系统的智能化水平；-大幅度节约系统成本的要求。第六页，共29页。系统设计—前期准备1.总线选择(1)现场总线的类型

根据具体的情况选择相应的现场总线；考查该现场总线的先进性；调研该现场总线的市场占有率；考查该现场总线的技术和服务。(2)冗余要求

对于有冗余要求的控制系统，应选择具有冗余功能的电源、主站、从站、耦合器、光缆等设备。(3)本质安全要求(4)系统实时性要求第七页，共29页。系统设计—前期准备2.系统控制点数确定

系统控制点主要类型包括：开关量输入点、输出点和模拟量输入点、输出点。更重要的是知道每个从站的控制点数。3.主站选择主站有三种：①可以插入人工控机中的现场总线主站模块；②集成有主站功能的大中型PLC;③集成了主站功能和商用计算机功能的一体化嵌入式超小型IPC。第八页，共29页。系统设计—前期准备4.从站选择包括：从站数量的选择；I/O模块的类型和数量选择。5.系统软件选择包括：系统软件选择；系统应用软件选择；编程软件选择。6.电缆选择

针对不同的使用场合和不同的性能要求要选择的电缆也不同。要选择使用标准的、经过认证的现场总线电缆。7.系统分析、诊断工具选择第九页，共29页。系统设计—系统设计与调试1.控制系统设计

系统设计包括硬件系统设计和软件系统设计。（1）硬件系统设计

包括主站控制柜、从站控制柜、电缆走线、主站和从站外围电器线路等整个现场总线控制系统硬件部分的设计和抗干扰措施的设计。现场总线控制系统的硬件设计包括：电气控制系统原理图的设计、电气控制元器件的选择和控制柜的设计。第十页，共29页。系统设计—系统设计与调试（2）软件系统设计

软件系统设计主要指编制主站控制程序，如果需要的话，还可能要编制从站的独立控制程序。2.控制系统的调试控制系统的调试包括：现场调试和模拟调试。第十一页，共29页。软件开发组态1.监控软件开发

监控软件可以为过程控制优化建立和组态自己的用户界面。开发工具可以绘制各个生产或者工程监控画面，利用控件组态建立各种控制、显示框、动画、声音等来对整个生产过程动态实时的显示运行状态。2.系统和设备组态

组态就是把已经准备好的不同子系统或功能单元进行组合，使整个系统或单元达到用户要求的整体应用效果和功能状态。组态是构造整个网络控制系统的核心部分。第十二页，共29页。系统运行、维护1.系统设备调试

检查设备：运行监控软件，在线监视设备的通信状态是否正常；检查位号和量程：各节点位号和量程应与实际一致;检查PID的作用方式和调节阀的动作方向；检查UPS自动切换功能。2.系统测试运行

软件代码的下载测试包括PLC程序和上级监控软件程序;

网络系统通信功能测试;

实际现场总线控制系统的起动，低水平运行;

逐步投运全部功能;第十三页，共29页。2.5

温室监测CAN总线控制系统

物联网控制基础

InternetofThing第十四页，共29页。系统总体设计

基于CAN总线的温室监测系统主要由上位机监控中心和各网络监测节点组成。上位机采用通用的PC机，上位PC机采用CAN/232智能CAN接口卡与网络上的各个监测点进行通信，负责对整个系统中的监测节点进行监控，发送控制命令和一些参数配置信息，并接收来自各个节点的状态信息和测量数据，监视温室的环境参数，及时的改善生长条件，同时将上位机接入到Internet。监测节点主要由采集模块、主控制模块和通信模块组成。第十五页，共29页。系统总体设计

基于CAN总线的温室监测系统总体结构图如图所示：第十六页，共29页。监测节点设计

监测节点的设计采用德州仪器公司生产的MSC1210Y5作为主控制器。其特性如下：

处理器内核：集成了一个增强型8051内核；

时钟周期：33MHz；

工作电压：2.7V~5.25V；

程序存储器：32K的Flash；

静态存储器：112KB的SRAM;

A/D:八通道24位高精度A/D转换器；内置1~128倍可编程增益放大器和温度传感器；含有3个16位的通用定时/计时器，21个中断源和一个串行外围接口SPI。

第十七页，共29页。监测节点设计

温室农作物主要受到环境中的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度、土壤湿度和PH值等因素的影响。通过传感器对这些参数因子进行定时测量，并通过主控制器内置的模拟信号处理电路对采集到的信号进行调整处理，由通信接口传输到上位机。通信接口部分采用具有SPI接口的独立CAN控制器MCP2510和收发器PCA82C251，实现与CAN总线的数据通信。

第十八页，共29页。监测节点设计

监测节点的原理图：第十九页，共29页。通信系统硬件设计独立CAN控制器MCP2510

美国微芯科技有限公司生产的MCP2510是一款控制器局域网络(CAN)协议控制器,完全支持CAN总线V2.0A/B技术规范。

MCP2510能够发送和接收标准和扩展报文。它还同时具备验收过滤以及报文管理功能。该器件包含三个发送缓冲器和两个接收缓冲器，可编程设置优先级，六个接收过滤器和两个屏蔽器，减少了单片机(MCU)的管理负担。第二十页，共29页。通信系统硬件设计MCP2510引脚介绍第二十一页，共29页。通信系统硬件设计收发器PCA82C251

PCA82C251是CAN协议控制器和物理总线之间的接口。这个器件向总线提供了差动的发送能力，向CAN控制器提供了差动的接收能力。第二十二页，共29页。通信系统硬件设计通信接口硬件电路图第二十三页，共29页。通信系统软件设计1.CAN总线通信协议的制定MCP2510支持CAN2.0B技术规范中所定义的标准帧和扩展帧格式。考虑到本系统主要面向中小型规模，则采用标准帧格式。第二十四页，共29页。通信系统软件设计在CAN2.0B技术规范中只定义了帧的结构，没有定义发送和接收的相关信息，因此需要根据自身的需求，重新定义标识符的含义。本系统设计采用了帧优先原则和源/目的地址方案。第二十五页，共29页。通信系统软件设计2.初始化

正常运行之前，必须对MCP2510控制器初始化，而进行初始化必须在配置模式下，只有在配置模式下，才能配置位定时寄存器，设定相同的通信波特率和位长度等。根据通信协议，初始化滤波寄存器和屏蔽寄存器，来校验待接收报文的标识符；使能中断，设置各发送缓冲器的优先级。配置完成后重新设置工作模式设定为REQOP，进入正常的工作模式，进行数据传输。第二十六页，共29页。