基于组态的CAN总线温度控制系统设计 2.docx

基于组态的CAN总线温度控制系统设计 2.docx

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基于组态的CAN总线温度控制系统设计2

基于组态的CAN总线温度控制系统设计

院系：

电气信息工程学院

专业：

自动化11-01

姓名：

黄俊龙

学号：

541101010115

目录

1概述1

1.1温度控制的发展状况1

1.2温度控制完成的功能2

2方案设计3

2.1iCAN-6202模块简介3

2.2热电偶5

2.3iCAN-2404模块8

2.4CAN接口卡11

3CAN总线技术基础与温度控制系统的基本原理13

4基于MCGS的HMI设计17

4.1人机界面17

4.2人机界面产品的组成及工作原理17

4.3人机界面产品的特点18

5人机界面设计19

6心得体会21

7参考文献22

基于组态的CAN总线温度控制系统设计

1概述

温度是日常生活中无时不在的物理量，温度的控制在各个领域都有积极的意义。

很多行业中都有大量的用电加热设备，如用于加热的电烤箱，用于融化金属的坩埚电阻炉及各种不同用途的温度箱等，采用单片机对它们进行控制步进具有控制方便、简单、灵活性大的特点，而且还可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量。

因此，智能化温度控制技术正被广泛地采用。

本温度设计以CAN总线为基础，采用iCAN模块采集和控制信号。

iCAN模块集成了转换电路、单片机、CAN控制器、CAN接发器等，其中转换电路包括I/V（V/I）电路，ADC（DAC）。

CAN模块的采用，大大地使接线简单化。

1.1温度控制的发展状况

随着社会的发展，科技的进步，以及测温仪器在各个领域的应用，智能化已是现代温度控制系统发展的主流方向。

特别是近年来，温度控制系统已应用到人们生活的各个方面，但温度控制一直是一个未开发的领域，却又是与人们息息相关的一个实际问题。

针对这种实际情况，设计一个温度控制系统，具有广泛的应用前景与实际意义。

温度是科学技术中最基本的物理量之一，物理、化学、生物等学科都离不开温度。

在工业生产和实验研究中，像电力、化工、石油、冶金、航空航天、机械制造、粮食存储、酒类生产等领域内，温度常常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一。

比如，发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内；许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行；炼油过程中，原油必须在不同的温度和压力条件下进行分馏才能得到汽油、柴油、煤油等产品。

没有合适的温度环境，许多电子设备就不能正常工作，粮仓的储粮就会变质霉烂，酒类的品质就没有保障。

因此，各行各业对温度控制的要求都越来越高。

可见，温度的测量和控制是非常重要的。

CAN总线在工业生产中的应用已经越来越广泛，在很多的工业生产过程控制中也用到了温度检测和温度控制。

随着温度控制器应用范围的日益广泛和多样，各种适用于不同场合的智能温度控制器应运而生。

1.2温度控制完成的功能

本设计是针对温度进行实时检测与控制，设计的温度控制系统实现了基本的温度控制功能：

当温度低于给定值时，系统自动启动加热继电器加温；当温度高于给定值时，系统自动关闭继电器加温。

2方案设计

本设计采用一只iCAN-2404继电器功能模块，一只iCAN接口卡和一只iCAN-6202热电偶模块。

其系统框图如图1所示。

图1温度控制框图

2.1iCAN-6202模块简介

iCAN-6202热电偶模块用于温度采集。

iCAN-6202模块具有2路热电偶输入通道，iCAN-6202模块还提供2路数字量输出，这2路数字量输出既可用于指示模块工作状态也可由用户自行控制。

a）iCAN-6202模块基本参数

●单电源供电，供电电压：

＋10V~＋30VDC；

●热电偶输入通道数：

2路；

●数字量输出通道数：

2路，可独立配置为输入通道状态指示模式或用户控制模式；

●输出通道类型：

集电极开漏输出，最大负载电压＋30V，最大负载电流30mA；

●支持的热电偶类型及测温范围：

J型-210℃~1200℃、K型-200℃~1370℃、E型-100℃~1000℃、T型-200℃~400℃、N型-200℃~1300℃、B型650℃~1800℃、R型0℃~1750℃、S型0℃~1760℃；

●温度值分辨率：

0.1℃；

●热电偶冷端补偿精度：

±1℃；

●转换速率：

4次/秒（2通道/次）；

●定时循环传送时间间隔：

最小值10毫秒、最大值2.55秒；

●温度超限报警。

b）iCAN-6202模块接口说明（图2）

图2iCAN-6202模块接口示意图

c）iCAN-6202原理框图（图3）

图3iCAN-6202模块原理框图

2.2热电偶

a）热电偶输入原理

热电偶由两个焊接在一起的异金属导线（以形成两个节点）所组成，结点之间的温差会在两根导线之间产生热电势（即电压），电压大小取决于组成热电偶的两种金属材料。

国际电工委员会（IEC）推荐了八种类型的热电偶作为标准化热电偶，它们分别为J、K、T、E、N、B、R、S。

热电偶结构图如图4所示。

在使用热电偶测量温度时，还要求采用冷端补偿技术。

因为热电偶的输出电压以0℃时的参考结点的温度来定义。

图4热电偶结构图

根据测量温度范围不同，热电偶分为7种规格：

一用于高温测量的K型，N型是可用于替换K型的新型号热电偶；二是用于中温测量的E型（-200~＋800℃）和J型（-200~＋750℃）；三是用于低温测量的T型（-200~＋350℃）；四是用于超高温测量的B型（＋500~＋1700℃），R型（0~＋1600℃），S型（0~＋1600℃）。

b）热电偶输入控制原理

热电偶测量模块测量的数据为热电偶的电压值，通过将测得的电压换算为相对应的温度，从而获得所要测量的温度值

在iCAN-6202温度测量模块中，通过高分辨率的ADC直接将热电偶的输出数字化，通过软件实现线性化和校准。

热电偶测量原理如图5所示。

图5热电偶测量原理框图

c）热电偶测量冷端补偿

热电偶的输出电压以0℃时的参考结点的温度来定义，所以在使用热电偶测量温度时，还要求采用冷端补偿技术。

在iCAN-6202模块模块中，采用热敏电阻测量冷端温度。

d）热电偶输入的接线

热电偶的接线方法很简单，直接将热电偶输入信号正端连接到模块的SEN＋端，输入信号负端连接到模块SEN－端即可。

热电偶接线图如图6示。

图6热电偶接线图

e）数字量输出原理

晶体管输出等效电路（图7）。

图7晶体管输出等效电路

f）输出信号

输出信号内部等效电路（图8）。

图8输出信号内部等效电路

g）数字量输出信号的接线

数字量输出信号接线（图9）。

图9数字量输出信号接线

输出信号驱动继电器（图10）。

图10输出信号驱动继电器接线图

2.3iCAN-2404模块

iCAN-2404功能模块提供继电器输出通道，模块具有4路具有自保持功能的继电器输出通道。

为防止继电器切换引起的干扰，iCAN-2404模块的继电器输出通道与控制部分采用了光电隔离措施。

a）iCAN-2404模块基本参数

●单电源供电，供电电压：

＋10V~+30VDC；

●输出通道数：

4路；

●触点形式：

2a或2b（触点输出状态自保持）；

●触点控制：

“1”吸合，“0”断开；

●导通时间：

6ms；

●断开时间：

4ms；

●触点容量：

DC：

24VDC/1A；AC：

220VAC/0.5A；

●触点寿命：

5×105；

●隔离电压：

1000VDC（信号输入）；

b）iCAN-2404模块接口说明（图11）

图11iCAN-2404模块接口说明

c）iCAN-2404原理框图（图12）

图12iCAN-2404原理框图

d）继电器输出原理

继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。

故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

电磁继电器是我们最常用的一种继电器。

电磁继电器等效示意图如图13。

图13电磁继电器等效示意图

e）iCAN-2404输出状态定义

在iCAN-2404模块中，对于继电器输出导通和断开的信号定义如表1示。

表1继电器信号状态图

输出状态

继电器开关状态

状态1

继电器输出开关闭合

状态0

继电器输出开关断开

f）iCAN-2404输出连接

iCAN-2404继电器与输出端口连接（图14）。

图14iCAN-2404继电器与输出端口连接图

g）继电器输出的接线方式

iCAN-2404输出端口的接线方式（图15）.

图15iCAN-2404输出端口的接线方式

2.4CAN接口卡

本设计中的接口才采用USBCAN-Ⅱ（图16）。

USBCAN-Ⅱ双路智能CAN接口卡是与USB总线兼容的CAN-bus数据转换卡，通过USB电缆与PC进行连接。

可应用于CAN-bus实验室、工业控制、智能楼宇等CAN-bus应用领域，进行CAN-bus网络数据分析、处理；也可单独用作CAN-bus网络的网关、网桥，构成不同层次网络中的数据转换系统。

同时，USBCAN智能CAN转换卡可作为开发模块直接嵌入到用户产品。

USBCAN-Ⅱ双路智能CAN接口卡集成有2个CAN通道、1路USB接口，是CAN-bus产品开发、CAN-bus数据分析的有力工具，因为具有体积小，即插即用等特点，也是便携式系统用户的最佳选择。

图16USBCAN-Ⅱ双路智能CAN接口卡

　　USBCAN智能CAN接口卡采用SMD表面贴装工艺、四层电路板技术，抗干扰能力强，非常适合在长期工作环境下使用。

而且，具有体积小巧、即插即用等特点，也是便携式系统用户的最佳选择。

　　USBCAN-Ⅱ双路智能CAN接口卡提供广泛和强大的软件支持。

这些软件支持包括通用的ZLGVCI驱动程序接口，自动实现安装，支持在VC++、C++Builder、Delphi和VB等开发环境下进行设计，可适合不同的开发人员使用。

同样，USBCAN智能CAN接口卡不仅适应基本的CAN-bus产品、也满足基于高层协议如DeviceNet、CanOpen等CAN-bus产品的开发。

另外，USBCAN-Ⅱ双路智能CAN接口卡可以与ZLGCANTest通用CAN-bus测试软件连接运行，执行CAN-bus总线数据的接收、发送测试任务，是实现CAN-bus产品开发、数据分析的得力工具。

USBCAN-Ⅱ特点：

●支持CAN2.0A和CAN2.0B协议，符合ISO/ISO11898规范；

●支持1-2路CAN控制器，每路均可单独控制；

●CAN控制器波特率在5Kbps～1Mbps之间可选；

●采用PHILIPSUSB接口芯片，符合USB1.1协议规范；

●可以直接使用USB总线电源，或使用外接电源（+9V～+36V，400mA）；

●CAN-bus接口采用光电隔离、DC-DC电源隔离，隔离模块绝缘电压：

1000Vrms；

●单通道工作时数据流量最高：

3000帧/秒；

●即插即用；

●工作温度：

0～70℃；

●外形尺寸：

115mm*76mm

3CAN总线技术基础与温度控制系统的基本原理

CAN，全称为“ControllerAreaNetwork”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。

最初CAN被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。

CAN是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。

当信号传输距离达到10km时，CAN仍可提供高达50Kbit/s的数据传输速率。

与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。

其特点可概括如下：

a）CAN总线为多主的方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，利用这一特点可方便地构成多机备份系统。

b）CAN网络上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在134us内得到传输。

c）CAN采用非破坏性总线仲裁技术，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情况。

d）CAN只需要通过报文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受数据，无需专门的“调度”。

e）CAN的直接通信距离最远可达10KM（速率5Kbps以下）；通信速率最高可达1Mbps（此时通信距离最长为40m）。

f）CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个；报文标识符可达2032种（CAN2.0A），而扩展标准（CAN2.0B）的报文标识符几乎不受限制。

g）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。

h）CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据出错率极低。

i）CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。

j）CAN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。

为使设计透明和执行灵活，遵循ISO/OSI标准模型，CAN分为数据链路层（包括逻辑链路控制子层LLC和媒体访问控制子层MAC）和物理层，而在CAN技术规范2.0A的版本中，数据链路层的LLC和MAC子层的服务和功能被描述为“目标层”和“传送层”。

CAN的分层结构和功能如图17所示。

LLC子层的主要功能是：

为数据传送和远程数据请求提供服务，确认由LLC子层接收的报文实际已被接收，并为恢复管理和通知超载提供信息。

在定义目标处理时存在许多灵活性。

MAC子层的功能主要是传送规则，亦即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定。

MAC子层也要确定，为开始一次新的发送，总线是否开放或者是否马上开始接收。

位定时特性也是MAC子层的一部分。

MAC子层特性不存在修改的灵活性。

物理层的功能是有关全部电气特性在不同节点间的实际传送。

在一个网络中，物理层的所有节点必须是相同的。

然而，在选择物理层时存在很大的灵活性。

图17CAN的分层结构

CAN技术规范2.0B定义了数据链路中的MAC子层和LLC子层的一部分，并描述与CAN有关的外层。

物理层定义信号怎样进行发送，因而，涉及位定时、位编码和同步的描述。

在这部分技术规范中，未定义物理层中的驱动器/接收器特性，以便允许根据具体应用，对发送媒体和信号电平进行优化。

MAC子层是CAN协议的核心，它描述由LLC子层接收到的报文和对LLC子层发送的认可报文。

MAC子层可响应报文帧、仲裁、应答、错误检测和标定。

MAC子层由称为故障界定的一个管理实体监控，它具有识别永久故障或短暂扰动的自检机制。

LLC子层的主要功能是报文滤波、超载通知和恢复管理。

4基于MCGS的HMI设计

随着自动化技术迅猛发展，控制系统功能越来越强大，控制过程也变得越来越复杂，系统操作最大透明化已经成为一种需要。

人机界面（HMIHumanMachineInterface）以其过程可视化、操作员对操作过程可方便的控制等显著特点，很好的满足了这种需求而得到广泛的应用。

工业HMI又称触摸屏监控器，是一种智能化操作控制显示装置。

它一般与PLC等工业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写入工作参数或输入操作命令，实现人与机器信息交互。

HMI的主要功能有：

数据的输入与显示；系统或设备的操作状态方面的实时信息显示；报警处理及打印；数据归档和报表系统。

此外，新一代工业人机界面还具有简单的编程、对输入的数据进行处理、数据登录及配方等智能化控制功能。

4.1人机界面

人机界面是指连接可编程控制器（PLC）、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写入工作参数或输入操作命令，实现人与机器信息交互的数字设备,由硬件和软件两部分组成。

4.2人机界面产品的组成及工作原理

人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存贮单元等，其中处理器的性能决定了HMI产品的性能高低，是HMI的核心单元。

根据HMI的产品等级不同，处理器可分别选用8位、16位、32位的处理器。

HMI软件分为两部分，即运行于HMI硬件中的系统软件和运行于PC机Windows操作系统下的画面组态软件（如组态王等）。

用户必须先使用组态软件制作“工程文件”，再通过PC机和HMI产品的串行通讯口，把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行。

4.3人机界面产品的特点

a）系统运行过程清晰化

控制过程可以动态地显示在HMI设备上。

例如：

烤箱加热通断可以通过指示灯亮灭来显示，烤箱的温度大小可以用棒图来指示等等，使整个控制系统变得形象易懂，也更加清晰。

b）系统操作简单化

操作员可以通过监控界面来控制过程。

可从监控界面上启动和停止系统、设定温度上下限、设置PID参数等。

c）显示报警

控制过程达到临界状态或系统运行错误时会自动触发报警，例如，当炉子温度超出温度上下限时自动触发报警。

d）数据归档

HMI系统可以记录过程变量值和报警信息并归档。

例如：

通过归档数据，您可以查看过去一段时间的系统运行情况，过程变量等。

e）报表系统

HMI系统可以输出报警和过程值报表。

例如，您可以在生产某一轮班结束时打印输出生产数据。

5人机界面设计

HMI监控系统由监控主画面及相应的功能子画面组成，HMI画面设计对于HMI来说是非常关键的。

HMI画面是用组态软件来做的，常见的组态软件有西门子公司的Wincc、罗克韦尔公司的RsView及国产的MCGS等。

在本温度控制系统设计中，我们选择了MCGS来完成监控画面的设计。

MCGS和其他组态软件相比最大的优势是它操作方便，提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持，对于新手来说很容易上手。

图18新建工程

我从网络上面下载MCGS软件，安装好后，双击桌面图标，弹出工作台，进行新建工程。

如图17所示，接下来我将工程命名为“烤箱温度控制”。

首先点击“用户窗口”，单机“新建窗口”按钮，选中“主控窗口”后，点击窗口属性，弹出“用户窗口属性设置”，如图19所示。

图19用户窗口属性设置

在窗口名称栏中输入“主控窗口”，单击确认。

然后选中“动画组态”，进入组态开发界面。

进入开发界面后，点击

弹出工具箱管理器，然后在工具箱中将相应的组件拖入到组态开发界面中。

完整的主界面如图20所示。

图20组态组界

6心得体会

本设计采用以CAN总线为基础的组态温度控制系统，采用了iCAN-2404继电器功能模块，iCAN接口卡和iCAN-6202模拟量输入模块，结构简单，方便控制。

本设计只是温度控制其中的一个简单控制实例，里面还有许多需要完善的地方，例如可以将数据通过GPRS发送给用户，使用户可以对系统进行远程控制。

人机界面内容可能不够丰富，如果时间允许和实物进行试验，所产生的实验数据会使报告更加丰富。

7参考文献

[1]薛迎成/何坚强.工控机及组态控制技术原理与应用.中国电力出版社

[2]于洋.测控系统网络化技术及应用.机械工业出版社

[3]来清民.手把手教你学CAN总线.北京航空航天大学出版社

[4]谢昊飞.网络控制技术.机械工业出版社

[5]陈在平.现场总线及工业控制网络技术.电子工业出版社

[6]周立功.iCAN现场总线原理与应用.北京航空航天大学出版社