现场总线温度控制模块的设计毕业设计论文.docx

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现场总线温度控制模块的设计毕业设计论文

吉林化工学院毕业设计说明书

现场总线温度控制模块的设计

DesignofTheTemperatureControlModule

BasedonFieldbus

吉林化工学院

JilinInstituteofChemicalTechnology

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

摘要

本设计是针对我院化工系实验设备—“热量损失导热系数测定联合装置”而设计的一款支持现场总线通信协议，能够与组态软件直接挂接的温度控制模块。

根据热电阻阻值随温度的变化呈线性关系这一特性而设计的以W77E58单片机为核心，配以标准的工业信号检测和放大电路，将热阻信号转换为A/D转换器—ICL7135能够采集的范围之内，配以RS485通信接口与上位机进行通讯，与此同时为了提高测温分辨率和控温精度，在单片机编程中采用二次插值算法计算温度数值，克服了系统所造成的非线性误差，使测温分辨率达到了0.05℃。

在温度控制中还采用了PID控制算法，使控温精度近似于上位机给定值。

真正实现了以现场总线为基础、以MODBUS协议为桥梁的人机精确控制系统。

关键词：

现场总线；温度控制；PT100

Abstract

DecisionSupportandDataWarehouseSystemsisintendedasatextbookforaone-semestercourseindecisionsupportsystems,withdatawarehousingplayingthesamestarringroleinthecourseasitdoesintoday’sdecisionsupportpicture.Withtheadditionofenrichmentmaterialindatawarehousing,muchofwhichcanbefoundontheWeb,italsofitsaquartersystems:

theDSSportionofthebookfitsonequarter,andthedatawarehousingportioncanexpandedtofillanother.

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KeyWords：

Content；Request；Format

第1章绪论

1.1现场总线的概况

现场总线技术是一种集计算机技术、通信技术、集成电路技术及智能传感技术于一身的新型的控制技术。

现场总线控制系统（FCS）也是继集散控制系统（DCS）后的新一代控制系统，现代工业的核心是“分散控制，集中监控”使得“控制分散，危险分散”。

但分散控制系统（DCS）正好与其相反而现场总线控制系统就做到了这一点，它把控制彻底下散到现场，具有通信功能的现场智能设备能完成诸如数据采集、数据处理、控制运算和数据输出等功能。

1.2现场总线控制模块设计的意义

温度是一个重要的物理量，它是国际单位制（SI）7个基本物理量之一，也是工业生产过程中的主要工艺参数之一。

物体的许多性质和现象都与温度有关，温度控制是当今工业生产过程中的一个及其重要环节,很多重要的过程只有在一定的温度范围内才能有效地进行，因此，对温度进行准确的测量和可靠的控制，在工业生产和科学研究中均具有重要意义。

以现场总线为基础的温度控制系统,可以很方便地进行扩充和更改。

扩充系统时,可将新仪表连接在已有的现场总线上,不需要增加任何组件,也不需要考虑现场总线接口是否匹配的问题。

对于功能和参数所进行的修改,可以直接通过现场总线登录与查询来实现。

因此,降低了实现新的控制策略或产品改型所需要的费用。

1.3现场总线温度控制模块的现状

国内的温度控制较多还使用的是基地式仪表，它是由操作人员按照工艺要求人为的设定控制信号。

例如：

在一个处理过程中，首先设定一个控制温度和保温时间，等到这一工序完成后再设定下一个控制温度和保温时间。

这样的控制不利于生产自动化，如果出现了误操作直接影响热处理效果，同时它也加大了现场操作人员的工作量。

现在出现的计算机集中控制很好的解决了基地式仪表出现的问题，它的下位机使用的是单片机控制，首先将温度信号采集过来与给定的温度对比作差，然后经过PID运算后送出控制信号，这一过程完全由单片机完成。

单片机与上位机相连，上位机的数据库中存储大量关于热处理数据，只要输入需要热处理的材料名称，计算机就会给出相应的控制工艺流程和控制参数，并且将其下载到下位机的单片机当中，由单片机完成控制过程。

这样只要操作人员在控制室中操作计算机就能完成所有的工序，实现了生产自动化。

在计算机自动控制系统急速发展的今天，特别是考虑到现场总线已经普遍地渗透到自动控制的各个领域的现实，现场总线必将成为电工自动控制领域主要的发展方向之一。

现场总线技术一直是国际上各大公司激烈竞争的领域；并且国外大公司已经在大力拓展中国市场，发展我国的现场总线产品已经刻不容缓。

现场总线对自动化技术的影响意义深远。

当今可以认为现场总线是提高自动化系统整体水平的基础技术，对国民经济影响重大。

因此，要在自动化领域中推广应用和发展现场总线。

现场总线控制系统（FieldbusControlSystem）,是诸多现场仪表通过互联与控制室内人机界面所组成的系统,它是一个全分散、全数字化、全开放和可互操作的新一代生产过程自动控制系统。

1994年,国际上两个现场总线集团:

ISP集团和World-FIP集团,合并成为现场总线基金会FF。

它是一个非盈利性非商业化的学术和标准化组织,它组织相关技术的发展,标准制定,试验工作,信息的传播和发布以及人员的教育培训。

FF的宗旨是促进产生一个单一的国际现场总线标准。

国际上许多著名的自动化公司和仪器仪表公司都成为该会会员。

中国冶金部自动化院于1995年4月加入了FF,中国北京华控技术有限责任公司于1996年4月也加入了FF。

当前,国际工业控制界主要推出两种先进技术:

一是现场总线技术,二是模块化技术。

在FCS系统的设计、安装、运行和维护的整个过程中都体现了它具有的优越性。

国内越来越多的人认识到,下一个时代将是现场总线应用的时代。

国内许多公司均追踪世界最新技术,开发出多种现场总线的系列产品,可用于电力、石油等行业的各种工业和技术过程。

冶金部自动化院在安庆石化腈纶厂安装了亚太地区第一套基于FF的现场总线控制系统,并于1996年4月投运。

华控技术公司目前正在研制的现场总线SDS系统、CDS系统及模块系列产品已被列入国家“九五”科技攻关项目。

工厂自动化的创新，管理与控制一体化是当前的自动化系统以网络为主要特征，以提高信息的透明度、可视性、交互性、远传性、实时性、安全性为重点。

自动控制系统将跟着总线“走”数字化、通信化。

智能化、数字化已成为全球的趋势。

1.4现场总线控制系统的组成

现场总线控制系统由测量系统、控制系统、管理系统三个部分组成，而通信部分的硬软件是它最有特色的部分。

1．现场总线的控制系统：

它的软件是系统的重要组成部分，控制系统的软件有组态软件、维护软件、仿真软件、设备软件和监控软件等。

首先选择开发组态软件、控制操作人机接口软件MMI。

通过组态软件，完成功能块之间的连接，选定功能块参数，进行网络组态。

在网络运行过程中对系统实时采集数据、进行数据处理、计算。

优化控制及逻辑控制报警、监视、显示、报表等。

2．现场总线的测量系统：

其特点为多变量高性能的测量，使测量仪表具有计算能力等更多功能，由于采用数字信号，具有高分辨率，准确性高、抗干扰、抗畸变能力强，同时还具有仪表设备的状态信息，可以对处理过程进行调整。

3．设备管理系统：

可以提供设备自身及过程的诊断信息、管理信息、设备运行状态信息（包括智能仪表）、厂商提供的设备制造信息。

例如Fisher—Rosemoune公司，推出AMS管理系统，它安装在主机算机内，由它完成管理功能，可以构成一个现场设备的综合管理系统信息库，在此基础上实现设备的可靠性分析以及预测性维护。

将被动的管理模式改变为可预测性的管理维护模式AMS软件是以现场服务器为平台的T型结构，在现场服务器上支撑模块化，功能丰富的应用软件为用户提供一个图形化界面。

4．总线系统计算机服务模式：

以客户机/服务器模式是目前较为流行的网络计算机服务模式。

服务器表示数据（提供者），应用客户机则表示数据使用者，它从数据源获取数据，并进一步进行处理。

客房机运行在PC机或工作站上。

服务器运行在小型机或大型机上，它使用双方的智能、资源、数据来完成任务。

1.4.1现场总线控制系统的特点

经过对现场总线控制系统的学习我们可以总结出它具有以下特点：

1．在功能上管理集中，控制分散，在结构上横向分散、纵向分级。

2．要有快速实时响应能力，对于工业设备的局域网络，它主要的通信量是过程信息及操作管理信息，信息量不大，传输速率不高在1MPS以下，信息传输任务相对比较简单但其实时响应时间要求较高为0.01—0.5S。

所谓实时性是在网络通信过程中能在线实时采集过程的参数，实时对系统信息进行加工处理，并迅速反馈给系统完成过程控制，满足过程控制对时间限制的要求。

除了控制管理计算机系统的外部设备外，还要控制管理控制系为统的设备，并具有处理随机事件能力。

实际操作系统应保证在异常情况下及时处置，保证完成任务，或完成最重要的任务，要求能及时发现纠正随机性错误，至少保证不使错误影响扩大，应具有抵制错误操作和错误输入信息的能力

3．产品要具有互操作性：

各制造商产品要通过所属各类总线制协议符合其规定的OSI标准一次性测试，及互操作性测试，并以专门测试中心认证。

为了提高其可靠性，还要经过在恶劣环境下鲁棒测试。

接口技术采用了OEM集成方法构成产品，可以实现数据开放式传输。

因此，对于同一类型协议的不同制造商产品可以混合组态与调用为一个开放系统，使它具有互操作性。

4．要求具有较高可靠性措施：

（1）硬件经过严格挑选，采用专用芯片（ASIC）和表面安装技术（SMT）;

（2）系统软件选用成熟适合实际需要的简单易用软件，及好的工具软件。

应用软件采用功能模块化设计，定义清晰明确;

（3）可通过在线可快速排除故障，强化硬件可修复性，如I/O模板可带电插拔，且诊断故障显示，故障时部件自动隔离等;

（4）软件上分离化体系结构及各过程站有地域上各自独立的局部数据库,并经过通信网络在逻辑上形成全局数据库;

（5）有多级安全措施，采用容错技术与冗余技术。

1.4.2现场总线的优点

1．提高系统精度

用数字信号取代模拟信号,由于数字信号的电平较高,一般的噪声干扰很难扭曲FCS系统内的数字信号。

同时数字通信的检错功能,可以检测出数字信号在传输中出现的误码。

所以,全数字化通信使过程控制的准确性和可靠性大大提高。

而且还可以把一些功能（如线性化、补偿校正、工程量转换、报警处理等）赋予现场仪表,提高了现场仪表的自主性和可靠性。

2．组态简单

由于所有现场仪表都使用功能模块,组态变得非常相似和简单,不需要因为现场仪表种类不同或组态方法不同而进行培训或学习编程语言。

现场总线是以用户自定义的标识符和标准参数为基础的,用户可以根据标识符来指定某一现场仪表,而不需要考虑设备地址、存储记忆地址和比特编号等。

组态可以通过计算机编辑,然后下装到现场仪表。

3．简化设计和安装

在现场总线的一根双绞线上,可以连接许多现场仪表，与DCS系统相比,节省了大量电缆和I/O组件等,使布线设计和接线图大大简化。

进而简化了安装,降低了设备的初始安装费用。

由于控制部分已下放到分散安装的现场仪表,所以,控制室内的设备和控制室的占地面积都将大为减少。

4．应用新的诊断方法可实现预防性维护

数字通信使用户从控制室中查询所有设备的数据、组态、运行和诊断信息成为现实。

新的自动诊断功能,除了能给出故障信息外,还能给出预防性维护所需要的信息,并且可以帮助用户进行分析,在事故发生之前及时确定潜在事故的地点,而无需操作人员亲临现场检查故障。

此外,用户在控制室内可以对现场仪表进行标定和调整。

5．易于实现设备扩充和产品改型

以现场总线为基础的自动化系统,可以很方便地进行扩充和更改。

扩充系统时,可将新仪表连接在已有的现场总线上,不需要增加任何组件,也不需要考虑现场总线接口是否匹配的问题。

对于功能和参数所进行的修改,可以直接通过现场总线登录与查询来实现。

因此,降低了实现新的控制策略或产品改型所需要的费用。

1.5主要技术和关键问题

1.5.1主要技术

本课题为设计性题目，要求设计出能够支持MODBUS协议的RS485现场总线通信的热阻型温度采集模块，该模块能够通过现场总线与工控计算机挂接。

技术指标：

1．输入信号：

PT100；

2．测温精度；0.1℃；

3．测温分辨：

0.05℃；

4．供电电源：

220VAC±10%；

5．环境温度：

0～70℃；

6．环境湿度：

≤85%；

7．通信方式：

RS485现场总线。

1.5.2关键问题

设计出来的温度控制模控对系统温控精度的性能指标。

因此有待解决的关键问题有：

1．提高控温精度和测温分辨率。

2．通过现场总线与工控计算机挂接。

3．MODBUS协议与RS485现场总线通信

第2章现场总线温度控制模块的设计方案

2.1系统总体方案设计

针对本课题的研究内容是设计一款测量精度高、支持RS485硬件接口和MODBUS工业现场总线协议的温度控制模块。

该温度控制模块能够1点温度进行实时采集，采用支持MODBUS工业现场总线协议的RS485光电隔离接口与PC机进行通信。

基于以上功能，具体设计方案如图2-1所示。

图2-1系统总体方案设计

在图2-1中包含七个主要功能模块：

主控单元、信号检测电路、通信电路、电源电路、控制电路、AD接口电路、测量放大电路：

1．信号检测电路是将热阻信号转换为电压信号，用来测量温度；

2．经过测量放大器放大后的电压信号，其电压范围为0～5V，此信号为模拟信号，计算机无法接受，故必须进行A/D转换,即模拟信号转换成单片机可以识别的数字信号。

3．主控单元是采用W77E58单片机，作为整个设计电路的核心，控制采集通道的选择、数据的处理和RS485相连接，进行数据的传输和通信；

4．RS485是标准的工业现场总线，MODBUS协议是通用的现场总线通信协议，RS485接口实现PC机与现场总线模块之间的通讯；

5．电源电路是将220VAC通过开关电源稳压电路稳压输出+5V，-5V，给装置中的各个部分提供正常工作电压。

6． 实际电路中，从热电偶输出的信号最多不过几十毫伏（<30mV），且其中包含工频、静电和磁偶合等共模干扰，对这种电路放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗，因此宜采用测量放大电路。

2.2热电阻信号处理电路

由于热电阻要安装在被测环境中，距离电阻测量装置有一定距离，这样实际测量的时候就会带来导线电阻的误差，因此实际使用热电阻的时候都是采用三线制连接方法。

消除引线误差，通常将三根线中其中两根接在一起，当温度发生变化时，这两根引线上的热电动势为零，这样当引线环境温度发生变化时就不会影响到热电 阻的测量度，如图4-1是三线制的接法.PT100检测电路，对引线有补偿作用，恒流源由LM336-2.5和LM258构成的，恒流源电路如图2-2。

由图可知组成的复合管的放大倍数

，因为

，所以

；由于Q1和Q2都工作在放大区，所以

，即恒流源电流为：

I=

=1mA。

由于R1，R2采用了高精度的电阻，所以恒流源的波动不会影响检测精度。

实际电路中，从热电阻输出的信号最多不过几十毫伏（<30mV），且其中包含工频、静电和磁偶合等共模干扰，对这种电路放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗，因此宜采用测量放大电路。

由LM258构成的放大电路如图3-3所示，图中R5、R6、R7为导线电阻，三根导线采用相同规格、相同长度，因此三根导线实际电阻相等，热电阻信号测量如图2—3所示。

图2-3热电阻信号测量电路

由图可知：

（2-1）

（2-2）

又由虚断可知：

（2-3）

（2-4）

将式（2-6）带入式（2-7）得

（2-5）

即Vo处的电压等于热电阻两端的电压差。

又由上图可知

，所以该电路的作用是将热电阻的测量信号（即热电阻两端的压差）放大11倍，以适应模拟开关的电压输入范围。

2.3ICL7135A/D转换器与单片机的接口电路

ICL7135的极性输出端POL与单片机的P1.6口相连，ICL7135的时钟输入端CLK与端单片机的P3.4口相连，ICL7135的BUSY端与单片机P3.2口的相连，ICL7135A/D转换器与单片机的接口电路如图2-4所示：

图2-4ICL7135与单片机的接口电路

1．ICL7135管脚

本设计中我采用了ICL7135转换芯片，ICL7135是一种四位半的双积分A/D转换器，具有精度高（即0～19999；相当于14位）、价格低廉、抗干扰能力强等优点。

在小型智能仪表的设计中得到广泛应用，ICL7135的引脚排列及外围电路如图2-5所示。

图2-5ICL7135的引脚图

1脚V－：

-5V电源端。

2脚VREF：

基准电压输入端，通常取1V，它的精度和稳定性将直接影响转换精度；

3脚ANGD：

模拟地；

4脚INT：

积分器输入端，接积分电容；

5脚AZ：

积分器和比较器反相输入端，接自零电容；

6脚BUF：

缓冲器输出端，接积分电阻；

7脚CREF＋：

基准电容正端；

8脚CREF－：

基准电容负端；

9脚IN－：

被测信号负输入端；

10脚IN＋：

被测信号正输入端；

11脚V＋：

＋5V电源端；

17～20脚D1～D5：

位扫描输出端；

13～16脚B1～B4：

BCD码输出端；

21脚BUSY：

忙状态输出端；

22脚CLK：

时钟信号输入端。

工作于双极性情况下，时钟最高频率为125KHZ时转换速度为3次/秒左右；

23脚POL:

负极性信号输出端。

当输入信号为正时，POL极性输出高电平输入信号为负时，POL极性输出为低电平；

24脚DGND：

数字地端。

25脚R/H：

运行/读数控制端；

26脚STR：

数据选通输出端；

27脚OR：

超量程状态输出端；

28脚UR：

欠量程状态输出端；

2．ICL7135的工作原理

ICL7135的测量周期，ICL7135的测量周期包括以下四相（节拍）

（1）AUTO-ZERO（自动调零）相

在该相时，内部IN+和IN-输入与引脚断开，且在内部连接到ANLG-COMMON，基准电容被充电至基准电压，系统接成闭环并为自动调零（AUTOZERO）电容充电以补偿缓冲放大器、积分器和比较器的失调电压。

此时，自动调零精度受系统噪声的限制，以输入为基准的总失调小于10μV。

（2）SINGAL-INTEGRATE（信号积分）相

在该相，自动调零环路被打开，内部的IN+和IN-输入被连接至外部引脚。

在固定的时间周期内，这些输入端之间的差分电压被积分。

当输入信号相对于转换器电源不反相（NO-RETURN）时，IN-可直接连接至ANJG-COMMON以便输出正确的共模电压。

同时，在这一相完成的基础上，输入信号的极性将被系统所记录。

（3）DEINTEGRATE（去积分）相

该相的基准用于完成去积分（DEINTEGRATE）任务，此时内部IN-在内部连接ANLG-COMMON，IN+跨接至先前已充电的基准电容，所记录的输入信号的极性可确保以正确的极性连接至电容以使积分器输出极性回零。

输出返回至零所需的时间正比于输入信号的幅度。

返回时间显示为数字读数，并由1000（Vid/Vref）确定。

满度或最大转换值发生在Vid等于Vref的两倍时。

（4）ZERO-INTEGRATE（积分器返回零）相

内部的IN-连接到ANLG-COMMON，系统接成闭环以使积分器输出返回到零。

通常这相需要100～200个时钟脉冲，但是在超范围（OVERRANGE）转换后，则需要6200个脉冲。

3．ICL7135的基准电压输入电路

LM358具有稳定性好，低功耗等特点。

+5V电源经过LM385稳压后输出稳定的1.2V电压做为ICL7135的基准电源。

为消除干扰引起电压的抖动，在LM358的输出端加0.1uF电容滤波，消除电压尖峰，使ICL7135的基准电压更加稳定。

ICL7135的基准电路如图2-6所示：

图2-6ICL7135的基准电压输入电路

4．ICL7135的工作时钟源

ICL7135的工作频率可分别为125kHz、250kHz、500kHz；对应转换速度分别约为3次/秒、6次/秒、12次/秒。

其中以工作频率为250kHz时的转化速度及稳定性较为适中，10000/250000=0.04秒，工频电为交流电频率为50HZ，周期为0.02秒，所以整周期内的积分为零，这样就可以消除工频电压的干扰。

本设计采用CD4060接入4MHz晶振并进行16分频，如图2-7所示，可产生250KHz的时钟信号作为ICL7135的工作频率输入，同时作为定时器0的外部计数源送入W77E58的T0端。

图2-7CD4060分频电路

2.4W77E58单片机简介

W77E58内含32KBFlashEPROM,工作电压为4.5V-5.5V,具有1KB片上外部数据存储器，当用户应应用时使用片上SRAM代替外部SRAM