基于at90can128单片机的高炉烧结配料系统设计can总线通信部分大学本科毕业论文

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）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： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它基于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Sintering blast furnace system based on AT90CAN128 single-chip microcomputerCAN Bus CommunicationAbstractWith the development of computer network technology and chip technology, the Controller chip has been significantly improved in the performance, continually Reduced in costs. Network almost has gone deep into every corner of our lives, and control network represented by a field bus is also playing an important role in the industrial and other control systems. Since the 90s of 20th century, automatic control system has changed from the distributed control system (DCS) to the field bus control system (FCS). In the 21st century, field bus control system will become the mainstream of control area.CAN bus with the advantages of high reliability, low cost, easy availability holds a larger share in field bus of the actual engineering application. As motor electronic is still flourishing, the CAN bus as part of its main components has been used widely. And CAN in hot fields such as industrial control, intelligent monitoring of housing estate has a wide range of applications. And all these have made CAN bus making an excellent example and infrastructure issues in teaching and scientific research programs.Key words: Controller chip; field bus; Automatic Control System; CAN bus目 录摘 要IAbstractII第一章引 言11.1 研究背景11.2现场总线概述21.2.1 现场总线的现状21.2.2 主流现场总线简介31.2.3 CAN总线的简介61.2.4 CAN总线与其他通信方式的比较7第二章 烧结配料系统设计82.1 高炉控制系统82.2系统工作流程图82.3 系统工作方式92.4 系统各部分功能102.4.1 操作站的功能102.4.2 称重皮带秤及控制仪表功能102.4.3 计算机监控部分112.4.4 变频控制部分122.4.5 现场操作箱122.5 系统的过程控制实现12第三章 CAN总线的概述143.1 CAN总线的概念143.1.1 CAN总线的结构143.1.2 CAN总线网络结构153.1.3 CAN总线的主要特点153.1.4 CAN总线的位数值表示163.1.5 CAN总线的通信距离163.2 CAN总线的分层结构163.3 CAN报文的帧结构173.3.1 CAN报文的帧类型173.3.2 CAN报文的帧格式203.4 CAN总线的扩展应用及其协议介绍223.4.1 概述223.4.2 DeviceNet233.4.3 CANOpen243.4.4 CAN总线协议的内容253.5 CAN软件设计基础253.5.1 CAN总线系统的节点253.5.2 报文发送273.5.3 报文接收28第四章 CAN通信应用层协议设计294.1 配料控制器的协议294.1.1 配料控制器发送的信息304.1.2 配料控制器接收的信息314.2 主控制器的协议334.2.1 主控制器发送的信息334.2.2主控制器接收的信息344.3 小结35总 结36参 考 文 献37附录 A38附录 B41致 谢4444第一章 引 言1.1 研究背景控制器局部网（CANCONTROLLER AREA NETWORK）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（CONTROLLER AERANETWORK）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 PHILIPS SEMICONDUCTORS制订并发布了CAN技术规范（VERSION 2.0）。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。2CAN（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。3Lonworks 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。4DeviceNet 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Open DeviceNet Vendor Association（开放式设备网络供应商协会，简称“ODVA”）。5PROFIBUSPROFIBUS是德国标准（DIN19245）和欧洲标准（EN50170）的现场总线标准。由PROFIBUS-DP、PROFIBUSFMS、PROFIBUSPA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。6HARTHART是Highway Addressable Remote Transducer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。7CC-LinkCC-Link是Control&Communication Link（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。8WorldFIPWorkdFIP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。9INTERBUS 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-Data A/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。1.2.3 CAN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PC AT XT兼容机上，方便地构成分布式监控系统。1.2.4 CAN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：Ethernet CSMA/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qv(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(如物料局部粘结等造成的皮带皮重的变化，天长日久磨损程度不同导致的皮带薄厚不均，以及张力不匀等所产生的对称重传感器的外部影响)，并随时进行精确补偿，因而其动态测量精度要比一般设备厂家的配料秤动态测量精度高。2.4.3 计算机监控部分该计算机采用品牌机作为控制计算机，系统软件是在Win2000操作平台下，用组态王（或VB60）开发研制的通用应用程序，整个程序兼顾鼠标和键盘操作。各种操作界面、数据显示及打印管理，用户可方便进行各种数据的修改操作，运行数据的图形显示及打印各种报表。工艺流程动画显示美观大方,友好的操作界面，简单易学，其功能如下：1显示功能1)该系统能显示整个配料工艺及流程画面；2)显示各设备瞬时运行情况；3)显示各台秤的给定流量、实际流量、下料累计量，显示各种原料的瞬间下料量、总流量及总累计量；4)具有系统报警功能。2操作及控制功能该系统利用操作提示菜单方便、简单，快速引导进行系统操作。其功能如下：1)能实现变频器的远程操作(启停、手自动转换、单动)；2)能快速修改各台电子秤的计量参数及换仓后各物料吸收系数的变更设置；3)修改配料系统的控制参数；4)根据工艺要求，可随时、方便的选定、修改、更换配比和配料总流量；5)当物料水分含量发生变化时,可方便的变更水分组和手动输入各物料的水分变化量；6)根据现场实际需要，可对打印时间间隔、报警时间进行设置。3报表及打印功能1)按设置的打印参数方便的打印出各种原料累计消耗量的班报、日报、月报表并能进行相应的查询；2)具有当前趋势和历史趋势的查询功能；3)具有各料仓手动配料时间和配料量的统计功能。4报警功能1)当系统各测量单元出现故障时,工艺流程主画面将以警示色提醒用户，按下相关键后，可由显示屏显示故障代码；2)当系统出现空仓或圆盘给料机堵料而无法下料时，工艺流程画面报警提醒用户及时处理。2.4.4 变频控制部分皮带电机采用流量闭环变频调速方式，保证配料精度和稳定性，节电效果显著。将每台变频器集中在变频电控制柜中。正常工作时，称重仪表PID的输出控制变频器的输出频率，检修调试时，按钮点动控制变频器的输出频率。2.4.5 现场操作箱调试或现场检修时，通过现场操作箱实现单机的正反运行。2.5 系统的过程控制实现电子调速配料系统通常有两种调速方式：调节圆盘给料机给料和调节皮带输送机速度给料。该系统采用调节圆盘给料机进行给料。控制过程主要是是通过电子配料皮带秤对圆盘给料机输送的物料进行计量。智能控制器接收来自称重传感器发送的称重信号和速度传感器发送速度信号，经处理后转化为累计值和瞬时流量，并将累计值、瞬时流量信号传送给工业控制机（上位机）、智能调节器通过内置PID调节器，进行比较运算后自动调节PID值，用来调节变频器，再由变频器去调节圆盘给料机的转速，当流量增大时，降低圆盘给料机的转速，反之提高圆盘给料机的转速，从而使得几种物料的流量和阶段累计量均保持在设定的范围内，进而得到可靠的产品质量。第三章 CAN总线的概述3.1 CAN总线的概念3.1.1 CAN总线的结构 CAN (Controller Area Network)总线，又称控制器局域网，是Bosch公司在现代汽车技术中领先推出的一种多主机局部网，由于其卓越的性能，极高的可靠性，独特灵活的设计和低廉的价格，现已广泛应用于工业现场控制、智能大厦、小区安防、交通工具、医疗仪器、环境监控等众多领域。CAN已被公认为几种最有前途的现场总线之一。CAN总线规范已被ISO国际标准组织制订为国际标准，CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连参考模型基础上的，主要工作在数据链路层和物理层。用户可在其基础上开发适合系统实际需要的应用层通信协议，但由于CAN总线极高的可靠性，从而使应用层通信协议得以大大简化。简单的CAN总线系统主要由上位机和位控制器构成，包括个人计算机CAN的接口（CAN适配卡、若干CAN网络节点），CAN适配卡是实现上位机系统和CAN总线的连接接口，作用和以太网网卡相同。带CAN适配卡的上位机在CAN总线系统中相当于一个网络节点。 CAN是多主发送的网络结构，从CAN的角度无所谓主从节点的概念，但是在有些具体的应用中，为了系统的可靠性及整体设计的考虑，还是分主节点和从节点的。CAN总线系统的节点：（1）节点的概念：一般指挂在CAN总线上的传感部件、执行部件或控制器单元，CAN总线是通过允许节点间对等的传播数据来实现网络通信的（单向或双向）。（2）节点的组成：由于受总线收发器物理信号驱动能力的限制，在一个CAN总线网络上，最多可挂接110个节点设备。CAN总线系统的拓扑结构：（1）基于CAN的拓扑概念：网络拓扑结构设计是构建计算机网络的第一步，也是实现各种网络协议的基础，它对网络的性能、可靠性和通信费用等都有很大影响。CAN网络中也存在着各种拓扑结构。（2）常用的CAN总线系统拓扑结构：一般有4种常见的拓扑结构总线结构、环形结构、星形结构、网状结构。3.1.2 CAN总线网络结构为了满足现代控制系统既要集中管理又要分散实时控制的要求，CAN现场总线数据采集与控制系统总体结构如图3.1所示，主要由上位机监控站和若干个现场CAN智能测控节点构成，通过相应的网关还可与其他类型网络进行通信。图3.1 CAN总线的系统总体结构3.1.3 CAN总线的主要特点1CAN是目前为止惟一有国际标准的现场总线。2CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从。3在报文标识符上，CAN上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求。4CAN采用非破坏总线仲裁技术。5CAN节点只需要通过对报文的标识符滤波即可以实现点对点、一点对多点及全局广播等方式传送接收数据。6CAN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）。7CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个。8报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极低。9CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，具有极好的检错效果。10CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。11CAN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。12CAN总线具有较高的性价比。3.1.4 CAN总线的位数值表示 CAN中的总线数值为两种互补逻辑数值：“显性”或“隐性”。“显性”( Dominant)数值表示逻辑“0”，而“隐性”( Recessive)表示逻辑“1”。“显性”和“隐性”位同时发送时，最后总线数值将为“显性”。3.1.5 CAN总线的通信距离CAN总线上任意两个节点之间的最大传输距离与其位速率有关，下表3.1列举了相关的数据。表3.1 CAN位数率与传输距离3.2 CAN总线的分层结构CAN通讯协议主要描述设备之间的信息传递方式。CAN层的定义与开放系统互连模型OSI一致。CAN的规范定义了模型的最下面两层：数据链路层和物理层，其中数据链路层又划分为逻辑链路控制子层（LLC）和媒体访问控制子层（MAC），应用层协议可以由CAN用户定义成适合特别工业领域的任何方案，如已在工业控制和制造业领域得到广泛应用的协议标准DeviceNet，以及在汽车工业中被大量使用的CANOpen协议等。具体分层结构如下图3.2所示。图3.2 CAN总线的分层结构3.3 CAN报文的帧结构3.3.1 CAN报文的帧类型数据帧用于传输数据，远程帧用于请求数据，超载帧用于扩展帧序列的延迟时间，而当局部检测出错条件后产生一个全局信号出错帧。1数据帧数据帧由7个不同的位场组成，即帧起始标志位、仲裁场、控制场、数据场、CRC检查场、ACK应答场和帧结束标志位。数据长度可为零。CAN2.0A数据帧的组成如图3.3所示。图3.3 数据帧结构 在CAN2.0B中存在两种不同的帧格式，其主要区别在于标识符的长度，具有11位标识符的帧称为标准帧，而包括29位标识符的帧称为扩展帧其格式如图3.4所示。图3.4 标准格式和扩展格式（1）帧起始标志位（SOF）标识着数据帧和远程帧的起始，它以一个比特的显位出现，只有在总线处于空闲状态时，才允许站开始发送，这个状态将结束总线空闲状态（被动状态），表明有某个节点设备开始发送消息，并且所有站都必须同步于首先开始发送的那个站的帧起始前沿。（2）仲裁场（Arbitration Field）由标志符（Identifier）和远程发送请求位（RTR）标志组成，如图3.5所示。对于CAN2.0A标准，标识符的长度为11位，这些位以从高位到低位的顺序发送，最低位为ID.0，其中最高7位不能全为隐位。在数据帧中，RTR位总是设为0，而在远程帧中必须为1。对于CAN2.0B，标准格式和扩展格式的仲裁场的格式不同。在标准格式中，仲裁场由11位标识符和远程发送请求位TRT组成，标识符位ID.28ID.18，而在扩展格式中，仲裁场由29位标识符、替代远程请求SRR位、标志位和远程发送请求位组成。标识符位为ID.28ID.0。IDE位对于扩展格式属于仲裁场，对于标准格式属于控制场。IDE在标准格式中以显性电平发送，而在扩展格式中以隐性电平发送。图3.5 仲裁场组成替代远程请求位SRR是一隐性位，它在扩展帧中标准帧的RTR位的位置被发送，因而替代标准帧的RTR位。当标准帧与扩展帧发送冲突时，而扩展帧的基本ID同标准帧的标识符一样时，标准帧优先于扩展帧。（3）控制场包括数据长度码和两个保留位，这两个保留位必须发送显性位。数据长度码为四位，它指出了数据场的字节数目。控制场的组成如图3.6所示。图3.6 控制场的组成标准格式中控制场包括数据长度代码、IDE位（显性）及保留位r0； 扩展格式中控制场包括数据长度代码、两个保留R1和R0。（4）数据场由数据帧中被发送的数据组成，它可包括0-8字节，每字节包含8个位。（5）CRC场包括CRC序列，后随CRC界定符。（6）应答场（ACK）位，包括应答间隙和应答界定符。在应答场中，发送器送出两个隐位。一个正确的接收倒有效报文的接收器，在应答间隙，将此信息通过发送一个显位报告给发发送器。所有接收到匹配CRC序列的站，通过在应答间隙内把显位写入发送器的隐位来报告。应答界定符是应答场的第二位，并且必须是隐位，因此，应答间隙被两个隐位包围。（7）帧结束：每个数据帧和远程帧均由7个隐位组成的标志序列界定。2远程帧远程帧被用来请求总线上某个远程节点发送自己想要接收的某种数据，具有发出这种远地消息能力的节点收到这个远程帧后，就应尽力响应这个远地传送要求。所以对远程帧本身来说，是没有数据域的。没有数据场，所以数据长度代码的数值没有意义。在远程帧中，除了远程帧的RTR位是隐性的，设置成1表示被动状态外，其余部分与数据帧完全相同。远程帧的组成如图3.7所示。图3.7 远程帧组成3错误帧错误帧由两个场组成，如图3.8所示，第一场由来自各站的错误标志叠加，第二场为出错界定符。报文传输过程中任何一个节点出错，即于下一位开始发送出错帧，通知发送端停止发送。图3.8 出错帧组成4超载帧超载帧和错误帧一样由两个场组成：超载标志和超载界定符，如图3.9所示。当某接收因内部原因要求缓发下一个数据帧或远程帧时，它向总线发出超载帧。超载帧还可以引发另一次超载帧，但以两次为限。图3.9 超载帧组成3.3.2 CAN报文的帧格式有两种不同的帧格式，不同之处为标识符域的长度不同：含有11位标识符的帧为标准帧，含有29位标识符的帧为扩展帧。（1）CAN2.0B标准帧CAN标准帧信息为11个字节，包括两部分：信息和数据部分。前3个字节为信息部分如下表3.2所示。表3.2 CAN2.0B标准帧注：1字节1为帧信息。第7位（FF）表示帧格式，在标准帧中，FF=0；第6位（RTR）表示帧的类型，RTR=0表示为数据帧，RTR=1表示为远程帧；DLC表示在数据帧时实际的数据长度。2字节2、字节3为报文识别码，11位有效。3字节4字节11为数据帧的实际上数据，远程帧时无效。（2）CAN2.0B扩展帧CAN扩展帧信息为13B，包括两部分：信息和数据部分。前5个字节为信息部分，如表3.3所示。表3.3 CAN2.0B扩展帧注：1字节1为帧信息。第7位（FF）表示帧格式，在标准帧中，FF=1；第6位（RTR）表示帧的类型，RTR=0表示为数据帧，RTR=1表示为远程帧；DLC表示在数据帧时实际的数据长度。2字节2字节5为报文识别码，29位有效。3字节6字节13为数据帧的实际数据，远程帧无效。3.4 CAN总线的扩展应用及其协议介绍3.4.1 概述CAN 协议是一个非常简单的协议。它只定义了物理层和数据链路层, 本身并不完整, 有些复杂的应用问题需要一个更高层次的协议应用层协议来实现，比如, CAN 数据帧一次最多只能传送8 字节;CAN 只提供了非确认的数据传输服务等。CAN的技术特点允许各厂商在CAN 协议的基础上自行开发自己的高层应用协议, 给用户提供了一个面向应用的清晰接口。目前, 许多厂商都根据自己的意图并结合其优势纷纷推出基于CAN 的总线产品, 如DeviceNet (设备网) , CANopen , CAN Kingdom , SDS 等。它们都得到CiA (CAN in Automation) 的支持, 符合ISO11898 标准, 同时又各具特色。3.4.2 DeviceNet1概述DeviceNet 最初由Rock well 旗下Allen - Bradly 公司研制开发, 为PLC 和智能传感器设计。凭借该公司在可编程控制器和变频器等方面的优势, DeviceNet在PLC 与现场设备之间的通信网络中得到广泛应用。DeviceNet 可以说是最好的CAN 协议工业标准, 得到CiA 的支持, 并由ODVA (开放设备网供货商协会)负责它的进一步发展。据世界著名的市场调查公司VDC的“工业分布式远程I/ O 的全球市场和用户需求”研究报告称, 1999 年的市场份额位居世界第二,到2003 年仍将占第三位。DeviceNet 在CAN 协议的基础上加入了自己的应用层协议, 结合了CAN 总线的优点, 同时也满足了更为复杂的要求。涉及的标准有CAN 技术规范210A/B、ISO 11898 标准和DeviceNet 技术规范Vo1.1/ 2。DeviceNet 采用了CAN 物理层协议中的几种网络运行速率125kbps ( 500m) 、250kbps ( 250m) 、500kbps(100m) , 最多支持64 个节点。DeviceNet 的数据链路层完全遵循CAN 规范的定义, 并通过CAN 控制器芯片实现。DeviceNet 使用数据帧传送数据, 远程帧没有被使用, 超载帧和出错帧则用于例外情况的处理。2DeviceNet 应用层协议功能 DeviceNet 定义了两种不同类型的报文, 称作I/ O报文和显式报文。I/ O 报文适用于实时性要求较高的I/ O 端子的信号输出。I/ O 报文通常使用优先级高的连接标识符, 通过点对点或广播方式进行信息交换。连接标识符提供了I/ O 报文的相关信息, 在I/ O 报文利用连接标识符发送之前, 报文的发送和接受设备都必须先进行设定。显式报文则适用于两个设备间多用途的点对点报文传递, 是典型的请求- 响应通讯方式, 常用于节点的配置、问题诊断等。显示报文通常使用优先级低的连接标识符, 并且该报文的相关信息包含在显示报文数据帧的数据场中, 包括要执行的服务和相关对象的属性及地址。DeviceNet 为长度大于8字节的报文提供了分段服务。以I/ O 报文为例, I/ O 报文经过分割形成I/ O 报文片段时, 数据场中有一位由报文分割协议使用。而长度小于8 字节的I/ O 报文可以直接加在数据场中一次传送。对于显示报文, 也可以进行分段。分段服务为设备网提供了更多的可扩展性和兼容性, 保证了将来更加复杂、更智能化的设备可以加入到设备网中。DeviceNet 采用了面向对象的技术, 对象模型为管理和实现DeviceNet 产品组件的属性(数据) , 服务(方法或步骤) 和行为提供了一个模板。对象提供了由4 个数字组成的寻址方案。它们分别是节点地址(MAC ID) , 对象类标识符, 实例编号和属性编号。这四级地址与显式报文连接相结合, 将数据从DeviceNet 网络上的一点传送到另一点。设备网面向对象的设计和编址方式使设备网可以在不改变基本的协议和连接模型的基础上无限制的扩展其能力。DeviceNet 在应用层信息中还增加了对设备应用数据的描述, 它通过定义标准的设备模型促进不同厂商设备之间的互操作性。设备描述主要包括设备的各种特定数据, 如设备类型、厂家、节点地址和通信速率等。属于同一设备模型的所有设备都必须支持共同的标识和通讯状态数据。DeviceNet 采用了两种通信机制: 非连接消息管理模式和预定义主/ 从连接模式。前者充分体现了DeviceNet 的开放性, 允许动态配置设备间的连接,但对微处理器的计算能力提出了很高的要求。对于不需要使用这一功能的设备, 则采用后者。预定义主/从连接的连接标识符, 简化了主/ 从结构中I/ O 和配置型数据的传送。3.4.3 CANOpenCANOpen 是基于CAN 总线系统的网络。它是由CiA 特别兴趣组使用CAL 提供的通讯服务的一个子集进行开发的,