基于CAN总线网络的高炉上料自动控制系统研究

论文摘要

现场总线是一种在工业控制系统中进行底层现场区域通信的新兴技术,CAN总线由于其低成本、开发环境友好以及本身固有的多主通信机制得到了高速发展。本文的设计内容主要包括两方面:其一,本文针对高炉上料系统的特点,采用CAN现场通信技术,设计了基于CAN总线的高炉上料自动控制系统网络。设计时首先研究了传统高炉上料工艺和传统高炉数据通信技术,然后构造了上位机智能节点、料斗智能节点、中间料斗智能节点等19个网络节点,挂接到CAN物理总线上,形成CAN网络,完成了基于CAN总线的高炉上料系统数据传输网络正常通信功能。其二,以CAN总线的实时性问题为研究,在系统分析了CAN总线协议的特点并指出CAN总线的主要局限性的基础上,对CAN总线网络通信的实时问题进行了理论分析,并通过实验的方式证明了在高负载情况下网络延时会大大增强。为此根据CAN协议的数据链路层特点提出了基于优先级晋升CAN调度方法。在基于CAN的高炉上料自动控制网络的实验平台上,通过实验证明了优先机晋升CAN相对于基本CAN在高网络负载下有更小的延时。论文的研究成果表明,基于CAN总线的高炉上料数据传输系统同时适合中小型现场总线通信,可以推广到其它相关工业行业和领域应用。CANBus调度算法方面,优先级晋升时分CAN相对基本CAN协议具有更小的网络延时,并能够保证低优先级信息在高网络负载下占有一定的通信带宽。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 现场总线产生背景
• 1.1.1 集散控制系统简介
• 1.1.2 现场总线产生
• 1.2 现场总线的优点与技术特点
• 1.2.1 现场总线的特点
• 1.2.2 现场总线的优点
• 1.3 CAN 总线的特点与技术局限性
• 1.4 CAN 总线目前研究现状
• 1.5 国外高炉上料系统介绍
• 2 选题的目的及意义与本文研究内容
• 2.1 选题的目的及意义
• 2.2 本文的研究内容
• 3 CAN 总线基本原理概述
• 3.1 CAN 总线背景知识
• 3.2 CAN 总线通信模型分层结构
• 3.2.1 总线物理层
• 3.2.2 数据链路层
• 3.3 CAN 总线协议概述
• 3.3.1 帧格式
• 3.3.2 帧类型
• 3.4 CAN 总线应用层协议与调度算法概述
• 3.4.1 应用层协议
• 3.4.2 调度算法中相关问题的研究
• 4 高炉上料系统设计分析
• 4.1 传统高炉上料系统概述
• 4.1.1 传统高炉上料生产工艺
• 4.1.2 传统的高炉上料数据通讯技术
• 4.2 目前高炉上料系统网络中存在的问题
• 4.3 基于CAN 总线的高炉上料系统网络平台设计
• 5 CAN 总线智能节点模块硬件设计
• 5.1 处理器的选择——AT90CAN128
• 5.2 CAN 节点硬件电路设计
• 5.2.1 CAN 总线驱动器CTM1050T
• 5.2.2 MAX232 芯片
• 5.3 翻板（网关）硬件电路设计
• 5.3.1 SPC3 协议专用芯片
• 5.3.2 AT89C52
• 5.3.3 PROFIBUS-DP 总线接口电路
• 5.3.4 IDT7130
• 6 基于CAN 总线高炉上料系统软件设计
• 6.1 协议制定
• 6.1.1 应用层协议的制定
• 6.1.2 调度算法
• 6.2 地址分配
• 6.3 上位机智能节点的设计
• 6.4 料斗智能节点的设计
• 6.5 中间料斗智能节点的设计
• 6.6 皮带智能节点的设计
• 6.7 翻板智能节点的设计
• 7 实验研究
• 7.1 实验内容
• 7.1.1 上位机信息传输内容
• 7.1.2 中间料斗信息传输内容
• 7.1.3 皮带智能节点信息传输内容
• 7.2 硬件与软件环境需求
• 7.2.1 实验平台网络环境
• 7.2.2 CANAnalyser 工具软件
• 7.2.3 USB-to-CAN 模块
• 7.2.4 PC－CAN 通信
• 7.3 优先权晋升CAN 与基本CAN 的通讯延时测试
• 7.3.1 基本CAN 延迟测试
• 7.3.2 优先级晋升CAN 测试
• 8 结论
• 8.1 全文的工作及意义
• 8.2 未来研究方向
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢