毕业论文：基于can总线和组态王的粮库监控系统的研究终稿

毕业论文：基于can总线和组态王的粮库监控系统的研究终稿内容摘要：

可以实现远程访问、远程诊断。 具有更高的通讯带宽，能方便的实现现场设备层与企业管理层之间的无缝连接。 随着高速以态网和交换式以态网的发展，以态网的实时性得到了很大提高。 这些现象表明：基于 TCP/IP的工业以态网将在工业控制网络中成为很重要的一部分。 但是就现在的应用情况看，它不适合在工作环境恶劣，可靠性要求高等场合的应用。 一般可以 和其他总线混合应用。 如和 RS485混合应用于粮库系统。 （ 5） 基于现场总线网络的粮库监控系统 现场总线技术是一个全新的总线技术，是一种 应用于现场设备之间 ， 现场设备与控制之间实行双向，串行，多节点数字通讯的技术。 它的出现为自动化控制和仪器仪表工业带来了巨大的变革，它代表着未来发展的方向。 目前国内粮情 监 控系统 主要 采用了 三 种现场总线：LONWORKS总线技术 ， PROFIBUS总线 [5]和 CAN总线 [20][21]技术。 1） LONWORKS总线技术 通信是采用一种称为 LonTalk的网络标准语言实现的。 LonTalk协议由各种允许网络上不同设备彼此间智能通信的底层协议组成。 支持 OSI/RM的所有七层模型，通过神经元芯片（ Neuron Chip）上的硬件和固件实现提供介质存取，事物确认，认证，组播消息发送及通讯等服务。 其 总线开放、可靠性高、通信速度最高可达 ，最大通信距离可达 2700米。 网络的大小可以是两个到 32385个设备。 2） PROFIBUS总线 也是参考 ISO/OSI模型。 PROFIBUS总线 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。 传输速率为 ，最大传输距离在， ，可用中继器延长至 10千米，最多可挂接 127个站点。 3） CAN总线技术在粮情测控系统中的应用比 LONWORKS总线技术更为广泛。 CAN总线技术具有先进的多主网络结构、通讯距离远、价位低、可靠性高、系统容量大等优点。 同时 CAN总线最大通讯距离可达 10公里，这对库区较大、粮仓分布较分散的大型储备粮库是非常适用的。 CAN现场总线技术的另一个优点是可以大大节约连接导线以及安装维护费用，使得整个系统在大大提高系统整体性 能的同时具有很高的性能价格比。 粮库监控发展存在的问题 [19] 国内 粮库监控系统的发展在 许多粮库中取得了良好的效果和明显的经济效益，为实现粮库现代化管理起到了十分积极的作用。 但还存在一些不足的地方： （ 1） 现场采集抗干扰能力差。 大部分监控系统检测参数时通常采用测量电路将温度 转换为 0— 5V的信号，然后经数字模拟 A／ D转换，将信号传送到单片机进行分析处理，由于现场传感器的引线太长。 其温度转换信号易受工业及其它杂波信号干扰，影响测温数据和系统稳定性。 （ 2） 监测参数少。 有的监测的对象往往比较单一，比 如有的只有温度或湿度监测，很少涉及虫害等其它参数的监测。 （ 3） 仓内的采集元器件保护不好易损坏。 在高温雷雨季节或实施熏蒸处理后系统检测元件出现短路、断路或数值过高、过低。 甚至于整仓采集传输不回计算机进行处理数据。 究其原因主要是因为一些电子元器件的防腐蚀、防雷击、防静电等的技术处理不完善。 电子元件板的密封处理达不到技术要求。 增加了损坏数量。 （ 4） 有的监测的自动化程度低。 没有建立一个完善的自动化监测通讯网络，检测的数据利用率不高。 （ 5） 粮情测控系统之间存在兼容性 问题。 一些分批建设的粮库。 每次建库、扩库都使用不同厂家生产的粮情测控系统。 几套粮情测控系统之间互不兼容，造成国家建设资金浪费。 也不利于实际操作维护 ，不容易 升级 和推广。 粮库监控发展 趋势 [19] （ 1） 传感器的集成化、数字化和智能化。 如将传感器及微处理器集成在一个芯片上则成为数字化和智能化的传感器。 随着传感器制造技术的发展，集成化、数字化和智能化的传感器成本必然降低，易于推广，这样粮情测控系统的结构将发生根本性的改变。 （ 2） 数据检测 的 全面化 ： 粮情测控系统检测的内容不但包括目前的温度湿度，还将包括粮食水分、粮堆内相关气 体的浓度、储粮害虫的密度等，使粮情测控系统更能全面地反映影响粮食储藏安全和粮食品质的各种参数，为安全储粮和延缓陈化提供可靠的技术保证。 （ 3） 数据分析的智能化：能够完成对检测数据的图形、图表显示、分析、查询，并能根据对粮情数据的分析结论，提供相应的警告、建议等。 粮情测控系统软件能按照《机械通风技术规程》的规定同时对多个有不同通风目的仓房，实行实时通风的控制，并可随时根据储粮条件的变化经控制通风参数及其进程，完成对一个完整通风过程全面清晰的记录，界面友好，操作简便。 （ 4） 粮库监控系统 产品系列化、标准 化。 （ 5） 粮库监控 系统的 自动化 和网络化： 粮食储藏中的粮情 监控 技术同计算机控制技术一样，也必将朝着逐渐成主流的 现场总线 控制系统和多媒体控制系统方向发展。 多媒体和集散粮情测控系统可将粮情多媒体信息 (如储粮害虫密度等 )进行采集、监视、传输，以及综合分析处理和管理，提高粮食储藏技术的管理和自动化水平； 同时利用 局域网 /因特网的实时状态查询和设备监控。 从而 将粮食储藏过程中的机械通风、环流熏蒸、谷物冷却储粮控制和生产过程控制等独立完善的控制系统有机结合。 逐步建立起集粮情检测、粮情分析与粮情控制于一体的集成化粮情测控 系统，提高粮食储藏的现代化水平。 粮库监控系统的方案提出 考虑到粮库参数很多，其中最重要的是库内外温度，湿度，库内虫害和水分等，如果对这些参数不能及时的采集和处理，很可能造成严重的损失。 这里我们主要对粮库在内外温度湿度以及虫害进行检测和控制。 对于水分，气体浓度等其它参数预留有检测控制口。 为以后扩展作好准备。 通讯网络我们采用 CAN总线，管理控制部分采用组态王进行监控，设计 整个系统 的 抗干扰能力强，实时性和纠错能力强， 扩展容易。 网络 具有 布线方便、经济 等。 同时现场采集采用数字式传感器。 信号传输过程的衰减不会 影响系统精度，且传输距离长。 从而提高粮情监测系统的可靠性，扩大粮情监测的功能。 本课题主要要完成以下几方面的工作 （ 1）：分析当前粮库监控系统的发展状况和发展趋势，为设计作好理论依据。 （ 2）： CAN总线为通讯网络的分布式粮库监控系统的整体方案设计和具体实施。 （ 3）：管理控制部分的组态设计和数据库管理。 （ 4）：现场传感器的选择和现场控制器的控制。 第二章： CAN总线简介 CAN总线 （ SJA1000 Area Network）即控制器局域网， 由德国 BOSCH公司 20世纪 80年代推出。 是国际上应用最 广泛的现场总线之一。 遵从 OSI模型，划分为物理层和数据链路层。 CAN 总线 主要特点 [1] （ 1） CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可以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，通讯方式灵活，且无需站地址等节点信息。 利用这一特点可以方便的构成多机备份系统。 （ 2） CAN网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在 134181。 s内得到传输。 （ 3） 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地退出发送，而最高优 先级的节点可以不受影响地继续传输数据，从而大大的节省了总线冲突仲裁时间，尤其在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况（以太网则有可能会出现网络瘫痪）。 在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其它节点的操作不受影响。 （ 4） CAN 只需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收数据，无需专门的“调度”。 （ 5） CAN的传输介质可用双绞线，同轴电缆或光纤，方式灵活。 直接通讯距离达到 10km（速度 5Kbit/s以下）；通信速率最高可达 1Mbit/s（此时的通讯距离最长为 40M）。 （ 6） 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；标志符可达 2032种（ ），而扩展标准（ ）的报文标志符几乎不受限制。 （ 7） CAN 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。 每帧信息都有 CRC校验。 保证了数据出错率极低。 CAN报文的帧结构 [2] CAN通讯协议 A 规定了 4种不同的 帧类型 ： 数据帧：数据帧携带数据从发送器至接收器。 远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧。 错误帧：任何单元检测到一总线错 误就发出错误帧。 过载帧：过载帧用以在先行的和后续的数据帧（或远程帧）之间提供一附加的延时。 其中 数据帧（或远程帧）通过帧间空间与前述的各帧分开。 数据帧 数据帧由 7 个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、 CRC 场、应答场、帧 结束。 数据场 的长度可以为 0。 具体组成如图 图 （ 1）帧起始： 以一个比特的显位出现，只有在总线处于空闲状态时，才允许开始发送。 仲裁场 ： 仲裁场包括识别符和远程发送请求位（ RTR）。 识别 符：识别符的长度为 11 位。 这些位的发送顺序是从 ID10 到 ID0。 最低位是 ID0。 最高的 7 位 ID10 到 ID4）必须不能全是“隐性”。 RTR 位：该位在数据帧里必须为“显性”，而在远程帧里必须为“隐性”。 如图 图 （ 2） 控制场 ： 由 6 个位组成，包括数据长度代码和两个将来作为扩展用的保留位。 所发送的保留位必须为“显性”。 接收器接收所有由“显性”和“隐性”组合在一起的位。 数据长度代码：数据长度代码指示了数据场中字节数量。 数 据长度代码为 4 个位，在控制场里被发送。 如图。 图 （ 3） 数据场 ： 由数据帧中的发送数据组成。 它可以为 0～ 8 个字节，每字节包含了 8 个位，首先发送 MSB。 CRC 场包括 CRC 序列（ CRC SEQUENCE），其后是 CRC 界定符（ CRC DELIMITER）。 应答场长度为 2 个位，包含应答间隙（ ACK SLOT）和应答界定符（ ACK DELIMITER）。 在应答场里，发送站发送两个“隐性”位。 当接收器正确地接收到有效的 报文，接收器就会在应答间隙（ ACK SLOT）期间（发送 ACK 信号）向发送器发送一“显性”的位以示应答。 帧 结束： 每一个数据帧和远程帧均由一标志序列界定。 这个标志序列由 7 个“隐性”位组成。 远程帧 通过发送远程帧，作为某数据接收器的站通过其资源节点对不同的数据传送进行初始化设置。 远程帧由 6 个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、 CRC 场、应答场、帧 结束。 与数据帧相反，远程帧的 RTR 位是“隐性”的。 它没有数据场，数据长度代码的数值是不受制约的（可以标注为容许范围里 0...8 的任何数 值）。 此数值是相应于数据帧的数据长度代码。 如图。 图 错误帧 错误帧由两个不同的场组成。 第一个场用作为不同站提供的错误标志（ ERROR FLAG）的叠加。 第二个场是错误界定符。 如图 图 超载帧 超载 帧包括两个位场：过载标志和过载界定符。 有两种过载条件都会导致过载标志的传送： 1. 接收器的内部条件（ 此接收器对于下一数据帧或远程帧需要有一延时）。 2. 间歇场期间检测到一“显性”位。 由过载条件 1 而引发的过载帧只允许起始于所期望的间歇场的第一个位时间开始。 而由过载条件 2 引发的过载帧应起始于所检测到“显性”位之后的位。 如图图 图 CAN总线的协议规范 [1][2] （ 1） 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 ： 表 7 6 5 4 3 2 1 字节 1 FF PTR X X DLC（数据长度） 字节 2 （报文识别码） — 字节 3 — PTR 字节 4 数据 1 字节 5 数据 2 字节 6 数据 3 字节 7 数据 4 字节 8 数据 5 字节 9 数据 6 字节 10 数据 7 字节 11 数据 8 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。 3为报文识别码， 11 位有效。 4～ 11 为数据帧的实际数据，远程帧时无效。 （ 2） 13个字节，包括两部分，信息和数据部分。 前 5个字节为信息部分。 如 表 表 7 6 5 4 3 2 1 字节 1 FF PTR X X DLC（数据长度） 字节 2 （报文识别码）。