基于AT90CAN128单片机的高炉烧结配料系统设计CAN总线通信部分精品.docx

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基于AT90CAN128单片机的高炉烧结配料系统设计CAN总线通信部分精品

基于AT90CAN128单片机的高炉烧结配料系统设计

——CAN总线通信部分

摘要

随着计算机网络技术和芯片技术的发展，控制芯片的性能大幅度提高，成本不断减低，网络几乎深入到我们生活的每一个角落，以现场总线为代表的控制网络也在工业以及其他控制系统中扮演着不可缺少的角色。

自从20世纪90年代以来，自动控制系统已经开始从集散控制系统（DCS）向现场总线控制系统（FCS）过渡。

在21世纪，现场总线控制系统将会成为控制领域的主流。

CAN总线由于具有可靠性高、成本低、容易实现等优点，在现场总线的实际工程应用中占据了较大的份额；汽车电子在我国正方兴未艾，作为其主要组成部分的CAN总线也得到了广泛的使用，并且CAN在工业控制、小区智能监控等热点领域有着广泛的应用前景；使得CAN总线成为教学和科研方面极好的范例和基础课程课题。

关键词：

控制芯片；现场总线；自动控制系统；CAN总线

SinteringblastfurnacesystembasedonAT90CAN128single-chipmicrocomputer——CANBusCommunication

Abstract

Withthedevelopmentofcomputernetworktechnologyandchiptechnology,theControllerchiphasbeensignificantlyimprovedintheperformance,continuallyReducedincosts.Networkalmosthasgonedeepintoeverycornerofourlives,andcontrolnetworkrepresentedbyafieldbusisalsoplayinganimportantroleintheindustrialandothercontrolsystems.Sincethe90'sof20thcentury,automaticcontrolsystemhaschangedfromthedistributedcontrolsystem（DCS）tothefieldbuscontrolsystem（FCS）.Inthe21stcentury,fieldbuscontrolsystemwillbecomethemainstreamofcontrolarea.

CANbuswiththeadvantagesofhighreliability,lowcost,easyavailabilityholdsalargershareinfieldbusoftheactualengineeringapplication.Asmotorelectronicisstillflourishing,theCANbusaspartofitsmaincomponentshasbeenusedwidely.AndCANinhotfieldssuchasindustrialcontrol,intelligentmonitoringofhousingestatehasawiderangeofapplications.AndallthesehavemadeCANbusmakinganexcellentexampleandinfrastructureissuesinteachingandscientificresearchprograms.

Keywords:

Controllerchip;fieldbus;AutomaticControlSystem;CANbus

第一章引言

1.1研究背景

控制器局部网（CAN－CONTROLLERAREANETWORK）是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其卓越性能现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。

控制器局部网将在我国迅速普及推广。

随着计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展，工业控制系统已成为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支，并取得了巨大进步。

由于对系统可靠性和灵活性的高要求，工业控制系统的发展主要表现为：

控制面向多元化，系统面向分散化，即负载分散、功能分散、危险分散和地域分散。

分散式工业控制系统就是为适应这种需要而发展起来的。

这类系统是以微型机为

核心，将5C技术--COMPUTER（计算机技术）、CONTROL（自动控制技术）、COMMUNICATION（通信技术）、CRT（显示技术）和CHANGE（转换技术）紧密结合的产物。

它在适应范围、可扩展性、可维护性以及抗故障能力等方面，较之分散型仪表控制系统和集中型计算机控制系统都具有明显的优越性。

典型的分散式控制系统由现场设备、接口与计算设备以及通信设备组成。

现场总线（FIELDBUS）能同时满足过程控制和制造业自动化的需要，因而现场总线已成为工业数据总线领域中最为活跃的一个领域。

现场总线的研究与应用已成为工业数据总线领域的热点。

尽管目前对现场总线的研究尚未能提出一个完善的标准，但现场总线的高性能价格比将吸引众多工业控制系统采用。

同时，正由于现场总线的标准尚未统一，也使得现场总线的应用得以不拘一格地发挥，并将为现场总线的完善提供更加丰富的依据。

控制器局部网CAN（CONTROLLERAERANETWORK）正是在这种背景下应运而生的。

由于CAN为愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求各种应用领域通信报文的标准化。

为此，1991年9月PHILIPSSEMICONDUCTORS制订并发布了CAN技术规范（VERSION2.0）。

该技术规范包括A和B两部分。

2.0A给出了曾在CAN技术规范版本1.2中定义的CAN报文格式，而2.0B给出了标准的和扩展的两种报文格式。

此后，1993年11月ISO正式颁布了道路交通运载工具--数字信息交换--高速通信控制器局部网（CAN）国际标准（ISO11898），为控制器局部网标准化、规范化推广铺平了道路。

1.2现场总线概述

1.2.1现场总线的现状

由于各个国家各个公司的利益之争，虽然早在1984年国际电工技术委员会/国际标准协会（IEC/ISA）就着手开始制定现场总线的标准，至今统一的标准仍未完成。

很多公司也推出其各自的现场总线技术，但彼此的开放性和互操作性还难以统一。

目前现场总线市场有着以下的特点：

1．多种现场总线并存

目前世界上存在着大约四十余种现场总线，如法国的FIP，英国的ERA，德国西门子公司Siemens的ProfiBus，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，CarloGarazzi公司的Dupline，丹麦ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI（ActraturSensorInterface），MODBus，SDS，Arcnet，国际标准组织-基金会现场总线FF：

FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus，美国的DeviceNet与ControlNet等等。

这些现场总线大都用于过程自动化、医药领域、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域，大概不到十种的总线占有80%左右的市场。

2．各种总线都有其应用的领域

每种总线大都有其应用的领域，比如FF、PROFIBUS-PA适用于石油、化工、医药、冶金等行业的过程控制领域；LonWrks、PROFIBUS-FMS、DevieceNet适用于楼宇、交通运输、农业等领域；DeviceNet、PROFIBUS-DP适用于加工制造业，而这些划分也不是绝对的，每种现场总线都力图将其应用领域扩大，彼此渗透。

3．每种现场总线都有其国际组织和支持背景

大多数的现场总线都有一个或几个大型跨国公司为背景并成立相应的国际组织，力图扩大自己的影响、得到更多的市场份额。

比如PROFIBUS以Siemens公司为主要支持，并成立了PROFIBUS国际用户组织WorldFIP以Alstom公司为主要后台，成立了WorldFIP国际用户组织。

4．多种总线成为国家和地区标准

为了加强自己的竞争能力，很多总线都争取成为国家或者地区的标准，比如PROFIBUS已成为德国标准，WorldFIP已成为法国标准等。

5．设备制造商参与多个总线组织

为了扩大自己产品的使用范围，很多设备制造商往往参与不止一个甚至多个总线组织。

6．各个总线彼此协调共存

由于竞争激烈，而且还没有哪一种或几种总线能一统市场，很多重要企业都力图开发接口技术，使自己的总线能和其他总线相连，在国际标准中也出现了协调共存的局面。

工业自动化技术应用于各行各业，要求也千变万化，使用一种现场总线技术也很难满足所有行业的技术要求；现场总线不同于计算机网络，人们将会面对一个多种总线技术标准共存的现实世界。

技术发展很大程度上受到市场规律、商业利益的制约；技术标准不仅是一个技术规范，也是一个商业利益的妥协产物。

而现场总线的关键技术之一是彼此的互操作性，实现现场总线技术的统一是所有用户的愿望。

1.2.2主流现场总线简介

1．基金会现场总线（FoundationFieldbus简称FF）

这是以美国Fisher-Rousemount公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的WorldFIP协议于1994年9月合并的。

该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用，具有良好的发展前景。

基金会现场总线采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型（1，2，7层），即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用户层。

FF分低速H1和高速H2两种通信速率，前者传输速率为31.25Kbit/秒，通信距离可达1900m，可支持总线供电和本质安全防爆环境。

后者传输速率为1Mbit/秒和2.5Mbit/秒，通信距离为750m和500m，支持双绞线、光缆和无线发射，协议符号IEC1158-2标准。

FF的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码。

2．CAN（ControllerAreaNetwork控制器局域网）

最早由德国BOSCH公司推出，它广泛用于离散控制领域，其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。

CAN协议分为二层：

物理层和数据链路层。

CAN的信号传输采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力。

CAN支持多主工作方式，并采用了非破坏性总线仲裁技术，通过设置优先级来避免冲突，通讯距离最远可达10KM/5Kbps/s，通讯速率最高可达40M/1Mbp/s，网络节点数实际可达110个。

目前已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片。

3．Lonworks

它由美国Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba公司共同倡导。

它采用ISO/OSI模型的全部７层通讯协议，采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。

支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质，通讯速率从300bit/s至1.5M/s不等，直接通信距离可达2700m（78Kbit/s），被誉为通用控制网络。

Lonworks技术采用的LonTalk协议被封装到Neuron（神经元）的芯片中，并得以实现。

采用Lonworks技术和神经元芯片的产品，被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。

4．DeviceNet

DeviceNet是一种低成本的通信连接也是一种简单的网络解决方案，有着开放的网络标准。

DeviceNet具有的直接互联性不仅改善了设备间的通信而且提供了相当重要的设备级阵地功能。

DebiceNet基于CAN技术，传输率为125Kbit/s至500Kbit/s,每个网络的最大节点为64个，其通信模式为：

生产者/客户（Producer/Consumer），采用多信道广播信息发送方式。

位于DeviceNet网络上的设备可以自由连接或断开，不影响网上的其他设备，而且其设备的安装布线成本也较低。

DeviceNet总线的组织结构是OpenDeviceNetVendorAssociation（开放式设备网络供应商协会，简称“ODVA”）。

5．PROFIBUS

PROFIBUS是德国标准（DIN19245）和欧洲标准（EN50170）的现场总线标准。

由PROFIBUS--DP、PROFIBUS－FMS、PROFIBUS－PA系列组成。

DP用于分散外设间高速数据传输，适用于加工自动化领域。

FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。

PA用于过程自动化的总线类型，服从IEC1158－２标准。

PROFIBUS支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。

PROFIBUS的传输速率为9.6Kbit/s至12Mbit/s，最大传输距离在9.6Kbit/s下为1200m，在12Mbit/s小为200m，可采用中继器延长至10km，传输介质为双绞线或者光缆，最多可挂接127个站点。

6．HART

HART是HighwayAddressableRemoteTransducer的缩写，最早由Rosemount公司开发。

其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变的过渡产品。

其通信模型采用物理层、数据链路层和应用层三层，支持点对点主从应答方式和多点广播方式。

由于它采用模拟数字信号混和，难以开发通用的通信接口芯片。

HART能利用总线供电，可满足本质安全防爆的要求，并可用于由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。

7．CC-Link

CC-Link是Control&CommunicationLink（控制与通信链路系统）的缩写，在1996年11月，由三菱电机为主导的多家公司推出，其增长势头迅猛，在亚洲占有较大份额。

在其系统中，可以将控制和信息数据同是以10Mbit/s高速传送至现场网络，具有性能卓越、使用简单、应用广泛、节省成本等优点。

其不仅解决了工业现场配线复杂的问题，同时具有优异的抗噪性能和兼容性。

CC-Link是一个以设备层为主的网络，同时也可覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感层。

2005年7月CC-Link被中国国家标准委员会批准为中国国家标准指导性技术文件。

8．WorldFIP

WorkdFIP的北美部分与ISP合并为FF以后，WorldFIP的欧洲部分仍保持独立，总部设在法国。

其在欧洲市场占有重要地位，特别是在法国占有率大约为60%。

WorldFIP的特点是具有单一的总线结构来适用不同的应用领域的需求，而且没有任何网关或网桥，用软件的办法来解决高速和低速的衔接。

WorldFIP与FFHSE可以实现“透明联接”，并对FF的H1进行了技术拓展，如速率等。

在与IEC61158第一类型的连接方面，WorldFIP做得最好，走在世界前列。

9．INTERBUS

INTERBUS是德国Phoenix公司推出的较早的现场总线，2000年2月成为国际标准IEC61158。

INTERBUS采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型（1，2，7层），即物理层、数据链路层、应用层，具有强大的可靠性、可诊断性和易维护性。

其采用集总帧型的数据环通信，具有低速度、高效率的特点，并严格保证了数据传输的同步性和周期性；该总线的实时性、抗干扰性和可维护性也非常出色。

INTERBUS广泛地应用到汽车、烟草、仓储、造纸、包装、食品等工业，成为国际现场总线的领先者。

此外较有影响的现场总线还有丹麦公司Process-DataA/S提出的P-Net，该总线主要应用于农业、林业、水利、食品等行业；SwiftNet现场总线主要使用在航空航天等领域，还有一些其他的现场总线这里就不再赘述了。

1.2.3CAN总线的简介

CAN总线是德国BOSCH公司从80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。

通信速率可达1MBPS。

CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。

CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。

采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义211或229个不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。

数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。

同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。

CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。

CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。

另外，CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。

CAN总线上任意节点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次，因此可在各节点之间实现自由通信。

CAN总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经商品化，性价比高，特别适用于分布式测控系统之间的数通讯。

CAN总线插卡可以任意插在PCATXT兼容机上，方便地构成分布式监控系统。

1.2.4CAN总线与其他通信方式的比较

在实践中,有两种重要的总线分配方法:

按时间表分配和按需要分配。

在第一种方法中,不管每个节点是否申请总线,都对每个节点按最大期间分配。

由此,总线可被分配给每个站并且是唯一的站,而不论其是立即进行总线存取或在一特定时间进行总线存取。

这将保证在总线存取时有明确的总线分配。

在第二种方法中,总线按传送数据的基本要求分配给一个站,总线系统按站希望的传送分配（如：

EthernetCSMA/CD）。

因此,当多个站同时请求总线存取时,总线将终止所有站的请求,这时将不会有任何一个站获得总线分配。

为了分配总线,多于一个总线存取是必要的。

CAN实现总线分配的方法,可保证当不同的站申请总线存取时,明确地进行总线分配。

这种位仲裁的方法可以解决当两个站同时发送数据时产生的碰撞问题。

不同于Ethernet网络的消息仲裁,CAN的非破坏性解决总线存取冲突的方法,确保在不传送有用消息时总线不被占用。

甚至当总线在重负载情况下,以消息内容为优先的总线存取也被证明是一种有效的系统。

虽然总线的传输能力不足,所有未解决的传输请求都按重要性顺序来处理。

在CSMA/CD这样的网络中,如Ethernet,系统往往由于过载而崩溃,而这种情况在CAN中不会发生。

第二章烧结配料系统设计

2.1高炉控制系统

烧结配料控制系统采用流量配料法，流量配料就是按原料的重量乘以速度计算出流量来配料，采用电子皮带秤对物料进行连续计量，通过调节圆盘给料机或皮带的速度来实现定量给料，流量配料易实现自动配料，配料精度较高。

该自动称重配料控制由下列五大部分：

电子皮带称、称重控制仪表、变频控制柜、监控计算机及现场操作箱部分。

如图2.1。

图2.1自动称重配料控制组成图

监控计算机采用组态软件实现实时监控整个自动配料控制过程；烧结机的配料系统由1个主控器和14个配料控制器组成，它们通过现场控制总线CAN总线协同工作，完成对烧结配料的自动控制。

为提高皮带配料秤的计量精度和配料系统给料精度，所有给料机的皮带配料秤均采用变频调速的方式进行控制。

配料自动控制实现烧结用的原料如混匀矿、燃料、熔剂白云石、生石灰、冷返矿按照工艺要求的配比进行自动给料，能够判断下料堵料和失控故障、变频器故障，并报警。

2.2系统工作流程图

自动配料监控系统是将几种原煤由料仓经圆盘给料机输送给皮带输送机，当物料流经配料皮带时，由配料皮带秤进行计量。

整个系统在计算机等控制下按一定的比例进行混合，然后进行烧结，得到焦炭。

系统工艺流程如图2.2所示。

图2.2系统工艺流程图

2.3系统工作方式

系统检修和工作方式

手动检修方式：

即通过现场操作箱选择开关及按钮控制变频器以点动频率驱动电动机正反向运行速度；

工作方式有二种：

第一种是仪表自动给料，即通过称重控制仪表键盘，任意给定所需给料量，并通过给料量大小变化自动调整变频器频率（电动机的运行速度）；

第二种是上位机自动给料，给料设定就可由上位机画面来完成。

正常工作在上位机自动给料，受计算机控制。

检修或调试时在“检修”状态,可以单机运行。

2.4系统各部分功能

2.4.1操作站的功能

操作站主要用于对现场的工况进行集中监视、数据记录、参数设置、定时存盘、报表打印机报警提示记录等，将切换开关置于操作站，可对现场设备进行启停操作；同时操作站与调度室进行通讯，将现场情况传送到调度室，调度人员能在上位机上直观地观察到生产过程中设备的运行状况、实时数据和历史数据等，并将这些数据进行处理存储、打印等。

通过这些实时数据的采集、处理，从而充分地提高该焦化厂产品的质量、生产效率，发挥人力、物力和实现高度自动化控制。

2.4.2称重皮带秤及控制仪表功能

流量恒定的控制原理：

要确保烧结配料成分的稳定，圆盘给料机和螺旋的流量控制是关键。

通过圆盘给料机和料仓给料器与集料皮带机之间安装调试好的电子配料皮带秤称量检测，以及配料皮带测速编码器（传感器）测量皮带运输原料速度的检测，称重仪表采集测量皮带秤上每单位长度的载荷值q（kg/m）以及皮带在同一时刻的运行速度v（m/s），且两者相乘得到物料的瞬时流量q·v（kg/s）。

只要保证q（t）·V（t）的乘积不变，就可以保证物料流量的恒定。

即随皮带上物料重量的变化控制皮带运行速度做出相应的调整，就可以保证物料流量的恒定。

在本系统中圆盘给料机的速度是恒定不可调的，所以控制流量的恒定只能调节皮带上物料重量，而重量的改变又只能通过改变变频器的频率，以改变皮带秤的速度。

流量恒定控制原理图2.3所示，每一个称重控制都是一个“小闭环”控制系统。

称重仪表检测并运算q（t）·V（t）的乘积与流量设定值（上位机给定或仪表键盘给定）进行比较，然后进行PID运算，得出相应的输出频率信号到变频器，实现自动控制流量大小的要求。

图2.3流量恒定控制原理图

1．实现流量恒定的控制

仪表控制部分采用模块控制方式，电子秤与仪表控制模块之间的信号传输采用差分频率信号传输技术，具有极强的抗干扰能力和远传能力，从而保证了系统信道的可靠性和准确性，在反馈控制上采用新型的人工智能PID调节算法，无振荡，无超调。

2．仪表控制部分与监控计算机采用CAN总线通信方式，信号传输的快速实时性更高、抗干扰更强、可靠性更高，保证配料精度和稳定性。

3．配料秤有补偿功能，即皮带本身影响自动补偿功能。

能在配料秤正常生产运行过程中，连续不断地测量皮带本身实际重量的变化（如物料局部粘结