新型DCS智能测控模板的软件和可靠性设计

摘要

集散控制系统（DCS）是随着工业生产不断发展产生的一种分布式控制系统，是当今自动化领域技术发展的热点之一。DCS在工业过程控制领域的应用越来越广泛，并成为控制领域的主流。随着计算机技术、通信技术、现场总线技术及工业以太网技术的发展和应用，DCS呈现出新的结构模式，并与这些技术结合逐渐发展成为一种新型的集散控制系统，拥有了更强的竞争力。 现场总线是一种全分散、双向、互联的通信网络，用于现场仪表与控制系统之间的通信。CAN总线适用于过程控制、机器人以及传感器等很多领域，尤其广泛应用于汽车电子领域。它具有低成本、高可靠性、实时性等特点，有很好的发展前景。 本课题通过研究CAN总线的工作原理及实现过程，设计开发智能型现场测控模板。本文的主要内容是研究开发基于工业以太网和现场总线技术的控制站智能测控模板，以及智能测控模板如何配合主控模块通过CAN总线进行通信，同时完成过程控制中的数据采集、运算处理和故障检测等功能。 智能测控模板的种类包括开关信号输入模板（DI）、继电器输出模板（RL）、变送器信号输入模板（Al）、变送器信号输出模板（AO）、热电阻模板（RTD）、热电偶模板（TC）以及脉冲信号输入模板（PI）。智能测控模板完成工业现场信号的采集和转换处理，信号断线检测以及故障报警等功能。除此以外，模板还采取了可靠的隔离保护措施。 模板的软件设计包括测量程序和通信程序的设计以及线性化算法、冷端补偿算法、温度查表算法的设计等。它的功能将直接影响系统的可用性、实时性、可维护性和可靠性。模板的开发与调试使用的是CodeWarrior软件，它是Metrowerks公司开发的，专门面向Motorola（Freescale）所有MCU与DSP嵌入式应用开发的软件工具。 可靠性是指产品在规定条件和规定时间内完成规定功能的能力。针对环境恶劣的工业生产现场，许多提高可靠性的技术措施在智能测控模板的设计中被采用。冗余是可靠性设计最重要的一个方面，本课题对智能测控模板的硬件和软件系统进行了全面的冗余设计，还对现场信号进行了可靠的断线自检设计和抗干扰设计（配电板设计）。除此以外，针对控制站通信设计了CAN通信的命令格式，实现了智能测控模板与主控模块之间可靠的通信。 最后，对智能测控模板在理论分析的基础上进行了测试和实验。结果证明所设计的智能测控模板达到了系统要求的性能指标，并具有较高的安全性和可靠性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1 DCS概述

1.1.1 DCS的发展历程

1.1.2 传统DCS的体系结构及特点

1.2新型DCS系统的整体构架

1.3本论文要完成的工作

第2章 智能测控模板的设计方案

2.1新型DCS系统的控制站

2.2模板的整体功能和结构设计

2.3 MSCAN通信简介

2.4控制站机笼设计

第3章 模拟信号智能测控模板功能与软件设计

3.1模拟信号智能测控模板总体设计

3.2热电偶模板软件与算法设计

3.2.1功能框图

3.2.2软件设计

3.2.3温度线性化

3.2.4标度变换算法

3.2.5温度补偿算法

3.3热电阻模板功能与算法设计

3.3.1功能框图

3.3.2模板使用的算法设计

3.4变送器信号输出模板功能与程序设计

3.4.1功能框图

3.4.2算法与程序设计

3.5变送器信号输入模板功能与程序设计

3.5.1模板的功能框图

3.5.2 ADS1213程序设计

3.6模拟信号智能测控模板数字滤波算法设计

第4章 数字信号智能测控模板功能与软件设计

4.1单片机外围电路设计

4.1.1数字信号模板总体功能与单片机电路设计

4.1.2 WDT及状态指示电路设计

4.2脉冲信号输入模板软硬件和软件设计

4.2.1模板的功能设计

4.2.2计数电路及算法设计

4.2.3 GAL译码设计

4.2.4数据／地址复用线扩展设计

4.2.5可编程数字滤波技术

4.2.6软件设计

4.3继电器输出模板功能与程序设计

4.3.1模板功能设计

4.3.2模板的程序设计

4.4开关信号输入模板功能和程序设计

4.4.1模板功能框图

4.4.2开关信号输入电路

4.4.3模板程序设计

4.4.4软件防抖设计

第5章 智能测控模板可靠性设计

5.1可靠性模型分析应用与智能测控模板冗余设计

5.1.1基于马尔科夫过程的单元件系统可靠性模型

5.1.2双元件冗余系统可靠性模型

5.1.3可靠性模型在智能测控模板中的应用

5.1.4智能测控模板冗余设计

5.1.5运行软件冗余技术

5.2智能测控模板故障自检设计

5.2.1热电偶模板断偶检测

5.2.2热电阻模板恒流源及断线检测

5.2.3变送器信号输入模板断线检测

5.2.4继电器输出模板外配电自检

5.3电磁干扰及抗干扰设计

5.3.1智能测控模板可靠电源设计

5.3.2光电隔离设计

5.3.3 CAN接口防雷设计

5.3.4可靠接地设计

5.4智能测控模板配电板电路设计

第6章 控制站CAN通信可靠性设计

6.1控制站CAN通信设计

6.1.1 CAN总线环回通信设计

6.1.2控制站母板CAN总线设计

6.1.3控制站扩展机笼CAN通信设计

6.1.4 SJA1000 CAN通信设计

6.2 CAN多帧数据通信打包解包技术

6.3 智能测控模板与主控模块之间的通信命令格式定义

6.3.1主控模块发送给热电偶模板的命令格式定义

6.3.2测控模板返回给主控模块的数据格式定义

第7章 模板测试

第8章 结论及展望

参考文献

附录 新型DCS控制站及智能测控模板

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果