【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接傳送信號(hào)，因而控制系統(tǒng)功能能夠不依賴控制室的計(jì)算機(jī)或控制儀表，直接在現(xiàn)場(chǎng)完成，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。 DCS 隨著計(jì)算機(jī)、控制、網(wǎng)絡(luò)通信、組態(tài)軟件、信息集成和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展而不斷更新和發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （ 1）信息化： DCS 已從單一的控制系統(tǒng)，發(fā)展為集控制和管理于一體的綜合信息系統(tǒng)。 DCS提供了從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)到車間，再從工廠到公司，最后到企業(yè)集團(tuán)的整個(gè)信息通道，充分體現(xiàn)了信息的全面性、準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。 （ 2）集成化： DCS已從單一封 閉系統(tǒng)，發(fā)展為集成各類 PLC、工業(yè) PC、數(shù)字化儀表和設(shè)備，甚至不同型號(hào) DCS可以互相集成和信息共享，為最終用戶提供集成化綜合系統(tǒng)。 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的溫度采集器的設(shè)計(jì) 2 （ 3）智能化：隨著人工智能、專家系統(tǒng)、自適應(yīng)、預(yù)測(cè)和推理等先進(jìn)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用， DCS也適時(shí)地融合這些新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的智能化控制功能。 （ 4）開放式網(wǎng)絡(luò)： DCS已從單一封閉網(wǎng)絡(luò)，發(fā)展為開放式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和 IE 瀏覽器，可以訪問過程畫面、查詢數(shù)據(jù)、管理調(diào)度和指揮生產(chǎn)。開放式網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵是網(wǎng)絡(luò)安全，傳統(tǒng) DCS 采用軟件防火墻，現(xiàn)代 DCS 不僅有軟件防火墻，而且有硬件防火墻 ，既保證網(wǎng)絡(luò)安全開放，又保證監(jiān)控層的實(shí)時(shí)性。例如， Honeywell公司的 Experion PKS R300 的控制站采用硬件防火墻技術(shù)。 （ 5）容錯(cuò)以太網(wǎng) (FTE)：傳統(tǒng) DCS 用兩條獨(dú)立網(wǎng)絡(luò) (A， B)實(shí)現(xiàn)冗余，兩臺(tái)設(shè)備之間只有一條通信路徑，其本質(zhì)是單條網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，故障時(shí)整條網(wǎng)絡(luò)切換 (A到 B或 B到 A)，切換時(shí)間長(zhǎng)，可靠性低?，F(xiàn)代 DCS用容錯(cuò)以太網(wǎng) (FTE， Fault Tolerant Ether) 。 （ 6）無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：支持手持移動(dòng)無線操作站，將無線技術(shù)與控制技術(shù)融為一體，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作監(jiān)控、故障處理和儀 表校驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)操作與維護(hù)的無縫集成。例如， Honeywell公司的 Experion PKS R300 采用此無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 （ 7）數(shù)字視頻技術(shù)：通過攝像頭采集現(xiàn)場(chǎng)圖像信息，再通過圖像識(shí)別軟件，進(jìn)行圖像處理，發(fā)現(xiàn)異常圖像，立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，具有自動(dòng)錄像和錄像回放功能，便于事故分析，并將數(shù)字視頻技術(shù)與操作監(jiān)控軟件融為一體。例如， Honeywell公司的 Experion PKS R300 采用此數(shù)字視頻技術(shù)。 （ 8）先進(jìn)控制站： DCS的基礎(chǔ)是控制站，為了進(jìn)一步提高控制站的可靠性、穩(wěn)定性和安全性，增強(qiáng)控制站的功能，而 采用了一系列先進(jìn)技術(shù)。例如，控制站采用無底板模塊結(jié)構(gòu)，獨(dú)立傾斜式垂直插拔，散熱效果好，接線維護(hù)方便；采用容錯(cuò)以太網(wǎng) (FTE)，硬件控制防火墻 (冗余 )，冗余控制器、冗余 I/O、冗余電源、冗余現(xiàn)場(chǎng)總線接口；采用先進(jìn)的預(yù)估控制算法，魯棒性好，具有參數(shù)自整定功能。 Honeywell 公司的 Experion PKS R300 控制站是上述先進(jìn)控制站的代表之一。 隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，溫度采集控制系統(tǒng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)及人們的日常生活中扮演著一個(gè)越來越重要的角色，它對(duì)人們的生活具有很大的影響，例如：在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電 力工程、機(jī)械制造和食品加工等許多領(lǐng)域中，人們都需要對(duì)各類加熱爐等溫度進(jìn)行采集和控制。溫度采集與控制，在保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源和安全生產(chǎn)等方面起著關(guān)鍵的作用。 溫度采集技術(shù)現(xiàn)狀 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生，給人們的生活帶來了根本性的變化，如果說微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)使現(xiàn)代的科學(xué)研究得到了質(zhì)的飛躍，那么可編程控制器的出現(xiàn)則是給現(xiàn)代工業(yè)控制測(cè)控領(lǐng)域帶來了一次新的革命。在現(xiàn)代社會(huì)中，溫度河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 3 控制不僅應(yīng)用在工廠生產(chǎn)方面，其作用也體現(xiàn)到了各個(gè)方面。 隨著人們生活質(zhì)量的提高，酒店廠房及 家庭生活中都會(huì)見到溫度控制的影子，溫度控制將更好的服務(wù)于社會(huì)目前，單片機(jī)控制器在從生活工具到工業(yè)應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域，例如生活工具的電梯、工業(yè)生產(chǎn)中的現(xiàn)場(chǎng)控制儀表、數(shù)控機(jī)床等。尤其是用單片機(jī)控制器改造落后的設(shè)備具有性價(jià)比高、提高設(shè)備的使用壽命、提高設(shè)備的自動(dòng)化程度的特點(diǎn)。 現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)、工程建設(shè)及日常生活中常常需要用到溫度控制 ,早期溫度控制主要應(yīng)用于工廠中，例如鋼鐵的水溶溫度，不同等級(jí)的鋼鐵要通過不同溫度的鐵水來實(shí)現(xiàn)，這樣就可能有效的利用溫度控制來掌握所需要的產(chǎn)品了。 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的溫度采集器的設(shè)計(jì) 4 第 2 章 設(shè)計(jì)方案選擇與論證 設(shè)計(jì)要求及技術(shù)指標(biāo) 本課題要求設(shè)計(jì)出能夠 支持 MODBUS 協(xié)議的 RS485 現(xiàn)場(chǎng)總線通信 的熱阻型溫度采集模塊，該模塊能夠通過現(xiàn)場(chǎng)總線與工控計(jì)算機(jī)掛接。 技術(shù)指標(biāo)： ： PT100； ： ℃； : ℃； ： 220VAC177。 10%； ： 45～ 85℃； ： ≤ 85%； ： RS485 現(xiàn)場(chǎng)總線。 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 針對(duì)本課題的研究?jī)?nèi)容是設(shè)計(jì)一款測(cè)量精度高、支持 RS485 硬件接口和 MODBUS 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的溫度采集模塊。 該溫度采集 模塊能夠?qū)?6 點(diǎn)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，采用支持 MODBUS 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的 RS485光電隔離接口與 PC機(jī)進(jìn)行通信?；谝陨瞎δ?，具體設(shè)計(jì)方案如圖 21 所示。 220VAC C8051F410 單片機(jī) 多路模擬開關(guān) RS485 接口電路 PC機(jī) 開關(guān)電源電路 PT100(1) 信號(hào)放大 (1) 信號(hào)放大 (2) PT100(2) PT100(6) 信號(hào)放大 (6) . . . . . . +5V 5V GND A/D接口 圖 21 實(shí)施方案原理框圖 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 5 根據(jù)上述研究?jī)?nèi)容和技術(shù)要求，采用圖 21所示設(shè)計(jì)方案。在圖 21中包含采集放大電路，主控單元， RS485接口電路，電源電路等 4個(gè)主要功能模塊。 采集放大電路：將熱電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為 02v的模擬電壓信號(hào) ,用來測(cè)量溫度； 主控單元：采用 C8051F410 單片機(jī)作為整個(gè)電路的核心 ,控制采集 通道的選擇 ,數(shù)據(jù)的處理并與 RS485接口電路相連接 ,進(jìn)行數(shù) 據(jù)的傳輸和通信； RS485 接口電路：實(shí)現(xiàn) PC 機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)總線模塊之間的通訊； 電源電路：將 220VAC 通過開關(guān)電源穩(wěn)壓電路輸出 +5V和 5V 電壓 ,給模塊中的各部分電路提供工作電源。 其中，采集放大電路采用三線制接線法，來消除導(dǎo)線引入的測(cè)量誤差。因?yàn)?C8051F410單片機(jī)中自帶 A/D轉(zhuǎn)換接口，因此不需要單獨(dú)設(shè)計(jì) A/D 轉(zhuǎn)換電路。 溫度傳感器的選擇 熱電阻溫度傳感器 熱電 阻 是工業(yè)上最常用的溫度檢測(cè)元件之一。其優(yōu)點(diǎn)是： 1． 測(cè)量精度高。因 熱電 阻 直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。 2． 測(cè)量范圍廣。常用的熱電偶從 50~+1600℃ 均可邊續(xù)測(cè)量，某些特殊熱電 阻 最低可測(cè)到 269℃ （如金鐵鎳鉻），最高可達(dá) +2800℃ （如鎢 錸）。 3． 構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便。熱電 阻 通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來非常方便。 集成電路 (IC) 溫度傳感器 集成電路 (IC) 溫度傳感器性能離散度很大 , 用于高精度測(cè)量時(shí) , 必須進(jìn)行校準(zhǔn)。測(cè)溫鉑電阻溫度系數(shù)的離散度很小 , 精確度高 , 靈敏度也較好 , 特別適用于 1000 度以下的溫度測(cè)量 , 但價(jià)格昂貴。集成電路溫度傳感器利用了半導(dǎo)體 PN 結(jié)電流電壓特性和溫度的相關(guān)性 , 和熱敏電阻、熱電偶相比 , 最大優(yōu)點(diǎn)是輸出線性好 , 測(cè)溫精度較高。感溫部分、傳感器驅(qū)動(dòng)部分、信號(hào)處理部分等電路均集成化并封閉在一個(gè)小型管殼內(nèi) , 使用方便。 題目設(shè)計(jì)要求輸入信號(hào)為 PT100；測(cè)溫分辨為 ℃；測(cè)溫精度為 ℃；綜合以上因素考慮選擇 熱電 阻溫度傳感器 (PT100)。 PT100 鉑電阻的溫度和阻值對(duì)應(yīng)關(guān)系 見附錄 A 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的溫度采集器的設(shè)計(jì) 6 通信接口的選擇 RS232 雙機(jī)通訊接口 目前 RS232 是 PC 機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。 RS232 被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。 RS232 采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。 如果雙機(jī)通訊距離在 30m 之內(nèi)，可利用 RS232 標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的雙機(jī)通訊。 RS422 串行 通訊 接口 RS422 標(biāo)準(zhǔn)全稱是 “平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性 ”，它定義了接口電路的特性。典型的 RS422 是四線接口。實(shí)際上還有一根信號(hào)地線，共 5 根線。由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動(dòng)器比 RS232 更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，故允許在相同傳輸線上連 接多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，最多可接 10 個(gè)節(jié)點(diǎn)。即一個(gè)主設(shè)備（ Master），其余為從設(shè)備（ Salve），從設(shè)備之間不能通信，所以 RS422 支持點(diǎn)對(duì)多的雙向通信。接收器輸入阻抗為 4k，故發(fā)端最大負(fù)載能力是 104k+100Ω（終接電阻）。 RS422 四線接口由于采用單獨(dú)的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數(shù)據(jù)方向，各裝置之間任何必須的信號(hào)交換均可以按軟件方式（ XON/XOFF 握手）或硬件方式（一對(duì)單獨(dú)的雙絞線）實(shí)現(xiàn)。 RS422 的最大傳輸距離為1219 米，最大傳輸速率為 10Mb/s。其平衡雙絞線的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比，在 100kb/s速率以下，才可能達(dá)到最大傳輸距離。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般 100 米長(zhǎng)的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為 1Mb/s。 RS422 需要一終接電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。在矩距離傳輸時(shí)可不需終接電阻，即一般在 300米以下不需終接電阻。終接電阻接在傳輸電纜的最遠(yuǎn)端。 RS485 串行 通訊 接口 由于 RS485 是從 RS422 基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，所以 RS485 許多電氣規(guī)定與 RS422相仿。如都采用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線上接終接電阻等。 RS485 可以 采用二線與四線方式，二線制可實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)雙向通信，而采用四線連接時(shí)，與 RS422 一樣只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多的通信，即只能有一個(gè)主（ Master）設(shè)備，其余為從設(shè)備，但它比 RS422有改進(jìn)， 無論四線還是二線連接方式總線上可多接到 32 個(gè)設(shè)備。 RS485 與 RS422 的不同還在于其共模輸出電壓是不同的， RS485 是 7V至 +12V之間，而 RS422 在 7V至+7V 之間， RS485 接收器最小輸入阻抗為 12k， RS485 滿足所有 RS422 的規(guī)范，所以RS485 的驅(qū)動(dòng)器可以用在 RS422 網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。 RS485 與 RS422 一樣，其最大傳輸距離約為 1219 米，最大傳輸速率為 10Mb/s。平衡雙絞線的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比，在100kb/s 速率以下，才可能使用規(guī)定最長(zhǎng)的電纜長(zhǎng)度。只有在很短的距離下才能獲得最高河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 7 速率傳輸。一般 100 米長(zhǎng)雙絞線最大傳輸速率僅為 1Mb/s RS485 需要 2 個(gè)終接電阻，其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗。在矩距離傳輸時(shí)可不需終接電阻，即一般在 300 米以下不需終接電阻。終接電阻接在傳輸總線的兩端。 綜上所述， RS232 雙機(jī)傳輸距離太短，故不采用。 RS422A 雙機(jī)通訊需四芯傳輸線，這對(duì) 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的長(zhǎng)距離通信是很不經(jīng)濟(jì)的，因此采用 RS485 串行 通訊 接口 。 單片機(jī)的選擇 C8051F410 MCU 在 CIP51 內(nèi)核和外設(shè)方面有幾項(xiàng)關(guān)鍵性的改進(jìn)，提高了整體性能，更易于在最終應(yīng)用中使用。 擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)允許大量的模擬和數(shù)字外設(shè)獨(dú)立于微控制器工作，只在必要時(shí)中斷微控制器。一個(gè)中斷驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)需要較少的 MCU 干預(yù)，因而有更高的執(zhí)行效率，并使多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)更加容易。 C8051F410 內(nèi)部有一個(gè) 12 位 SAR ADC 和一個(gè) 27 通道單端輸入多路選擇器，該ADC 的最大轉(zhuǎn)換速率為 200ksps。 ADC 系統(tǒng)包含一個(gè)可編程的模擬多路選擇器，用于選擇 ADC 的輸入。端口 0~2 可以作為 ADC 的輸入；另外，片內(nèi)溫度傳感器的輸出和電源電壓（ VDD）也可以作為 ADC 的輸入。用戶固件可以將 ADC 置于關(guān)斷狀態(tài)或使用突發(fā)模式以節(jié)省功耗。 C8051F410 內(nèi)部 24 個(gè) I/O引腳，端口引腳被組織為三個(gè) 8 位端口。端口的工作情況與標(biāo)準(zhǔn) 8051 相似，但有一些改進(jìn)。每個(gè)端口引腳都可以被配置為數(shù)字或模擬 I/O引腳。被選擇作為數(shù)字 I/O的引腳還可以被配置為推挽或漏極開路輸出。在標(biāo)準(zhǔn) 8051 中固定的“弱上拉”可以被單獨(dú)或總體禁 止，以降低功耗。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，只需一個(gè)全雙工串行接口，一個(gè) A/D轉(zhuǎn)換電路，一個(gè)多路模擬開關(guān)電路，因此 C8051F410 單片機(jī)足以滿足 控制要求，功耗較低。因此選擇 C8051F410 單片機(jī)作為主控制器。 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的溫度采集器的設(shè)計(jì) 8 第 3 章 硬件設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)硬件電路由 采集放大電路，主控單元電路， RS485 通信接口電路，光電隔離電路，穩(wěn)壓電源電路組成，總體硬件電路圖見附錄 B。 單片機(jī)接口電路 C8051F410單片機(jī)接口如圖 31。 圖 31 C8051F410單片機(jī) VDD 為內(nèi)核電源， VIO 為 I/O 電源 ， GND 為地。 VRTCBACKUP 為 smaRTClock后備電源， 為 6 路模擬信號(hào)的接收端， R（ ）、 T（ ）為數(shù)字串口的接收和發(fā)送端， C2D和 C2CK是 JTAG下載調(diào)試接口。 VCC 為 。 GND 為地接口。 XTAL3端口為 smaRTClock 振蕩器晶體輸入端， XTAL4端口為 smaRTClock 振蕩器晶體輸出端。 溫度信號(hào)采集 電路 熱敏電阻溫度采集模塊由精密穩(wěn)定恒流源電路，熱敏電阻 PT100 構(gòu)成的信號(hào)采集電路， A/D 轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。熱敏電阻 PT100 根據(jù)溫度 信號(hào)變化電阻 阻 值發(fā)生變化， 被測(cè)溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來測(cè)量 ，在熱敏電阻 PT100 組成的采集電路加一河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 9 恒定電流，產(chǎn)生一個(gè)模擬的電壓信號(hào)，經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，輸入單片機(jī)進(jìn)行處理。 熱電阻測(cè)溫模塊 原理 框圖 如圖 32。 恒定電流 溫度信號(hào) 模擬電壓信號(hào) 數(shù)字電壓信號(hào) 32 熱電阻測(cè)溫模塊框圖 熱電阻 PT100的三線制接法測(cè)量電路如圖 33所示為消除引線引入的測(cè)量誤差 , 熱電阻的測(cè)量采用三線制接法 。 圖 33熱電阻信號(hào)測(cè)量電路 在圖 33中 ,由于 R12 +R13RT+2R,R15+RR則有 V2= I ( KT + 2 R) (31) V1= I R (32) V4= V3=1/3V2 (33) (V11/3*V2)/R15=(1/3*V2V0)/(R23+R19) (34) V0=(R24*VR1)/(R17+R24) (35) 帶入各電阻值整理得 : VR1=11*I*RT (36) V0=I*RT (37) 精密穩(wěn)定恒流源 由熱電阻 PT100 構(gòu) 成的信號(hào)采集電路 A/D 轉(zhuǎn)換電路 單片機(jī) 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的溫度采集器的設(shè)計(jì) 10 由式 (37)可見 , 熱電阻測(cè)量電路的輸出電壓僅與電流 I和熱阻 RT 有關(guān)