基于CAN总线和组态王的监控系统软件设计.pdf
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1、武汉理工大学硕士学位论文基于CAN总线和组态王的监控系统软件设计姓名:吴晓华申请学位级别:硕士专业:控制理论与控制工程指导教师:李志宏20050601武汉理工大学硕士学位论文摘要随着计算机技术,特别是微型计算机技术、通信、网络技术的发展,机舱自动化系统随之也发生了变革,从早期的模拟式向数字式发展。随着八十年代微机在船舶自动化中的应用,机舱自动化系统的体系结构也从集中监控式向分布式、集散型的D C S 系统发展。九十年代以后,随着现场总线技术(F I E L D B U S)的兴起和发展,船舶自动化产品进一步向数字化发展,逐步形成以网络集成自动化系统为主体的信息系统。由于现场总线系统的使用,使得
2、控制系统的可靠性增加、系统的结构变得简单,因此现场总线技术将在控制领域得到广泛应用,也会给船舶机舱自动化的发展带来一次飞跃。在船舶机舱自动化的发展过程中,以组态王为代表的监控软件正广泛的应用于各行各业,以其强大的功能和简便的操作性在监控项的开发中起到了事半功倍的效果;并且取得的良好的实际运行性能,深受用户好评。而C A N总线因为其总线协议的高可靠性、高性能、实时性好及其独特的设计和合理的成本也已经成为总线通信网络的酋选。C A N 总线已被广泛应用到各个自动化控制系统中。从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用C A N 总线。例如,在汽车电予、自动控制、智能大厦、电力系统、安防监控等各领域
3、,C A N 总线都具有不可比拟的优越性。本文首先对组态王以及C A N 总线各自的基本功能和特点进行深入的介绍,然后以具体的工程应用为例,阐述由组态王和C A N 总线构成的轮机监控系统的硬件组成、通信协议以及通信的软件实现。本文的重点在于介绍如何实现底层C A N 子站对数据的采集,C A N 子站与上位机组态王的数据通信的实现,以及基于S J A t 0 0 0 总线控制器和C A N 通信协议C A N 2 0 A C A N 2 0 B的C A N 总线强大的通信功能的软件实现。本文介绍的由组态王和C A N 总线构成的监控系统已在武汉南华造船厂承接的实训机舱轮机监控项目中得到应用并
4、取得了良好的运行效果。关键词:C A N 总线;组态王:S J A l 0 0 0;监控武汉理工大学硕士学位论文A b s t r a c tW i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y,e s p e c i a l l yt h et e c h n o l o g yo fm i c r oc o m p u t e r、c o m m u n i c a t i o na n dn e t w o r k,t h ea u t o m a t i o no fm a r i n ee n g
5、 i n er o o ms y s t e mh a sa l s od e v e l o p e d,f r o mt h ea n a l o g i c a lt ot h ed i g i t a l A st h ea p p l i c a t i o no fm i c r oc o m p u t e ri na u t o m a t i o no ft h ea u t o m a t i o no fm a r i n ee n g i n er o o ms y s t e m T h es t r u c t u r eo fa u t o m a t i o n
6、o fm a r i n ee n g i n er o o ms y s t e mh a sa l s od e v e l o p e df r o mc e n t r a l i z e dm o n i t o r i n gs y s t e mt od i s t r i b u t e dc o n t r o l l i n gs y s t e m S i n c e1 9 9 0 s,t h ep r o d u c t so fs h i pa u t o m a t i o nf u r t h e rd i g i t a l i z e d a n dg r a
7、 d u a l l yf o r m e dai n f o r m a t i o ns y s t e mb a s e d0 1 1n e t w o r ki n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e m B e c a u s eo ft h ea p p l i c a t i o no ff i e l db u s,t h er e l i a b i l i t yO fc o n t r o l l i n gs y s t e mh a sb e e ni n c r e a s e da n di t ss t r u
8、 c t u r eh a sb e c o m em o r es i m p l e,S ot h ef i e l db u sw i l lb ew i d e l yu s e di nt h ef i e l do fc o n t r o l l i n g a n da l s ob r i n gag r e a tl e a pt ot h ea u t o m a t i o no fa u t o m a t i o no fm a r i n ee n g i n er o o ms y s t e m A tp r e s e n t,t h es o f t w
9、a r eo fm o n i t o ra n dc o n t r o l,K I N G V I E W,a sar e p r e s e n t a t i v e,isn o ww i d e l ya p p l i e di na l lk i n d so fi n d u s t r i e si nC h i n af o rt h e i rp o w e r f u lf u n c t i o na n ds i m p l eo p e r a t i o ni nt h ed e v e l o p m e n to fi t e m so fm o n i t
10、 o ra n dc o n t r o lw h i c hl e a dt ot w i c et h er e s u l tw i t hl e s se f f o r t A l s o,t h ef a v o r a b l ep e r f o r m a n c ei np r a c t i c a lr u n n i n giSw e l la p p r a i s e db yt h ec o n s u m e r s H o w e v e r,t h eC A Nb u sh a sb e c o m et h ep r e f e r r e df o r
11、t h eh i g hr e l i a b i l i t y,h i g hp e r f o r m a n c e,g o o dr e a lt i m ep e r f o r m a n c e,i t si d i o g r a p h i cd e s i g na n dr a t i o n a lc o s to ft h eC A Nb u sa g r e e m e n t C A Nb u sh a sb e e na p p l i e di na l la u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m s I tc a
12、nb eu s e dn o to n l yi nh i g hs p e e dn e t w o r k,b u ta l s ot h el o wc o s tr o u t e sc o n n e c t i o n F o re x a m p l e,i nt h ef i e l d so fa u t o m o b i l ee l e c t r o n,a u t o c o n t r o l,b r a i n p o w e re d i r i c e,e l e c t r i cp o w e rs y s t e m,s e c u r i t y d
13、 e f e n s em o n i t o ra n dc o n t r o l、C A Nb u sh a st h es u p e r i o r i t yt h a tc a nn o tb ec o m p a r e db yo t h e r s T h ea r t i c l ew i l lf i r s tg i v ed e t a i l e di n t r o d u c t i o no ft h eb a s i cf u n c t i o n sa n dc h a r a c t e r so fK I N G V l E Wa n dC A N
14、b u s,i l l u s t r a t et h eh a r d w a r em a k e u p,c o m m u n i c a t i o na g r e e m e n ta n dt h es o f t w a r er e a l i z a t i o no ft h em o n i t o r i n ga n dI I武汉理工大学硕士学位论文c o n t r o l l i n gs y s t e mc o m p o s e db vK I N G V I E Wa n dC A Nb u sT h ee m p h a s e so ft h e
15、a r t i c l ei st oi n t r o d u c eh o wt or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nC A Ns u bs t a t i o n sa n dK i f l g V i e ws o f t w a r e,a n dt h es o f t w a r et e a l i z a t i o no fC A Nb u sp o w e r f u lc o m m l l n j c a t i o nc a p a b i l i t yb a s e do nt h e
16、S J A l 0 0 0b u sc o n t r o l l e ra n dt h eC A Na g r e e m e n t C A N 2 0 A C A N 2 0 B T h em o r t i t o ra n dc o n t r o Is y s t e mc o m p o s e db vK I N G V I E Wa n dC A Nb u sh a sb e e na p p l i e di nt h ep r o j e c to fr e a l t i m et r a i n i n ge n g i n er o o mc a r r i e
17、do nb yW u H a nN A N H U Ab o a t y a r d,a n dh a sa c h i e v eg o o dr u n f l i n gp e r f o r m a n c e K e yw o r d s:C A Nb u s,K i n g V i e w,S J A10 0 0,m o n i t o r i n gI I I武汉理工大学硕士学位论文第l 章绪论1 1 研究的背景及意义1 1l 现代化舰船对机舱监控系统的需求船舶综合监控系统的自动化水平是衡量当前船舶先进程度的一个重要标志。近年来,随着自动控制和计算机技术的高速发展,船舶自动化的水
18、平不断提高,其中轮机综合监控系统,船舶综合驾控系统以及集驾驶与轮机临控于一体的全船综合监控系统己成为当今世界上最前沿的研究课题。机舱自动化监控系统在舰船动力装置中的地位干u 重要性的提高,主要是源十I-述需求:核、生、化作战环境,推进模式变化,更高的机动性要求更帙的反应速度,不断提高的损害管制要求:更高的可靠性、安全性要求。“11 1 2 机舱监控系统设计概念的发展传统机舱监控系统的监测和控制功能都足由硬件结构设计来实现的,因而各种不同动力装置部必须专门研制配套的监控系统,带来巨大的财源浪费,还块乏互换性,严莺影响维护和使用,是制约舰船战斗力发挥的重要冈素。现代机舱监控系统,采用模块化结构设计
19、其监控功能由硬件和软件组合共同实现。硬件可以分解成不同的过程站,而过程站又可分解成不同的功能模件;软件可分成结构支持软件和应用软件。支持软件是通用的,根据硬件的大小而配置。应用软件是模块设计的,根据4 i I 司的被监控对象的具体要求可修改相应模块的参数、程序、时间设定值。因此,一套完整的机舱监控系统由几十种标准功能模件、一套结构支持软件和模块化应用软件组成。它与传统监控系统的最大区别就是它不再是一套结构固定的、只适台某型机、某型船的单系统,而是结构可变、规模可大可小、通用的系统。由此,只要从几十种典型的、标准化的功能模件中按不同的要求组装成不同的过程武汉理工大学硕上学位论文站,再通过支持软件
20、联成网络系统,加上相应的应用软件,便组成一满足特定要求的舰船机舱监控系统1 1 3 机舱监控系统发展的设想1 13 1 典型监控系统研制我国已基本具备定点定型研制通用机舱监控系统的能力和技术储备。今后应从机舱整体出发,以几型经实船验证有相当水平的系统(如C Y 8 8 0 0、C W W 8 6、D Y T 一8 8)为基础,按网络化要求进一步发展完善,其功能应不少于以上所述,其结构应按过程监控站、系统控制机、系统管理机、网络节点等分层次模块化研制,必须保证系统结构规模和模件的可选择组合性,既能适应要求简单的小艇,又可满足大型舰船复杂的机舱监控功能的要求。1 1 32 专项监控配套设备研制在典
21、型监控系统开发过程中,今后应着重开发完善下列系统配套设备和模件:(1)带冗余、可靠性高的网络节点机;(2)抗恶劣环境的机舱过程监控站:(3)模块化、标准化的板级电子模件;(4)先进的自适应测量单元;(5)屏幕显示、监测、报警和控制装置;(6)温度、压力、转速、液位等传感器的工艺改进和优化定点;(7)光纤数据通信设备和技术;(8)损管监控系统研制;(9)燃气轮机电子监控箱研制;(1 0)蒸汽轮机过程监控箱研制:(1 1)各种电磁、电气转换器和执行机构的研制改进;(1 2)监控系统模拟调试、检测、验收设备研制。11 3 3 现代监控技术研究传统的监控技术已远远不能适应网络化计算机监控系统的要求,今
22、后应着重在以下方面展开专题研究:(1)柔性监控系统技术研究:(2)状态监测技术研究:(3)故障诊断技术研究:(4)趋势分析预报技术研究:(5)实船系统功能检查技术研究:(6)实船人员训练技术研究,(7)船机桨计算机稳态、动态匹配仿真技术研究:(8)系统支持软件和应用软件的模块化、标准化研究:(9)新的测量方法(电流、电压、有功功率、频率相位差、扭矩等)研究:(1 0)各种冗余技术,包括计算机、传感器、执行结构、显示、软件、信息资源等冗余的研究;(1 1)C R T 数据压缩技术和屏幕监控技术研究:(1 2)柴、汽发电机组武汉理工大学硕L 学位论文长期并联运行技术研究;(1 3)可靠性预测、评估
23、、设计技术研究;(1 4)现代控制理论和新技术(如优化控制、人工智能、专家系统)的应用研究。机舱监控系统是现代化舰船动力系统的关键设备之一,以单片机为基础的局部网络系统是机舱监控系统发展的必然趋势。我国现役舰船机舱监控系统设备虽较落后,但技术方面己达国际八十年代末水平,故应在典型机舱监控系统和专项监控配套设备研制及现代监控技术研究等方面加大投资力度和行业管理,收缩战线,制定标准,强化竞争,以期赶上发达国家水平。1 2国内外舰船机舱监控系统的现状和发展趋势1 2 1 概述自5 0 年代至今,国外舰船机舱监控系统的发展历经四个阶段。5 0 年代至6 0 年代初为第一阶段,发展气、液、电等单项自动调
24、节监控设备,实现就地分散控制;6 0 年代至7 0 年代为第二阶段,发展气动、电动和中小规模集成电子模件的组合逻辑控制和中小型计算机的集中监控系统,出现了机舱集中控制室,形成了驾驶室、集控室、机舱的三级监控;7 0 年代末至8 0 年代中后期为第三阶段,发展以微机为基础的丰从式分布结构监控系统,使监控系统的功能进一步增强,可靠性大大提高,而成本相应低廉;8 0 年代末,又进入了以单片机为基础的局部网络的第四阶段,使机舱监控系统与全船自动化系统联网,成为整个平台集成自动化系统的组成部分,国外提出了船舶机舱分布式总线监控系统的概念。其以总线为核心,将所有控制台中的微机连接成网,共享数据。各控制台之
25、间可以互相通讯,交换信息。系统具有对资源的动态重构能力,易于向接入总线系统的更多控制台提供冗余措施,在系统结构上采用总线挂接方式。这些技术特点实现的前提就是系统构成的模块化。随着这种网络型监控系统技术的发展,其应用的高效率、多功能,研制开发的低成本,维护、保障的低消耗等要求,使得监控系统的系列化、标准化成为一种必然的发展趋势。武汉理工大学硕士学位论文1 2 2 典型系统英国海军在2 3 型反潜护卫舰上装配有第三代机舱监控系统,采用2 0 多台8 0 8 6 微机组成主从星形分布式系统,反映出其八十年代的综合水平。现又提出了“5 0 人护卫舰”的方案,应用计算机控制、监测、诊断、维护、人工智能、
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- 基于 CAN 总线 组态 监控 系统软件 设计
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