基于现场总线CANopen的多电机协同控制系统的设计与实现

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 3.74MB 81 页 15积分
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第一章 绪论
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第一章 绪论
运用现场总线与 PLC 技术相结合来控制现场设备如：执行器、控制仪表以及
上位机等，这就组成了一个高速、实时、可靠的网络化、全集成、自动化控制系
统。现场总线拥有标准的、开放的、双向多站数字通信的特点，这就使自动化控
制系统拥有更好的维护性和实施性。系统的安装、维护、升级等费用相对减少，
也可以根据需求灵活选择不同厂商，不同品牌的现场设备以实现最优化的自动化
系统的集成的。
基于现场总线技术的现代化控制系统的应用范围逐渐广泛，与传统的分布式
控制系统相比可以进一步提高生产效率，降低生产运营成本。所以研究现场总线
的标准开放式协议和控制策略，开发符合协议的各种现场执行设备，发挥工业网
络化的控制优势，有利于促进国民经济的进一步发展，也符合国家倡导的“节能
减排”的宗旨。
§1.1 课题来源与研究内容
该项目是上海理工大学申请的，由上海市教委 2007 年度立项的《计算机控制
技术》重点课程建设项目中的子课题——基于现场总线 CANopen 的综合控制实验
系统开发。目前已经完成了基于 CANopen 现场总线的物品传送控制、产品分拣、
增压和排气控制、物品分流等功能。该系统的设计任务是经过调研、来源于企业
的需求，目的也在于尽可能地模拟一个工业化的控制环境，为培养、提高工科学
生的实践能力，开发的一个先进的硬件支撑平台。
本课题的开发过程主要是通过分析研究 CANopen 现场总线的通信协议；分析
Schneider PLC 与CANopen 总线搭建网络的模式；分析产品分拣线的控制过程；实
现Unity Pro S 上位机组态，进而完成 PLC 控制系统的设计。
首先，研究 CANopen 现场总线的通信协议、应用接口，及其协议构架以及与
PLC 和监控管理设备的互联。其次，研究 Schneider PLC Modicon M340 的软硬件
应用，研究 Unity Pro S 应用及组态。最后，以产品分拣线为例，搭建成具有一定
开放特性的基本系统，包括 PLC 控制系统设计、上位机管理和监控系统设计。
基于现场总线 CANopen 的多电机协同控制系统的设计与实现
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§1.2 相关技术背景简介
自上世纪 40 年代以来，工业控制系统开始了逐步发展成熟的步伐。当时采用
只具备简单测控功能的现场基地式仪表，即第一代过程控制系统(气动控制系统或
PCS)。气动控制系统一直沿用到 20 世纪 60 年代才结束其主导地位，而目前在类
似防爆等特殊场合下仍发挥着不可替代的作用。
开始应用 4～20mA 模拟信号标准的第二代控制仪表(模拟控制系统或 ACS)标
志着控制系统的又一次飞跃。但是由于不同的传感器和执行器信号的定义有所不
同，大量仪表的信号标准难以规范，这样限制了控制系统的规模和性能，降低了
系统集成度。
随着数字计算机在测量、模拟和逻辑控制领域被广泛使用，从而产生了集中
控制系统，即第三代过程控制系统(CCS)。采用单片机、PLC 或微机作为控制器传
输数字信号，克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低的缺陷，提高了系统抗
干扰能力，便于根据全局情况进行控制计算和判断。在控制方式的选择与实现上
可以统一调度和安排。但集中式计算机控制系统存在可靠性问题，一旦作为控制
中心的计算机发生故障，将导致系统全面瘫痪。
为了改善 CCS 的缺陷，第四代过程控制系统(DCS)应运而生。它采用集中管
理，分散控制的方法，有力地克服了集中式数字控制系统对控制器处理能力和可
靠性要求高的缺陷。因此 DCS 系统在电力、石油、化工等重要领域得到普遍应用。
但是，出于垄断经营的目的各大系统集成厂商采用各自封闭的控制通信模式，不
同环境下，设备难以实现通信与信息连接。因此，DCS 成为一种封闭专用的、不
具有大范围可操作性分布式控制系统。
电子信息技术的飞速发展又给自动化工业控制系统带来了深刻的变革。逐步
形成了现在的以网络集成自动化为基础的企业信息系统。它具有开放、数字化、
容易进行数据交换的特点。它利用现场总线连接智能现场设备和自动化系统形成
数字式、双向传输、多分支结构网络特色的自动控制系统。这样，现场总线成为
当今 3C (Computer Control Communication)发展的结合点，也是过程控制技术、自
动化仪表技术和计算机网络技术发展的交汇点，而且是信息技术、网络技术的发
展在控制领域的集中体现，是信息技术、网络技术延伸到现场的必然结果。因此，
现场总线控制系统是一个及时开放的通信网络，又是一种分布式控制系统，它作
为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上作为控制节点的智能设备连接为网络系
统，并进一步构成自动化控制系统。它在制造业、物品分流、楼宇等方面的自动
化控制系统得到越来越广泛的应用。
第一章 绪论
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本文主要是研究 CANopen 现场总线技术与 PLC 相结合，下面将简要介绍相关
技术。
§1.2.1 现场总线技术
现场总线控制系统(FCS，Fieldbus Control System)，它是开放的、具有互操作
性的网络可以将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统。同时控
制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。因此，FCS 实质是一种开
放的、具有互操作性的、彻底分散的分布式控制系统，有望成为 21 世纪控制系统
的主流产品。
现场总线把通用或专用的处理器置入传统的测量控制仪表，使之具有数字计
算和数字通信能力，采用一定的介质(例如双绞线、同轴电缆、光纤、无线、红外
等)作为通信总线，按照公开、规范的通信协议，在位于现场的多个设备之间以及
现场设备与远程监控计算机之间，实现数据传输和信息交换，形成各种适应现代
化需要的自动化控制系统。
一、现场总线系统的技术特点
1、系统的开放性。开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共
识与遵从。所谓开放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其它设
备或系统相连，通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换。现
场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。用户可按自己
的需要和考虑，通过现场总线把来自不同供应商的产品组成大小随意的开放互连
系统。
2、互操作性与互用性。互操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送
与沟通;而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。
3、现场设备的智能化与功能自治性。它将与传感测量、补偿计算、工程量处
理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本
功能，并可随时诊断设备的运行状态。
4、系统结构的高度分散性。现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体
系结构。从根本上改变了现有 DCS 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化
了系统的结构，提高了可靠性。
5、对现场环境的适应性。工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总
线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、
电力线等，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。
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二、现场总线的优点
由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从
设计、安装、投运到正常生产运行及检修维护，都体现出优越性。
1、节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散的智能设备能直接执行多
种传感、测量、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单
独的调节器、计算单元等，也不再需要 DCS 系统的信号调理、转换、隔离等功能
单元及其复杂接线，还可以用工控 PC 机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，
并可减少控制室的占地面积。
2、节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上
通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计
与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电
缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，又减少了设计、安装的工作量。
据有关典型试验工程的测算资料表明，可节约安装费用 60%以上。
3、节省维护开销。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并
通过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，
诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间，同时
由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。
4、用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选择不同厂商所提供的设
备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品而限制了使用设备的选择范围，不
会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权牢
牢掌握在用户手中。
5、提高了系统的准确性与可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化，与
模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差。同时，
由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的
往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，由于它的设备标准化，功能模块化，
因而还具有设计简单，易于重构等优点。
三、现场总线的现状
1、多种总线共存：CAN 总线；基金会现场总线（Foundation Fieldbus）
[6]
；
PROFIBUS 现场总线；LonWork 现场总线
[3]
；HART 总线（Highway Addressable
Remote Transducer）等。
2、每种总线都力图拓展其应用领域，以扩张其势力范围。在一定应用领域中
已取得良好业绩的总线，往往会进一步根据需要向其他领域发展。如 PROFIBUS
在DP 的基础上又开发出 PA，以适用于流程工业。
第一章 绪论
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3、大多数总线都成立了相应的国际组织，力图在制造商和用户中创造影响，
以取得更多方面的支持，同时也想显示出其技术是开放的。
4、每种总线都以一个或几个大型跨国公司为背景，公司的利益与总线的发展
息息相关，如 PROFIBUS 以Siemens 公司为主要支持，ControlNet 以Rockwell 公
司为主要背景，Wor1dFIP 以ALSTOM 公司为主要后台。
5、大多数设备制造商都积极参加不止一个总线组织。
6、每种总线大多将自己作为国家或地区标准，以加强自己的竞争地位。现在
的情况是:P-Net 已成为丹麦标准，PROFIBUS 已成为德国标准，WorldFIP 已成为
法国标准。上述 3种总线于 1994 年成为欧洲标准，EN50170，其他总线也都行成
了各组织的技术规范。
7、在激烈的竞争中出现了协调共存的前景。这种现象在欧洲标准制定时就出
现过，欧洲标准 EN50170 在制定时，将德、法、丹麦 3个标准井列于一卷之中，
形成了欧洲的多总线的标准体系，后又将 ControlNet 和FF 加入欧洲标准的体系。
8、以太网的引入成为新的热点。以太网正在工业自动化和工程控制市场上迅
速增长，几乎所有远程 I/O 接口技术的供应商均提供一个支持 TCP/IP 协议的以太
网接口，如 Schneider，Siemens, Rockwell, GE Fanuc 等，他们销售各自的 PLC 产
品，但同时提供与远程 I/O 和基于 PC 的控制系统相连接的接口。
四、现场总线系统的发展趋势
随着现场总线技术的日益普及，以及基于现场总线的产品和应用的不断增多，
这种新一代控制系统正逐渐推广，现场总线控制系统体系结构日益清晰，具体发
展趋势表现在以下几个方面。
1、现场总线控制系统是全面数字化、网络化的控制系统。这体现在位于现场
的传感器/执行器一级也全部实现数字化、智能化，他们彼此之间以及与控制器之
间通过现场总线构成工业现场的局域网络，进而连接到上层控制网、管理网甚至
互联网，形成一个无所不在的网络系统，信息可以在现场、车间、工厂、公司总
部之间自由流动。
2、现场总线控制系统的网络结构向简单的方向发展。早期的 MAP 模型由七
层组成，现在 Schneider 公司提出了 3层网络的 3+2结构：3层设备是位于底层的
现场总线设备，如传感器/执行器，以及各种分布式 I/O设备等:位于中间的控制设
备，如 PLC、工业控制计算机、专用控制器等；位于上层的是操作设备，如操作
站、工程师站、数据服务器、一般工作站等。二层网络是现场设备与控制设备之
间的控制网，以及控制设备与操作设备之间的管理网。
3、现场总线控制系统大量采用成熟的、开放的、通用的技术。如在管理网的
基于现场总线 CANopen 的多电机协同控制系统的设计与实现
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通信协议上，越来越多的企业采用最流行的 TCP/IP 协议加以太网，操作设备一般
采用工业 PC 机，控制设备一般采用标准的 PLC 或者是智能化的控制芯片等，而
控制网络就是各种现场总线的应用领域。
由此可见，新兴的现场总线控制系统与传统的控制系统(如DCS, PLC)之间
并不是完全取而代之的关系，而是继承、融合、提高的关系。例如现场总线控制
系统与 DCS 之间结构有相似之处，但在底层用现场总线取代了传统的(4～20mA)
信号，就使功能上发生重大变化。现场总线控制系统常常采用标准的 PC 作操作站，
在控制站上装有现场总线的通信模块，可与现场总线的智能设备相连，从而减低
了系统的成本，提高了系统的开放性。
§1.2.2 PLC 技术
PLC 英文全名：Programmable Logic Control，即可编程控制器包括逻辑运算、
顺序控制、时序、计数以及算术运算等程序。他用一串指令形式存放在存储器中，
然后根据存储的控制内容，经过模拟、数字等输入输出部件，对生产设备与生产
过程进行控制
[25]
。一套典型的 PLC 通常包括 CPU 模块、电源模块和一些 I/O 模
块，这些模块被插在一块背板上。如果配置增加，可能会包括一个操作员界面、
监控计算机、通信模块、软件以及一些可选的特殊功能模块。可编程控制器不仅
容易安装，占用空间小，能源消耗小，带有诊断指示器可以帮助故障诊断，而且
可以被重复使用到其他的项目中去
[8]
。现在，尽管 PLC 的功能，如运行速度、接
口种类、数据处理能力已经获得了很大的提高，但 PLC 一直保持了最初设计的原
则，那就是简单之上的原则。
PLC 通常根据 CPU 所带的 I/O 点数的规模分为微型 PLC、小型 PLC、大型 PLC，
PC 插卡式 PLC 以及 PC 兼容的 PLC。
PLC 的技术不断发展取得了很大的成就，PLC 控制系统应用地越来越广泛。
过去，PLC 使用与离散过程控制，如开关、顺序运动执行等场所，但随着 PLC 的
功能越来越强大，PLC 也开始进入过程自动化领域
[21]
。
PLC 硬件上一系列进展，包括：
采用新型微处理器和电子技术达到快速的扫描时间；小型、低成本的 PLC，
获得更大的发展动力；高密度的 1/O 系统，以低成本提供了节省空间的接口；基
于微处理器的智能 I/O 接口扩展了分布式控制能力，典型的接口如 PID，网络，
CAN
总线，现场总线，ASCII 通信，定位，主机通信模块，语言模块(如BASIC PASCALC)
等
[6]
；包括输入输出模块和端子的结构设计改进，使端子更加集成；特殊接口允
第一章 绪论
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许默写器件可以直接接到控制器上，如：热电偶、热电阻、应力测量、快速响应
脉冲等。
硬件改进，使得 PLC 的产品系列丰富和发展，使 PLC 从最小的只有 10 个I/O
点的微型 PLC 到可以达到 8000 点的大型 PLC
[20]
。这些产品系列，用普通 I/O 系
统和编程外部设备，可以组成局域网，并与办公网络相连。对于用户来说，PLC
产品系列概念可方便地用于成本控制。
PLC 软件上与硬件发展相似，PLC 的软件业取得了巨大的进展，大大强化了
PLC 的功能。PLC 引入了面向对象的编程工具，并且根据国际电器工程委员会的
IEC 61131 的标准形成了多种语言；小型 PLC 也提供强大的编程指令，并且因此延
伸了应用领域；高级语言，如 BASIC，C在某些控制器模块中己经可以实现，在
与外部通信和处理数据时提供了更大的编程灵活性
[10]
；梯形图逻辑中可以实现高
级的工能块指令，可以使用户用简单的编程方法实现复杂的软件功能；诊断和错
误检测功能也从简单的系统控制器的故障诊断扩大到对所控制的机器和设备的诊
断；浮点算数可以进行控制应用在计量、平衡和统计等所设计的复杂计算；数据
处理指令的到简化和改进，可以进行设计大量数据存储、跟踪和存取的复杂控制，
数据采集与处理功能。
PLC 己经比原来复杂了很多，但是，对操作员来说，今天的高性能的 PLC 与
30 年前的 PLC 一样那么容易操作，甚至更为简单
[11]
。
§1.2.3 施耐德现场总线控制系统简介
本课题是基于施耐德公司的产品，CANopen 现场总线及 Schneider PLC，下面
介绍一下施耐德产品构成的控制系统解决方案。
透明工厂是一个创造性的战略，它将构建互连网基础的技术与施耐德自动化
的产品融合。如图 1-1 CANopen 总线结构示意图所示。其宗旨是将现存的、开放
的和已经证实的技术引入市场，从而消减专有系统的集成障碍。透明工厂是建立
在新的信息技术和通信技术基础上的,透明工厂概念主要包含三方面的内容：基于
TCP/IP 以太网的通信、
WEB 模式的网络应用和面向对象的编程。施耐德电气目前
能提供的有关透明工厂的产品有嵌入式的 WEB 服务器、TCP/IP 通信。
基于现场总线 CANopen 的多电机协同控制系统的设计与实现
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图1-1 CANopen 总线结构示意图说明
§1.3 本论文研究内容
研究 CANopen 现场总线的通信协议、应用接口，及其与现场设备、PLC 和监
控管理设备的互联；
研究 Schneider PLC Modicon M340 的软硬件应用；
研究 Unity Pro S 应用及其组态；
以产品分拣线为设计任务，实现系统集成，搭建成具有一定开放系统特性的
控制系统。包括 PLC 控制系统设计、上位机管理和监控系统设计。
通过查阅文献，分析 CANopen 现场总线的通信协议；分析 Schneider PLC 与
CANopen 搭建网络的模式；分析产品分拣线的控制过程，实现 Unity Pro S 上位机
组态，完成 PLC 控制系统的设计。
第二章 产品分拣线及控制监控系统
9
第二章 产品分拣线及控制监控系统
§2.1 产品分拣线简介与系统构成
产品分拣线主要任务是实现对传送带上的产品进行识别分类，将不合格的产
品回收。本课题研究的这条产品分拣线兼有生产与教学实验、实习之目的。它涵
盖了多种典型的自动化专业技术，如运动控制、步进电机控制、速度检测、温度
控制等。应用 Schneider PLC 综合控制系统及 Unity Pro S 监控界面实现对系统运行
监控，进一步丰富产品分拣线系统的控制内容，提高系统运行的稳定性和生产效
率。
本系统能完成的产品分拣控制示意图如图 2-1 所示，该系统主要包括的控制模
块有：
（1） 机械手控制，由三台步进电机控制，设置限位开关，在 PLC 的驱动
下使机械手完成程序设定的动作；
（2） 传送带控制，测速发电机（编码器）反馈传送带速度，通过变频器
实现传送带速度以系统要求的目标速度运动。
各设备必须协调工作才能实现产品的分拣。其工作流程是，首先机械手回到
初始位置，然后传送带将产品运送达识别位置，传感器将识别的信号传给机械手
控制模块，若为不合格产品，机械手将该产品搬运至指定位置，然后运动回到初
始位置；若为合格产品，机械手不做响应；等待传感器信号，继续循环工作。
传送带
识别传感器
风扇组
机械手
物
品
分
流
不合格
合格
测速
图2-1 产品分拣控制示意图
摘要：

第一章绪论1第一章绪论运用现场总线与PLC技术相结合来控制现场设备如：执行器、控制仪表以及上位机等，这就组成了一个高速、实时、可靠的网络化、全集成、自动化控制系统。现场总线拥有标准的、开放的、双向多站数字通信的特点，这就使自动化控制系统拥有更好的维护性和实施性。系统的安装、维护、升级等费用相对减少，也可以根据需求灵活选择不同厂商，不同品牌的现场设备以实现最优化的自动化系统的集成的。基于现场总线技术的现代化控制系统的应用范围逐渐广泛，与传统的分布式控制系统相比可以进一步提高生产效率，降低生产运营成本。所以研究现场总线的标准开放式协议和控制策略，开发符合协议的各种现场执行设备，发挥工业网络化的控制...

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