基于CAN总线的温度控制系统设计文献综述

石河子大学机械电气工程学院毕业论文(设计)文献综述课题名称：基于CAN总线的温度控制系统设计学生姓名：刘凯学号：2010509045学院：机电学院专业、年级：10电气（2）班指导教师：李江全职称：教授毕业论文(设计)起止时间：2014年3月-6月摘要温度检测应用于工厂、电力、楼宇、冶金、粮仓、元器件老化等行业自动化领域。CAN总线是一种具有国际标准的现场总线,它具有结构简单、实时性好、可靠性高、抗干扰能力强、成本低等显著优点。因其卓越的性能，应用不再局限于汽车工业，已被广泛应用到自动控制、楼宇自动化、医学设备等各个领域。本文重点研究基于CAN总线的温度控制系统，对目前存在的基于can总线的温度控制技术的相关文献进行分析，总结。分析目前存在的控制系统的利于弊。关键词:CAN总线;温度检测;温度控制;模拟量Abstract：Thetemperaturedetectionusedinfactories,electricpower,building,metallurgy,granary,componentagingindustryautomationfield.CANbusisakindoffieldbuswithinternationalstandard,ithastheadvantagesofsimplestructure,goodreal-timeperformance,highreliability,stronganti-interferenceability,hastheadvantagesoflowcost.Becauseofitsexcellentperformance,itsapplicationisnotlimitedintheautomotiveindustry,hasbeenwidelyusedinautomaticcontrol,buildingautomation,medicalequipmentandotherfields.TemperaturecontrolsystembasedonCANbusthispaperfocusesontheresearch,theexistingtemperaturecontroltechnologyofCANbusbasedonliteratureanalysis,summary.Analysisofcontrolsystemandtheexistingadvantagesanddisadvantages.Keywords:CANbus;temperaturemeasurement;temperaturecontrol;simulation0引言温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。自然界中任何物理、化学过程都紧密地与温度相联系。在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。自18世纪工业革命以来，工业过程离不开温度控制。温度控制广泛应用于社会生活的各个领域，如家电、汽车、材料、电力电子等。温度控制的精度以及不同控制对象的控制方法选择都起着至关重要的作用，温度是锅炉生产质量的重要指标之一，也是保证锅炉设备安全的重要参数。同时，温度是影响锅炉传热过程和设备效率的主要因素。基于此，运用反馈控制理论对锅炉进行温度控制，满足了工业生产的需求，提高了生产力在现代化的工业生产中,电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数据。例如:在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中,人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。温度控制不好就可能引起生产安全,产品质量和产量等一系列问题。尽管温度控制很重要,但是要控制好温度常常会遇到意想不到的困难。采用以can总线对温度进行控制,不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点,而且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和数量。[1]在工业控制系统中，CAN总线在完成现场的智能仪器仪表、控制器、执行器等底层设备间的数据通信方面正发挥着巨大的作用。在以往国内测控领域由于技术的限制，没有更好的选择，大都采用BITBUS和RS485作为通信桥梁，存在许多不足，CAN总线产品由于结构简单、应用灵活方便、可靠性强、价格低廉等优点，越来越受到工业界青睐，其影响的领域越来越广泛。被公认为几种最有前途的现场总线之一。1研究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是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。CAN总线不仅传输速度快,而且它的错误检测和丢失仲裁机制能够确保CAN总线系统在恶劣的工业生产环境中可靠的工作作为一种现场总线,基于CAN总线的系统造价低廉,网络搭建极为方便,非常适合目前工业生产的需求[1]。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。而我设计的温度控制器具有普遍的适用性，可以用于大部分需要测量和控制温度的工业现场。2国内外研究现状2.1国内研究现状在上个世纪70年代,随着计算机微电子技术的发展,控制仪器也得到了性能和结构的改变,一些智能设备在工业生产中占据的地位越来越重要,计算机与仪器设备间的界限越来越模糊[2]。在温度控制方面的系统很多是基于Rs485总线实现的,在RS485系统中,最多可以挂载30多个节点,有着价格低廉,维护方便的优点,但是RS485总线是通过循环地址查询，挂载的节点越多效率越低,每个节点的总线地址是确定不变的,不利于实现系统的冗余,主节点的错误会影响到整个系统的功能另外IZC总线也广泛应用于工控领域,它虽然有着接线简单,可以挂载多个器件的优点,但是软件实现上相对复杂,且传输速度较慢[3]。现场总线是应用在生产现场、在控制设备之间实现双向串行多节点通信的数字通信系统。它是在80年代后期发展起来的一种先进的现场工业控制技术,它综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段,从根本上突破了传统的点对点式的模拟信号或数字模拟信号控制的局限性,构成一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多节点的通信与控制系统。现场总线的基础是智能现场设备,分散在各个工业现场的智能设备通过现场总线连为一体,并与控制室中的监控设备一起共同构成FCS。FCS通过遵循一定的国际标准,可以将不同厂商的现场总线产品集成在同一套FCS中,具有互换性和互操作性。FCS把传统DCS的控制功能进一步下放到现场智能设备,由现场智能设备完成数据采集、数据处理、控制运算和数据输出等功能。现场智能设备的数据,通过现场总线传到控制室的监控设备上控制室的监控设备用来监视各个现场设备的运行状态,保存各现场智能设备上传的数据,同时完成一定的控制功能因此FCS更好地体现了“信息集中,控制分散”的概念。而且FCS连线简单,将大大降低安装和连线的费用,现场装置的智能化将增强现场设备的功能,减少一半甚至一半以上的FO设备,并提供更多的信息流动。由于结构上的改变,FCS比DCS节约硬件设备。同时减少大量电缆,使施工、调试大大简化[4~6]。目前自动控制中的温度测控网络的研究重点集中在远距离传输和检测数据的稳定性上。通常该系统主要采用的是用模拟温度传感器，通过A/D转换成数字信号，再转换为RS485通信。测控系统主要借助于PC提供的RS232串行口。与RS-485之间进行转换，从而实现温度测控网络系统的控制。这种方式虽然很成熟。但主要存在两大缺点。一是A/D转换成本高，电路较为复杂，稳定性差。二是RS485通信距离短，一般不加中继通信距离小于1200m，同时RS485抗强干扰能力差，当某一通信节点出现故障时不能自动脱离，从而使整个系统瘫痪。严重影响了整个系统的可靠性。为了提高自动控制系统中通信的可靠性。近年来，现场总线取得了长足的发展。现场总线系统FCS也是未来控制网络化的基础。FCS不需要一个中央控制单元来集中控制和操作，而是通过智能现场设备来完成控制和通信任务。可较好地解决实时控制和现场信号的网络通信。另外新一代的数字温度传感器，可直接将温度信号转换为串行数字信号供计算机处理，使检测稳定性大为提高。因此，把现场总线技术，单片机控制技术和数字化温度传感器结合起来，就可以克服目前温度测控网络系统中存在的缺点，实现高可靠性的数字化温度测控网络系统。[7]2.2国外研究现状1986年德国Bosch公司为解决汽车的监测和控制而设计了CAN,CAN(ControllerAreaNetwork)是一种串行网路,基于其高可靠性、支持分布式控制和实时控制等适合工业控制的特点,随后逐步发展到其他工业控制领域。CAN总线经过上世纪90年代的高速发展,并制定了CAN技术规范(CAN2.0)和ISO国际标准(IS011898)。据上世纪90年代初成立的国际CAN用户和制造商非营利组织CiA(CANinAutomation)统计:在1998年CAN节点销售量多达9700万个,其中80%安装于欧洲,且80%的CAN节点应用于汽车工业,剩下20%则应用于嵌入式网络和工业控制系统,如工业控制系统、监测系统、机器人控制系统等。值得注意的是在欧洲高能物理项目CERN中也采用了CAN总线。[8~10]进入21世纪,CAN总线技术得到高速发展,在广泛应用于汽车应用领域的同时,逐渐应用于其他新领域,如:医疗器械、航空航天、航海、自动化控制和军事国防等众多领域。CAN总线被公认为几种最有前途的现场总线之一。随着我过经济的高速发展,科技创新的突飞猛进,CAN总线作为我国新兴的科学技术手段,将会在我国工业、农业、生活等众多领域发挥出巨大的作用和潜力,为推动我国的现代化建设做出应有的贡献。[11]众多国际知名汽车公司早在20世纪80年代就积极致力于汽车网络技术的研究及应用。早期的汽车网络只不过是2个处理器之间的UART连接。这种串行连接使2个控制器之间能容易地共享信息，但这样的网络却无法简单地增加节点。北美汽车制造商和汽车工程师协会SAE（SocietyofAutomotiveEngineers）开发了J1850，这是一个汽车网络的专用规程。J1850很快就成了车内联网的标准，并取代了UART串行通讯。通用汽车公司和克莱斯勒汽车公司使用10.4kb/s可变脉宽规程的相似版本,在单根线的总线上通讯。福特汽车公司采用速率更高的41.6kb/sPWM型,在2条线的差分总线上通讯。欧洲汽车制造商支持控制器局域网络CAN（ControlAreaNetwork）。CAN最早是德国博世公司开发的，是一种最高数据速率可达到1Mb/s的实时控制总线。其它的标准还有德国大众的ABUS、ISO的VAN、马自达的PALMNET等。[12]3结束语现今基于can总线的温度控制系统在生产、安全保护以及节约能源等方面发挥了着重要作用。近年来，国内基于can总线的温度控制系统在技术上得到迅速发展，性能不断完善，功能不断增强，适用范围也不断扩大，市场占有率逐年增长，进入21世纪后，智能的温控系统正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟温控器和网络温控器、研制单片测温控温系统等高科技的方向迅速发展。但是比起国外，我们仍处于起步晚，高度低，技术创新能力薄弱的状况，技术密集型产品明显落后于发达工业国家，自主研发产品少，缺乏核心技术