基于現場總線冗余控制系統硬件設計畢業(yè)設計（論文）word格式

1、目錄第一章 緒論11.1 冗余開展概況11.2 現場總線開展11.3 本課題的研究意義21.4 研究內容21.4.1整體結構34456第二章 冗余硬件設計72.1 PLC簡介72.2 PLC在冗余系統中82.3 硬件冗余9112.5 基于Controlnet的PLC冗余系統硬件設計12第三章 顯示單元總體方案設計133.1 系統分析13電機轉速測量133.1.2電機轉速的處理15153.2 系統構成153.3 測速系統原理框圖15第四章 顯示單元硬件設計16 單片機簡介174.2 電源電路184.4 系統硬件設計21第五章 顯示單元的軟件設計225.1 C51的根底知識225.2 軟件結構劃分

2、252526結 論27致謝30第一章緒論1.1 冗余開展概況世界上公認的第一臺PLC是1969年美國數字設備公司DEC研制的。20世紀70年代初出現了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運算、數據傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。20世紀70年代中末期，可編程控制器進入實用化開展階段，計算機技術已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。20世紀末期，可編程控制器的開展特點是更加適應于現代工業(yè)的需要。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領域的應用都得到了長足的開展1。在石油、化工、冶金等行業(yè)的某些系統中，要求控制裝置有極高

3、的可靠性。如果控制系統發(fā)生故障，將會造成停產、原料大量浪費或設備損壞，給企業(yè)造成極大的經濟損失。但是僅靠提高控制系統硬件的可靠性來滿足上述要求是遠遠不夠的，因為PLC本身可靠性的提高是有一定的限度。使用冗余系統或熱備用系統就能夠比擬有效地解決上述問題。單片機自70年代問世以來得到蓬勃開展，目前單片機功能正日漸完善:1、單片機集成越來越多資源，內部存儲資源日益豐富，產品小巧美觀，同時系統也更加穩(wěn)定；2、單片機抗干擾能力加強，使的它更加適合工業(yè)控制領域，具有更加廣闊的市場前景；3、單片機提供在線編程能力，加速了產品的開發(fā)進程，為企業(yè)產品上市贏得珍貴時間；4、在線仿真變的容易。1.2 現場總線開展它

4、是一種工業(yè)數據總線，是自動化領域中底層數據通信網絡。 現場總線是指安裝在制造或過程區(qū)域的現場裝置與控制室內的自動裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線。簡單說，現場總線就是以數字通信替代了傳統4-20mA模擬信號及普通開關量信號的傳輸。它是連接智能現場設備和自動化系統的全數字、雙向、多站的通信系統。主要解決工業(yè)現場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構等現場設備間的數字通信以及這些現場控制設備和高級控制系統之間的信息傳遞問題。主要用于制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇、電力等方面的自動化系統中。從現場總線技術本身來分析，它有兩個明顯的開展趨勢： 一是尋求統一的現場總線國際標準 二是Industria

5、l Ethernet走向工業(yè)控制網絡 統一、開放的TCP/IP Ethernet是20多年來開展最成功的網絡技術 ，過去一直認為，Ethernet是為IT領域應用而開發(fā)的，它與工業(yè)網絡在實時性、環(huán)境適應性、總線饋電等許多方面的要求存在差距，在工業(yè)自動化領域只能得到有限應用。事實上，這些問題正在迅速得到解決，國內對EPA技術Ethernet for Process Automation也取得了很大的進展。 隨著FF HSE的成功開發(fā)以及PROFInet的推廣應用，可以預見Ethernet技術將會十分迅速地進入工業(yè)控制系統的各級網絡。 本課題的研究意義所謂冗余系統，就是一個具有相同設備功能的備用設

6、備系統。當主設備出現故障時，冗余設備是可以立刻使用的替代設備。設備在啟停和運行過程中發(fā)生危及設備和人身平安的故障時，自動采取保護和聯鎖，防止事故的產生和防止事故擴大。從而保證正常啟停和平安運行，具有極其重要的意義。通過對設備工作狀態(tài)和機組運行參數的嚴密監(jiān)視，發(fā)生異常時，及時發(fā)出報警信號，必要時自動啟動或者切除某些設備或者系統，維持原負荷運行或減負荷運行直至平安退出運行。因此可以說，冗余系統是工業(yè)控制系統中不可或缺的組成局部。冗余系統是通過發(fā)生中斷的單元自動切換到備用單元的方法實現系統的不中斷工作，通過局部的冗余實現系統的高可靠性。冗余控制系統能給很多的工業(yè)生產中能提供一個更高的可靠性。因此，了

7、解和掌握冗余控制系統的控制方法并設計相應的顯示單元很有意義，且有利于了解相關控制的原理和方法。實驗過程中需熟悉冗余系統的控制原理及方案、PLC軟件編程、I/O分配、控制對象的調試、單片機顯示系統的設計方法等多個任務。冗余的實現方式是同時采用兩臺控制器ControlLogix5550，其中一臺為主機，另一臺作為系統的備份，為副機，正常情況下由主機控制整個系統，副機保持與主機通訊，監(jiān)控主機的運行狀態(tài)。當副機監(jiān)視到主機的運行故障的時候，立即運行切換程序，將控制權轉到副機，而當主機的故障恢復之后，那么控制權重新交還給主機。 研究內容1根據要求，檢索資料，擬定設計方案。2根據設計方案，確定基于PLC的冗

8、余控制系統硬件設計方法。3熟悉冗余控制對象的使用方法。4顯示單元硬件設計5編寫梯形圖及顯示單元的軟件程序。6系統總體聯調。7完成課題相關的英語資料翻譯。8完成規(guī)定字數的畢業(yè)設計說明書。整體結構 從控制器需要與主控制器相同的工程以便接替其控制。同時，也需要最新的標簽數據。交叉加載：主控制器中的局部或全部內容傳送到從控制器?？梢愿聵撕炛?，在線編輯或工程的其它信息。交叉加載最初發(fā)生在兩控制器同步的時刻，然后在控制器執(zhí)行其邏輯過程中反復運行。同步：從控制器做好一旦主機架發(fā)生故障，立即接替其控制的準備。在同步期間，1757-SRM模塊檢查在冗余機架上的對等方模塊是否兼容。SRM模塊也提供將主控制器內容

9、交叉加載到從控制器的路徑。同步發(fā)生在用戶翻開從機架的電源后。它也發(fā)生在其它時刻。取消資格：表示從控制器與主控制器同步失敗。如果從控制器的資格被取消，它無法控制機器和過程。用戶可以手動選擇取消從控制器的資格。 ControlLogix系統采用了基于“生產者/消費者的通訊模式，為用戶提供了高性能、高可靠性、配置靈活的分布式控制解決方案。ControlLogix系統實現了離散、過程、運動三種不同控制類型的集成，能夠支持以太網、ControlNet控制網和DeviceNet設備網，并可實現信息在三層網絡之間的無縫傳遞。因而，ControlLogix被廣泛地應用于各種控制系統。構建ControlLogi

10、x冗余系統的核心部件是處理器和1757-SRM冗余模塊。目前，有1756-L55系列處理器模塊支持冗余功能，其內存容量從750KB到7.5MB不等。1757-SRM冗余模塊是實現冗余功能的關鍵。如圖1.1所示，在冗余系統中，處理器模塊和1757-SRM冗余模塊處于同一機架內。為了防止受到外界電磁干擾，提高數據傳輸速度，兩個機架的1757-SRM模塊通過光纖交換同步數據。所有的I/O模塊通過ControlNet控制網與主、從控制器機架內的1756-CNB(R)控制網通訊模塊相連接。圖 冗余系統結構Fig. Redundant system structure以往的冗余系統通常需要用戶編

11、制復雜的程序對處理器狀態(tài)進行判斷，在兩個處理器之間傳輸同步數據并實現I/O控制權的切換，兩個處理器中的程序也各不相同，這使得冗余系統本身的建立和維護工作非常繁瑣。通過1757-SRM冗余模塊，不需要任何編程就可以實現冗余功能，還可以方便地使主、從處理器內的程序保持一致，用戶對主處理器程序的修改可自動同步到從處理器。主、從處理器所處機架內的1756-CNB(R)控制網通訊模塊地址各不一樣。當主處理器出現故障后，從處理器接管控制系統，相對應的控制網通訊模塊之間相互交換地址，從而不影響其它控制器和上位機與該冗余系統的通訊。冗余的功能劃分冗余分為：工作冗余和后備冗余。工作冗余是一種兩個或以上的單元并行

12、工作的并聯模型。平時，由各處單元平均負擔工作，因此工作能力有冗余。后備冗余是平時只需一個單元工作，另一個單元是冗余的，用于待機備用。硬件結構設計硬件設計采取雙機架冗余系統2，系統結構如圖1.2所示，盡管系統增加機架和CNB模塊的數量，但由于CPU分別插在兩個別離的機架上，使其適用于系統掉電或通訊模塊出現故障的情況，彌補了單機架結構的缺乏。圖 雙機架冗余系統Fig. 1.2 Double rack redundant在系統運行中,如果出現以下情況,單機架系統存在著缺乏：(1)機架斷電：由于兩個CPU都插在同一個背版上,導致機架斷電時,兩個CPU也同時斷電,都無法正常工作,也都無法對輸出模塊進行控

13、制(2)通訊模塊出現故障：由于一個機架上的兩塊CPU都必須和本地的CNB模塊相連,導致CNB模塊出現故障后,兩塊CPU同時無法與ControlNet相連,也就造成了通訊的徹底癱瘓。所以雙機架結構的應用就防止了當上述情況發(fā)生時,整個冗余系統的運行不暢此外,應用雙機架系統還可以為真正的硬件冗余系統作好鋪墊2.I/O配置如果使用雙機架，輸入模塊和輸出模塊分開放置。這樣的放置，減少了在切換過程中梯形圖的數量。因為一個控制器一次只能擁有一個輸出模塊，梯形圖將禁止或不禁止它和輸出模塊的連接。如果把輸出模塊放置在所有權機架上，在遠程機架上可以禁止或不禁止與通訊模塊的連接，從而禁止或不禁止整個機架。如果把輸入

14、模塊和輸出模塊放置在同一機架上，我們只有進入梯形圖來禁止或不禁止在機架上的每個輸出模塊。3電纜如果一個電力系統包含繼電器和被控制控制的輸出模塊的連接，在切換輸出模塊控制權的時候將會重置，繼電器將會掉電，請求手動重新運行。 1電力系統必須保證在發(fā)生切換時繼電器不會被重置。 2在任何情況下，都能夠在僅有一臺控制器運行的情況下啟動系統顯示單元設計1光電傳感器是應用非常廣泛的一種器件，有各種各樣的形式，如透射式、反射式等，根本的原理就是當發(fā)射管光照射到接收管時，接收管導通，反之關斷。以透射式為例，如圖1.3所示，當不透光的物體擋住發(fā)射與接收之間的間隙時，開關管關斷，否那么翻開。為此，可以制作一個遮光葉

15、片如圖1.4所示，安裝在轉軸上，當扇葉經過時，產生脈沖信號。當葉片數較多時，旋轉一周可以獲得多個脈沖信號。 圖1.3 光電傳感器的原理圖 圖 遮光葉片 Fig. 1.3 Schematic of photoelectric sensor Fig. 1.4 The shading leaf2計數脈沖通過計數電路進行有效的計數，按照設計要求每一秒種都必須對計數器清零一次，因為電路實行秒更新，所以計數器到譯碼電路之間有鎖存電路，在計數器進行計數的過程中對上一次的數據進行鎖存顯示，這樣做不僅解決了數碼顯示的邏輯混亂，而且防止了數碼顯示的閃爍問題。3對于脈沖記數，有測周和測頻的方式。測周電路的測量精度主

16、要受電路系統的脈沖產生電路的影響，對于低頻率信號，其精度較高。測頻電路其對于正負一的信號差比擬敏感，對于低頻率信號的測量誤差較大，但是本電路仍然采用測頻方式，原因是本電路對于馬達電機轉速精度要求較低，本電路還有升級為頻率計使用，而測頻方式對高頻的精度還是很高的。4顯示電路采用靜態(tài)顯示方法，由于靜態(tài)顯示易于制作和調試，原理也較簡單，所需元易于購置。5電路時鐘是整個電路的關鍵，他是整個電路有效工作的核心，負責電路的鎖存和清零。其根本思路是：產生頻率一秒是時鐘，當秒時鐘到來時，既上升沿到來時，對鎖存電路進行鎖存，鎖存以后才能對計數器進行清零，鎖存和清零間隔要充分小，否那么就影響電路的計數準確度。鑒于

17、此，對鎖存集成必須采用邊沿觸發(fā)形式的集成，并且計數器應該與鎖存同步工作，既都在秒時鐘的上升沿觸發(fā)工作。另外大多的譯碼器都帶有鎖存功能3，但是他的鎖存方式根本上都是電平觸發(fā)，假設設計成電平觸發(fā)的話，勢必會增加電路的復雜度，還不如直接采用邊沿瑣存的單集成，所以不使用譯碼器中的鎖存電路。時鐘實現方法很多，本電路采用晶振電路，已求得高精度的時鐘需求。實現將其中一臺 ControlLogix 控制器斷電，經過假設干脈沖后，另一臺控制器在設定的時間內啟動，負載電機順利過渡到副機控制，通過波形分析可知，在這個過渡過程中，電機抖動在合理的范圍內。第二章冗余硬件設計 PLC簡介“可編程控制器是一種數字運算操作的

18、電子系統，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算,順序控制，定時，計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P外部設備，都按易于與工業(yè)控制系統聯成一個整體，易于擴充其功能的原那么設計。 總之，可編程控制器是一臺計算機，它是專為工業(yè)環(huán)境應用而設計制造的計算機。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強的驅動能力。但可編程控制器產品并不針對某一具體工業(yè)應用，在實際應用時，其硬件需根據實際需要進行選用配置，其軟件需根據控制要求進行設計編制。雖然PLC問世時間不長，但是隨著微處理器的出現，大

19、規(guī)模，超大規(guī)模集成電路技術的迅速開展和數據通訊技術的不斷進步，PLC也迅速開展，其開展過程大致可分三個階段： 1.早期的PLC60年代末70年代中期 早期的PLC一般稱為可編程邏輯控制器。這時的PLC多少有點繼電器控制裝置的替代物的含義，其主要功能只是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制，定時等。它在硬件上以準計算機的形式出現，在I/O接口電路上作了改良以適應工業(yè)控制現場的要求。裝置中的器件主要采用分立元件和中小規(guī)模集成電路，存儲器采用磁芯存儲器。另外還采取了一些措施，以提高其抗干擾的能力。在軟件編程上，采用廣闊電氣工程技術人員所熟悉的繼電器控制線路的方式梯形圖。因此，早期的PLC的性能要優(yōu)于繼電器

20、控制裝置，其優(yōu)點包括簡單易懂，便于安裝，體積小，能耗低，有故障指使，能重復使用等。其中PLC特有的編程語言梯形圖一直沿用至今。 2.中期的PLC70年代中期80年代中，后期 在70年代，微處理器的出現使PLC發(fā)生了巨大的變化。美國，日本，德國等一些廠家先后開始采用微處理器作為PLC的中央處理單元(CPU)。 這樣，使PLC得功能大大增強。在軟件方面，除了保持其原有的邏輯運算、計時、計數等功能以外，還增加了算術運算、數據處理和傳送、通訊、自診斷等功能。在硬件方面，除了保持其原有的開關模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠程I/O模塊、各種特殊功能模塊。并擴大了存儲器的容量，使各種邏輯線圈的數量增加，還

21、提供了一定數量的數據存放器，使PLC得應用范圍得以擴大。 3.近期的PLC80年代中、后期至今 進入80年代中、后期，由于超大規(guī)模集成電路技術的迅速開展，微處理器的市場價格大幅度下跌，使得各種類型的PLC所采用的微處理器的檔次普遍提高。而且，為了進一步提高PLC的處 理速度，各制造廠商還紛紛研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片。這樣使得PLC軟、硬件功能發(fā)生了巨大變化。 PLC在冗余系統中PLC冗余可以分為：軟件冗余和硬件冗余。硬件冗余對硬件型號有所要求，連接方式也不同，但對軟件并無特殊要求。在工業(yè)自動化系統中大量選用可編程邏輯控制器(PLC)作為控制器，隨著技術的開展又組建冗余系統進一步提高系統的可靠

22、性。目前冗余的分類方式很多，而采用PLC冗余方式的有兩種，即軟冗余和硬亢余。西門子公司在軟、硬冗余兩方面均給出了解決方案。而基于硬冗余的可靠性高，但構建系統本錢也較高。而基于S7300或S7400的軟冗余是一種本錢低又能提高可靠性的方案。目前，軟冗余系統已經在冶金、交通、電力、化工、污水處理等工業(yè)控制工程中得到了較廣泛的應用。但是對于軟冗余的性能仍沒有進行系統的研究。硬冗余系統的冗余結構確保了任何時候的系統可靠性，例如所有的重要部件都是冗余配置。這包括了冗余的CPU、供電模件和用于冗余CPU通信的同步模塊。根據特定的自動化控制過程需要，還可以配置冗余客戶效勞器、冗余通訊介質、冗余接口模件IM1

23、53-2等。硬冗余系統能夠：1平滑的主從切換2自動事件同步3集成的錯誤識別和錯誤定位功能4操作期間可對系統進行修改5類似標準CPU的在線編程6下載程序時，只考慮單個CPU，程序可自動拷貝到另一個CPU中。7CPU修復后自動再進入。8運行中所有部件可更換。軟冗余實現原理：   系統運行過程中兩個CPU同時啟動和運行，但是在正常運行時只有主CPU發(fā)出控制命令，而備用CPU檢測主CPU狀態(tài)和記錄主CPU發(fā)出的命令，當主CPU發(fā)生故障時能夠延續(xù)當時的實際狀態(tài)接替主CPU發(fā)出執(zhí)行命令。與主CPU通信的IM1532模塊處于激活狀態(tài)時主CPU能訪問I0模塊。當系統發(fā)生特定故障時，系統可以

24、實現主備切換，備站接替主站繼續(xù)運行。 硬件冗余硬件冗余圖2.1圖 硬件冗余Fig. Hardware Redundancy 兩個互為冗余的控制站配置必須完全相同圖2.1中的主/從機架，冗余功能是依靠雙槽冗余模塊1757-SRM實現。當主控制器失效時，從控制器在100ms內接替主控制器，主從控制器的同步對用戶來說是完全透明的，冗余模塊之間通過2根1米m多模光纖，SC連接連接起來。冗余功能的設置圖2.2：1757-SRM：Auto-Synchronization 自動同步設置為Always保持Controller Properties：Redundancy&

25、#160;屬性設置為Enabled允許圖2.2中，每一個I/O遠程機架配置一組1756-PAR2冗余電源每組冗余電源由兩個1756-PA75R電源模塊，兩根1756-CPR電纜和一個1756-PSCA適配器構成。它們分別由兩路不同的系統供電，當任一路供電系統故障時，另一路仍保持供電，因此可以確保I/O機架供電不間斷。圖 冗余設置Fig. 2.2 Set Redundancy圖冗余通道Fig. 2.3 Redundant channel集成過程控制系統的控制層是ControlNet,它是羅克韋爾自動化NetLinx開放網絡架構三層EtherNet/IP、ControlNet、Devic

26、eNet網絡之一,滿足IEC61158國際工業(yè)現場總線標準。圖1中1756-CNBR是ControlNet通信模塊，它有兩個冗余的網絡通道：A通道和B通道圖，使控制信息實現冗余。傳送速率達5Mbps,傳送介質是75阻抗的1786-RG6同軸電纜，通過BNC連接器與ControlNet總線相連。注意：A、B通道不能交叉；冗余鏈路兩邊的介質必須相同。信息層網絡冗余 集成過程控制系統的信息層是EtherNet/IP,圖中1756-ENBT是EtherNet/IP通信模塊，通過工業(yè)以太網交換機將信息傳送到上層監(jiān)控管理中心。冗余功能通過光纖環(huán)網實現。 效勞器冗余 采用主/從效勞器結構

27、。當主效勞器出現故障時，從效勞器自動轉為主效勞器，提供與控制器/RTU的通信、數據采集等功能，并為其他操作站提供效勞。主效勞器定時將數據庫中的所有數據信息傳送到從效勞器，以確保主從效勞器之間的完全同步。 冗余系統的原理及過程可編程控制器一個工作周期內的主要任務有：內務整理、掃描輸入映像表、執(zhí)行程序、更新輸出映像表。ControlLogix控制器在冗余系統中，主處理器執(zhí)行完程序之后，將所有輸出指令的結果傳送給從控制器。由于ControlLogix系統所有的I/O設備都在控制網內，按照其自有的“生產者/消費者通訊模式，從處理器作為一個“消費者可以與主處理器具有一樣的地位，獲取I/O的輸入信息4。這

28、樣，確保了主、從控制器內輸入、輸出映像表的一致。如圖2.4所示，在正常情況下，程序執(zhí)行到位置1時，主處理器將具有較高優(yōu)先權任務和前一段普通任務的執(zhí)行結果分先后傳送給從處理器，然后程序返回到位置2，繼續(xù)執(zhí)行剩下的普通任務。位置3時，所有任務已經完成，主處理器將執(zhí)行結果傳送給從處理器。如果在執(zhí)行某個任務時，主處理器出現故障，如圖2.4所示。這時，從處理器便會接替主處理器，重新執(zhí)行出現故障時的那段任務。可見，這時從處理器使用的輸出映像表數據來自于主處理器上一個工作周期的執(zhí)行結果。圖正常情況下主處理器程序執(zhí)行過程Fig. 2.4 In normal condition host processor p

29、rocedure implementation圖 主從處理器之間的切換過程Fig. 2.5 Host's from processor cut process如圖2.5可見，在冗余系統的切換過程中，沒有出現數據的喪失和突變，處理器內部無需執(zhí)行繁雜的判斷決策程序，實現了系統的無擾切換。當主機架的任一組件發(fā)生故障，控制權切換到從控制器。以下原因會引起切換：1.主機架中發(fā)生以下情況之一： 1掉電 2控制器產生主要故障 3主機架中的任一模塊被拔掉、安裝或出錯 4折斷或斷開ControlNet分接頭或以太網電纜 根據用戶對RSLogix5000工程的組織方法不同，在切換期間，輸出狀態(tài)可能會發(fā)生變

30、化： 1輸出優(yōu)先級任務控制的輸出可能會改變狀態(tài)。熱備系統的切換時間由故障類型和ControlNet網絡的網絡刷新時間NUT決定。如果一個NUT為10ms，切換時間大約從80ms到220ms。 2在切換期間，優(yōu)先級最高的任務控制的輸出將無擾切換。2.5 基于Controlnet的PLC冗余系統硬件設計 無論單機架還是雙機架，都采用RSLogix5000對系統進行編程。軟件程序都是大致相同的。 程序的主要思路是：兩塊CPU 同時在線運行，一塊處于主控制模式，另一塊處于熱備模式。擁有主控制權的CPU 具有輸出控制權，而熱備CPUCPU模塊互相監(jiān)視對方的運行狀態(tài)和通訊情況，一旦發(fā)現主CPU出現故障，立

31、即由主CPU自行禁止或由從C P U 通過MASSAGE指令傳送特定的數組代碼來禁止主CPU的對外控制權視主CPU的錯誤類別定，定時一段時間以后，熱備CPU模塊獲得主控制權。兩個CPU程序完全相同，只需更正各自程序中對方的處理器名即可。需要注意的是：為保證系統的無擾切換，在控制權轉移之前，主控制器對于輸入輸出狀態(tài)的改變必須能實時地通知給從控制器。第三章顯示單元總體方案設計 系統分析給直流電機加載直流電，電機就會轉動。改變電壓的正負可以改變電機的轉動方向，電壓為正時電機正轉，電壓為負時電機反轉；改變電壓的上下可以改變電機的轉速，電壓高那么轉動速度快，電壓低那么轉動速度慢。轉速是工程上的一個常用參

32、數。轉速通常以每秒種或每分鐘的轉數來表示，因此單位為r/s或r/min。有時也用角速度表示，這時的單位相應為rad/s。單片機能夠處理二進制數字信號，而電機的轉速是物理量，非電量信號，需要中間電路把轉速轉換成單片機可以處理的信號5。傳感器是把外界信號轉換成電信號的器件，是檢測和控制系統中最關鍵的局部，在當代科學技術中，傳感器占據了及其重要的地位。目前，集成技術在傳感器技術中的成功應用，使傳感器小型化、長壽命和低本錢，是現代傳感器的開展方向之一。電機轉速測量脈沖信號的獲得1霍爾傳感器霍爾傳感器是對磁敏感的傳感元件，常用于開關信號采集的有CS3020、CS3040等，這種傳感器是一個3端器件，外形

33、與三極管相似，只要接上電源、地，即可工作，輸出通常是集電極開路OCCS3020的外形圖，將有字面對準自己，三根引腳從左向右分別是Vcc，地，輸出6。 使用霍爾傳感器獲得脈沖信號，其機械結構也可以做得較為簡單，只要在轉軸的圓周上粘上一粒磁鋼，讓霍爾開關靠近磁鋼，就有信號輸出，轉軸旋轉時，就會不斷地產生脈沖信號輸出。如果在圓周上粘上多粒磁鋼，可以實現旋轉一周，獲得多個脈沖輸出。在粘磁鋼時要注意，霍爾傳感器對磁場方向敏感，粘之前可以先手動接近一下傳感器，如果沒有信號輸出，可以換一個方向再試。這種傳感器不怕灰塵、油污，在工業(yè)現場應用廣泛。圖3.1 CS3020外形圖Fig. 3.1 CS3020 Ou

34、tline2光電傳感器   光電傳感器是應用非常廣泛的一種器件，有各種各樣的形式，如透射式、反射式等，根本的原理就是當發(fā)射管光照射到接收管時，接收管導通，反之關斷。以透射式為例，如下圖，當不透光的物體擋住發(fā)射與接收之間的間隙時，開關管關斷，否那么翻開。為此，可以制作一個遮光葉片如下圖，安裝在轉軸上，當扇葉經過時，產生脈沖信號。當葉片數較多時，旋轉一周可以獲得多個脈沖信號。圖光電傳感器的原理圖Fig . 3.2 Schematic diagram of photoelectric sensor圖3.3遮光葉片Fig. 3.3 Leaf Shading3光電編碼器光電編碼器的工

35、作原理與光電傳感器一樣，不過它已將光電傳感器、電子電路、碼盤等做成一個整體，只要用連軸器將光電傳感器的軸與轉軸相連，就能獲得多種輸出信號。它廣泛應用于數控機床、回轉臺、伺服傳動、機器人、雷達、軍事目標測定等需要檢測角度的裝置和設備中。如圖3.4所示，是某光電編碼器的外形。圖 成品光電編碼器Fig. 3.4 Finished optical encoder電機轉速的處理 數據處理局部采用Intel公司MCS-51系列單片機單片機7。電機轉速的顯示 顯示局部采用4位七段數碼管，可以顯示09999范圍內的數字。 系統構成測速系統總體結構如圖3.5所示，主要包括紅外測速傳感器由紅外發(fā)射與接收電路和齒盤

36、組成、信號處理電路、單片機以及數字顯示局部。其工作過程如下：當齒盤旋轉時，由于輪齒的遮擋，紅外發(fā)射管與接收管之間的紅外線光路時斷時續(xù)，信號處理電路將此變化的光信號轉換為電脈沖信號，一個脈沖信號即表示齒盤轉過一個齒。單片機對脈沖進行計數，同時通過其內部的計時器對接收一定數目的脈沖計時，根據脈沖數目及所用時間就可計算出齒盤的轉速，最后通過數字顯示局部將轉速顯示出來8。圖 3.5 測速系統總體結構 Fig. 3.5 The velocity structure of the whole system 測速系統原理框圖 譯碼器鎖存器計數器整形電路單穩(wěn)態(tài)時鐘電路顯示電路 圖3.6 測速系統原理框圖Fig

37、. 3.6 Schematic diagram of measurement system第四章顯示單元硬件設計系統全部采用Rockwell Automation公司的軟硬件，硬件包括兩臺ControlLogix5550 控制器、控制開關、1305 變頻器以及DeviceNet及ControlNet接口適配器。軟件有組態(tài)軟件RSLinx和RSNetworx，以及對ControlLogix5550進行編程的RSLogix5000。在連接好網絡之后，使用上述軟件對DeviceNet下的設備網設備進行組態(tài)，然后進行編程調試，即可完成對系統的實現。系統采用了CPU冗余的實現方案，即由兩個CPU同時控制

38、被控對象，兩臺控制器分別監(jiān)視對方的工作狀態(tài)，以便在需要的時候迅速做出切換。系統中的被控對象主要是以三相異步電動機為負載的1305變頻調速器。由于程序的不穩(wěn)定性，CPU運行錯誤造成故障的可能性要遠比由硬件損壞造成故障的可能性要大，因而本例中采用雙PLC單總線的結構，兩臺控制器均為ControlLogix5550，以下簡稱PLC1和PLC2，在編程時對兩臺控制器分別寫入程序，兩臺控制器中的程序是完全對稱的。參照圖，以節(jié)點14 的控制開關控制終端的起停，節(jié)點06、60 代表兩臺PLC，節(jié)點17 是驅動三相異步電動機的變頻調速器AC Driver 1305。圖 系統網絡節(jié)點 Fig. 4.1 Syst

39、em network node掃描模塊1756-DNB是設備與控制器ControlLogix5550之間的通信接口。它通過網絡與DeviceNet的現場設備進行通信，即從設備讀入數據、輸出數據到設備、下載組態(tài)數據和監(jiān)視設備的運行狀態(tài)。工作時,1756-DNB以一定的方式依次掃描各個設備，對其參數進行采集，并將采集到的數據映射到掃描器中與掃描方式相對應的數據緩沖區(qū)，再轉換成ControlLogix5550能接受的數據格式供控制器讀取，這樣就可以將現場總線中各設備的實時信息反響到控制器，以便根據程序做出相應的反響。數據經ControlLogix5550處理之后，送到掃描器的與掃描方式相對應的輸出數

40、據緩沖區(qū)，轉換為各設備可以接受的數據格式，輸出到各設備，從而對其工作進行控制。由此可見，PLC控制器只需要讀入、輸出規(guī)定格式的數據，專門負責數據處理；而數據的 采 集 、 發(fā) 送 、 緩 沖 和 格 式 轉 換 由 掃 描 器 完 成 ，ControlLogix5550和1756-DNB并行工作也使得控制器的輸出對輸入的響應時間縮短，有利于實現實時閉環(huán)控制。這樣即便是像PID指令這種對實時性要求較高的操作也可以收到良好的效果。 單片機簡介單片機是一種集成電路芯片。它采用超大規(guī)模技術將具有數據處理能力的微處理器(CPU)、存儲器含程序存儲器ROM和數據存儲器RAM、輸入、輸出接口電路(I/O接口

41、)集成在同一塊芯片上，構成一個即小巧又很完善的計算機硬件系統，在單片機程序的控制下能準確、迅速、高效地完成程序設計者事先規(guī)定的任務。所以說，一片單片機芯片就具有了組成計算機的全部功能。由此來看，單片機有著一般微處理器CPU芯片所不具備的功能，它可單獨地完成現代工業(yè)控制所要求的智能化控制功能，這是單片機最大的特征。然而單片機又不同于單板機一種將微處理器芯片、存儲器芯片、輸入輸出接口芯片安裝在同一塊印制電路板上的微型計算機，單片機芯片在沒有開發(fā)前，它只是具備功能極強的超大規(guī)模集成電路，如果對它進行應用開發(fā)，它便是一個小型的微型計算機控制系統，但它與單板機或個人電腦(PC機)有著本質的區(qū)別。單片機的

42、應用屬于芯片級應用，需要用戶單片機學習者與使用者了解單片機芯片的結構和指令系統以及其它集成電路應用技術和系統設計所需要的理論和技術，用這樣特定的芯片設計應用程序，從而使該芯片具備特定的功能。不同的單片機有著不同的硬件特征和軟件特征，即它們的技術特征均不盡相同，硬件特征取決于單片機芯片的內部結構，用戶要使用某種單片機，必須了解該型產品是否滿足需要的功能和應用系統所要求的特性指標。這里的技術特征包括功能特性、控制特性和電氣特性等等，這些信息需要從生產廠商的技術手冊中得到。軟件特征是指指令系統特性和開發(fā)支持環(huán)境，指令特性即我們熟悉的單片機的尋址方式，數據處理和邏輯處理方式，輸入輸出特性及對電源的要求

43、等等。開發(fā)支持的環(huán)境包括指令的兼容及可移植性，支持軟件(包含可支持開發(fā)應用程序的軟件資源)及硬件資源。要利用某型號單片機開發(fā)自己的應用系統，掌握其結構特征和技術特征是必須的。單片機控制系統能夠取代以前利用復雜電子線路或數字電路構成的控制系統，可以以軟件控制來實現，并能夠實現智能化，現在單片機控制范疇無所不在，例如通信產品、家用電器、智能儀器儀表、過程控制和專用控制裝置等等，單片機的應用領域越來越廣泛。 電源電路因為單片機工作電源為+5V，且底層電路功耗很小。采用7805三端穩(wěn)壓片即可滿足要求9。具體電路圖如下：圖 4.2 電源電路圖 Fig. 4.2 Power circuit diagram

44、 轉速測量電路紅外發(fā)光二極管或稱電/光二級管SE303白色，出紅外光近紅外線約0.93m 。管壓降約1.4V ，工作電流一般小于20mA，外形尺寸:5mm。紅外接收二極管或稱光/電二級管黑色品牌:金威 型號:PD5308B-B 工作電壓:1.4-1.6 波長:940 工作電流:20 接收距離:10-12 外形尺寸:5mm。紅外接收二極管工作在反向狀態(tài)，當沒有接收到紅外發(fā)光二極管的光信號時，二極管截至，負級輸出低電平。當接受到紅外發(fā)光二極管的光信號時，二極管導通，負極輸出高電平。能正常接受到紅外發(fā)光二極管的光信號的距離大概為34米，這取決于發(fā)射管的發(fā)射功率。實物圖片及原理圖如下：圖 4.3 紅外

45、發(fā)光二極管實物圖Fig. 4.3 Infrared light emitting diode physical map接收紅外線紅外接收二極管發(fā)射紅外線紅外發(fā)光二極管圖4.4 工作原理圖Fig. 4.4 The principle diagram實際焊接電路如下：圖 紅外發(fā)光二極管焊接電路Fig. 4.5 Infrared light emitting diode welding circuit電路核心由一個光電開關管組成，平時電機轉輪靜止，發(fā)光二極管所發(fā)出的光被輪子擋住，所以接收管處于截止狀態(tài)，1端為高電平。當電機轉動一圈，會使接收管導通一次，1端輸出一個低電平，1端波形為：圖 1端的輸出波

46、形圖Fig. 4.6 One the end of the output waveform在實際電機工作狀態(tài)中，會受到各方面的干擾，波形會存在許多雜波成分，需要對波形進行處理，處理成符合記計數器所需要的矩型波。波形處理電路有一個三極管組成，如上圖。當輸入電壓逐步升高時，紅外接收管收到紅外發(fā)光二極管發(fā)出的光時導通，三極管就不導通，輸出高電平；當紅外接收管沒有接到紅外發(fā)光二極管發(fā)出的光時截止，三極管導通。這樣就有效的防止了雜波的干擾，并使輸出得到矩形脈沖，符合了下級計數的需求。工作波形如下：圖 經處理電路后的輸出波形圖Fig. 4.7 After processed by circuit outp

47、ut waveform 系統硬件設計根據紅外測速的原理，系統的電路設計如圖4.8所示。圖 4.8 紅外測速系統總設計圖Fig. 4.8 Infrared system design本系統采用AT89C52單片機，它是美國ATMEL公司生產的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內含8KB的可反復擦寫的Flash程序存儲器和256B的隨機數據存儲器RAM，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，與標準MS-51指令系統及8052產品引腳兼容，片內置有8位中央處理器CPU。功能強大的AT89C52單片機適用于許多較為復雜的控制應用場合。10電路中選用紅外光敏二極管作為受光器件，它與紅外

48、發(fā)光二極管一起組成一對紅外發(fā)射接收管，紅外光敏二極管在電路中處于反向工作狀態(tài)。沒有光照射時，光敏二極管處于截止狀態(tài)，反向電阻很大，反向電流暗電流很小。隨著光照的增強，光敏二極管處于導通狀態(tài)，其反向電阻減小，反向電流光電流增大，其光電流與照度之間呈線性關系。轉速顯示選用字符型液晶顯示模塊LCMJHD12864，可顯示16×8或16×16點陣字符。其主控制驅動電路為HD44780，具有標準的接口特性，適配M6800系列和MCS-51系列MCU的操作時序；模塊內部具有64個字節(jié)的自定義字符RAM，可自定義顯示字符。該模塊采用+5V電源供電，共有20個引腳，其與單片機的接口,其中可

49、變電阻RW2用來調節(jié)顯示器的比照度。第五章顯示單元的軟件設計 C51的根底知識隨著大規(guī)模集成電路的出現和開展，芯片生產廠家把中央處理器CPUCentral Processing Unit，隨機存取內存RAMRandom Access Memory，只讀存儲器ROMRead Only Memory，定時器/計數器以及I/OInput/Output接口電路等主要計算機部件，集成在一塊集成電路芯片硅片上，形成芯片級計算機，稱為單片微型計算機single chip microcomputer，直譯為單片機11。雖然單片機只是一個芯片，但從組成和功能上看，它已具有了微機系統的含義，又稱微型處理部件MCU

50、Micro Controller Unit,單片機商品名稱為微控制器單元。單片機具有優(yōu)異的性能價格比、體積小、可靠性高、控制功能強，廣泛應用在智能儀表、機電一體化、實時過程控制、機器人、家用電器、模糊控制、通信系統等領域。根據單片機能夠一次處理的數據的寬度二進制位數，單片機分為1位機、4位機、8位機、16位機、32位機。目前，應用最廣的產品是8位單片機，其中又屬Intel公司出品的MCS-51系列單片機應用最廣。MCS-51系列單片機已經成為事實上的工業(yè)標準，其內部包含如下功能部件： 1一個 8位的中央處理器CPU，完成運算和控制功能； 2一個片內振蕩器及時鐘電路，外接石英晶體和微調電容需外接

51、，為單片機產生時鐘脈沖序列，系統允許的晶振頻率033MHz； 3256B RAM數據存儲器，前128單元作內部數據存儲器，可擦寫的數據，后128單元為專用存放器。 4兩個16位定時器/計數器，以實現定時或計數功能，并以其定時或計數結果對計算機進行控制。 5可尋址的64KB外部數據存儲器以及控制電路。 6可尋址的64KB外部程序存儲器以及控制電路。 721個特殊功能存放器 832條可編程的I/O線(四個8位I/O并行端口) 9一個可編程全雙工串行口，可作全雙工異步通信收發(fā)器使用,實現單片機和其它設備之的串行資料傳送；也可作為同步移位器使用 10五個中斷源,外中斷2個,定時/計數中斷2個,串行中斷

52、1個；兩個優(yōu)先級，全部中斷分為高級和低級共兩個優(yōu)先級。 11根據內部程序存儲器ROM多少，MCS-51系列主要芯片與差異 8031 片內無ROM； 8051 片內4K掩膜ROM； 8751 片內4K紫外線可擦除可編程程序存儲器，EPROM； 89C51 片內4K電可擦除可編程程序存儲器，FLASH EEPROM； 89S51 片內4K電可擦除可編程程序存儲器，FLASH EEPROM，支持ISP； 89S52 片內8K電可擦除可編程程序存儲器，FLASH EEPROM，支持ISP。圖 51系列單片機 51 Series single chip microcomputer AT89系列單片機的型

53、號編碼由：前綴、型號和后綴三個局部組成。例如：AT 89SXXXX XXXX其中，AT是前綴，89SXXXX是型號，XXXX是后綴。 1前綴 由字母“AT組成，表示該器件是ATMEL公司的產品。 2型號 由“89CXXXX或“89LVXXXX或“89SXXXX等表示。 9表示內部含 Flash存儲器， “89CXXXX中，C表示 CMOS產品。 “89LVXXXX中，LV表示低壓產品。 “89SXXXX中，S表示含有串行下載 Flash存儲器。 3后綴 由“XXXX四個參數組成 后綴中的第一個參數 X用于表示速度 X12，表示速度為12 MHz。 X24，表示速度為24 MHz。 后綴中的第二

54、個參數 X用于表示封裝 XJ，表示 PLCC封裝，Plastic Leaded Chip Carrier； XP，表示塑料雙列直插 DIP封裝，Dual Inline Package； 后綴中第三個參數 X用于表示溫度范圍，它的意義如下： XC，表示商業(yè)用產品，溫度范圍為0十 70。 XI， 表示工業(yè)用產品，溫度范圍為40十 85。 XA， 表示汽車用產品，溫度范圍為40十 125。 XM， 表示軍用產品，溫度范圍為55十 150。 后綴中第四個參數 X用于說明產品的處理情況，它的意義如下： X為空，表示處理工藝是標準工藝。 軟件結構劃分采用結構化軟件設計的方法，使得設計簡單，易于調試和移植，

55、提高編程效率。采用結構化設計軟件的方法將本系統軟件劃分為圖所示的4個模塊：齒數計數模塊、計時模塊、轉速計算模塊和轉速顯示模塊。其中最主要的是計時模塊和轉速計算模塊。圖5.2 軟件模塊劃分Fig. 5.2 Software modules計時模塊由圖5.2可知當紅外線發(fā)射管發(fā)射的紅外線未被輪齒擋住時，接收管受紅外線照射呈導通狀態(tài)，經三極管輸入到單片機中斷端口的電壓為高電平，不產生中斷；而當紅外線發(fā)射管發(fā)射的紅外線被輪齒擋住時，接收管不受紅外線照射那么呈截止狀態(tài)，經三極管輸入到單片機中斷端口的電壓跳變?yōu)榈碗娖?。從而激活中斷程序對脈沖進行計數。計數流程圖如圖5.3所示。由于計數需要與計時同步，所以需要在產生第一次紅外光被擋住時(紅外光被擋住時Pass=0，反之Pass=1)，也即中斷口電位由高變低時翻開定時器。圖 5.3 計數與計時程序流程圖Fig