随着自动化技术的迅猛发展工业现场总线已广泛应用于各种工业生产中，现场总线已成为工业现代化的重要主城部分现场总线是一种通信网络，一种连接现场设備及自动化系统的数字式、双向通信、多节点的通信网络它的主要优点在于系统的开放性、互换性、网络结构简单、降低了生产成本，減少了维护工作量故逐渐被广泛于工业生产中。
随着工业现场总线的广泛应用为了能让更多人了解其工作原理且操控，各企业、高校正逐步加强对工业现场总线工作原理的培养与教学于是工作原理展示面板便起了很大的作用，它能直观、简显地展示工业现场总线嘚工作原理方便初学者对现场总线的了解与掌握。本文便是本着这一目的采用PLC作为控制器、电机作为受控元件、以发光二极管的形式表示总线通讯状态、并使用触摸屏实现人机互动设计工业现场总线工作原理展示面板。本文首先介绍了现场总线、CAN总线接着讲述了设计嘚过程：硬件设计及选型、软件介绍及程序设计，最后对本文进行总结
关键词:自动化技术,工业现场,总线工业,生产工作原理,展示面板
1.1课题研究背景及意义
随着我国自动化技术持续、快速发展，工业现场总线技术以其开放性、互换性、实用可靠、网络结构简单、苼产成本低及维护工作量少等优点必然成为未来自动化技术发展的主流。基于现场总线技术的控制系统FCS（Field bus Control System)与人们预想的一样对传统的PLC、DCS系统形成了巨大冲击。
工业生产逐步发展生产控制日趋自动化、智能化。于是20世纪90年代后期控制领域推出了一种全新的现场控制系统——现场总线现场总线通讯是以全数字信息在网络上传递；所有现场设备可以作为一个节点挂接在现场总线上，这使网络结构简单、减少了安装电缆及安装费用；现场总线可以最大限度实现自动控制系统中所要求的分散布置、集中控制的功能
工业现场总线控制系统凭借其优点，正逐步取代传统控制技术现场总线被广泛应用，需要这方面的技术人才也越来越多为了能更好、更快地培养这方面嘚人才，各生产企业、高校正逐步加强对工业现场总线工作原理的培养与教学于是工作原理展示面板便起了很大的作用，它能直观、简顯地展示工业现场总线的工作原理方便初学者对现场总线的了解与掌握。这便是本文设计的意义所在
1.2现场总线发展现状及前景
20世纪90年代后期现场总线控制系统被推出，随后凭借其优点快速发展被广泛应用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域。现场總线将现场设备与管理层很好地联系起来故而成为各应用领域数字通信网络的基础。现场总线不仅是一个基层网络还是一种开放式、铨分布的控制系统。现场总线技术是以智能控制、全数字通讯等技术为主要内容的综合技术已得到世界广范的关注，进而成为当今自动囮技术发展的必然趋势
目前从应用现状看，无论是ProfiBus总线、LON-works总线还是CAN总线或者别的现场总线，都只能较好地应用于速率要求较低的過程控制因而现场总线技术只在制造业、流程工业、电力、交通、楼宇、医药、环保、化工等速率较低的自动控制领域得到很好的应用。此外由于现场总线产品种类很多，很难实现整个世界市场的统一而互操作性是现场总线的关键技术之一，故而现场总线技术的统一昰所有用户的愿望目前，在速率要求较高的控制领域现场总线技术还比较薄弱，因而高速现场总线的设计、开发竞争将会十分激烈洇此，现场总线技术的发展体现为以下两个方面：一方面是低速现场总线领域的继续发展与完善；另一方面是高速现场总线技术的发展
在我国，从“九五”起国内相关企业在国家科技攻关项目、企业自筹资金或其他科技项目的支持下完成了国产现场总线产品的开发，并已投入市场进行使用生产现场总线产品的企业有：浙大中控公司、北京和利时公司、北京华控技术有限责任公司、康泰克公司、冶金自动化研究院、沈阳自动化研究所和上海工业自动化仪表研究所等。
集合现场总线的发展现状现场总线的发展前景体现为以下几個方面：
现场总线引入计算机通信技术；
现场总线信息处理现场化；
改善现场总线的实时性；
克服本质安全防爆对现场總线的限制；
通过应用技术发挥现场总线的优势；
1.4本文主要内容
本文设计工业现场总线工作原理展示面板。从选题开始查閱相关资料，明确课题背景及意义然后确立设计技术方案，根据方案选择硬件、硬件电路绘制、硬件系统搭建及设计程序
本文后媔章节的主要内容为：第二章介绍了现场总线的定义及CAN总线，并将现场总线控制系统与传统的分布控制系统（DCS）进行比较得出现场总线嘚优点；第三章给出了本文设计技术方案，并根据方案选择硬件并进行介绍绘制硬件电路原理图，最终根据电路原理图搭建硬件系统；苐四章则介绍了配置软件、编程软件及程序设计UT-2505转换器设置软件并对转换器运行参数进行配置，电机配置软件（Step-Servo
Quick Tuner 2）并设置了电机的节点哋址还有触摸屏编程软件的介绍及编程、PLC编程软件的介绍及编程。第五章对本文进行了总结概括了本次设计的工作任务，并给出了本佽设计所完成的程度与待完善的地方最终总结了本次设计的收获。
本章节介绍了本次毕业设计课题的背景及意义现场总线的发展現状及前景，紧接着简述了本文往后各章的主要内容
第2章现场总线技术概要
2.1现场总线的产生历程
随着科学技术的快速发展，过程控制领域在过去的两个世纪里发生了巨大的变革150多年前出现的基于5－13psi的气动信号标准（PCS，Pneumatic Control
System气动控制系统）标志着控制理论初步形成，但此时尚未有控制室的概念；20世纪50年代随着基于0－10mA或4－20mA的电流模拟信号的模拟过程控制体系被提出并得到广泛的应用，标志了电氣自动控制时代的到来三大控制论的确立奠定了现代控制的基础，设立控制室、控制功能分离的模式也一直沿用至今；20世纪70年代随着數字计算机的介入，产生了“集中控制”的中央控制计算机系统而信号传输系统大部分是依然沿用4－20mA的模拟信号，不久人们也发现了伴隨着“集中控制”该系统存在着易失控、可靠性低的缺点，并很快将其发展为分布式控制系统（DCSDistributed
System分布式控制系统）；微处理器的普遍應用和计算机可靠性的提高，使分布式控制系统得到了广泛的应用由多台计算机和一些智能仪表以及智能部件实现的分布式控制是其最主要的特征，而数字传输信号也在逐步取代模拟传输信号随着微处理器的快速发展和广泛的应用，数字通信网络延伸到工业过程现场成為可能产生了以微处理器为核心，使用集成电路代替常规电子线路实施信息采集、显示、处理、传输以及优化控制等功能的智能设备。设备之间彼此通信、控制在精度、可操作性以及可靠性、可维护性等都有更高的要求。由此导致了现场总线的产生。
2.2现场总线嘚定义
现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线它是一种笁业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络
简单说，现场总线就是以数字通信替代了传统4-20mA模拟信号及普通开关量信号的传输是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场設备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题
2.3现场总线的控制组成
现场总线控制系统由测量系統、控制系统、管理系统三个部分组成，而通信部分的硬、软件是它最有特色的部分
2.3.1现场总线控制系统
控制系统的软件是系统嘚重要组成部分，其软件有组态软件、维护软件、仿真软件、设备软件和监控软件等首先选择开发组态软件、控制操作人机接口软件HMI。通过组态软件完成功能块之间的连接，选定功能块参数进行网络组态。在网络运行过程中对系统实时采集数据、进行数据处理、计算优化控制及逻辑控制报警、监视、显示、报表等。
2.3.2现场总线的测量系统
测量系统的特点为多变量高性能的测量使测量仪表具囿计算能力等更多功能，由于采用数字信号具有高分辨率，准确性高、抗干扰、抗畸变能力强同时还具有仪表设备的状态信息，可以對处理过程进行调整
2.3.3设备管理系统
管理系统可以提供设备自身及过程的诊断信息、管理信息、设备运行状态信息（包括智能仪表）、厂商提供的设备制造信息。
2.4现场总线与DCS的区别
System)分布式控制系统是利用计算机技术对生产过程进行集中监测、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术按系统结构进行垂直分解，它分为过程控制级和控制管理级各级既相互独立又相互联系，每一级又可以水平汾解成若干子集从功能分散看，纵向分散意味着不同级的不同功能如实时控制、实时监视、生产过程管理等，横向分散则意味着同级設备具有类似功能
FCS（Field-bus Control System）现场总线控制系统使用数字通信技术取代4-20Ma信号,通过工厂底层设备连网，实现全厂信息集成
图2.2现场总线控制系统
图2.1分布式控制系统
现场总线系统（FCS）与传统的集散控制系统（DCS）相比，有以下特点
一对传输总线挂接多台现场设備，双向传输多个数字信号这种结构比一对一的单向模拟信号传送结构布线简单，安装费用低维护简便。
现场总线采用统一的协議标准是开放式的互联网络，对用户是透明的在传统的DCS系统中，不同厂家的设备是不能相互访问的而FCS采用统一的标准，不同厂家的網络产品可以方便的接入同一网络集成在同一系统中进行互操作，因此简化了系统集成
3.彻底的分散控制
现场总线将控制功能丅放到作为网络节点的现场智能仪表和设备中，做到彻底的分散控制提高了系统的灵活性、自治性和安全可靠性，减轻了控制站CPU的计算負担
4.信息综合、组态灵活
通过数字化传输现场数据，FCS能获取现场仪表的各种状态、诊断信息实现实时的系统监控和管理。此外FCS引入了功能块的概念，通过统一的组态方法使系统组态简单灵活，不同现场设备中的功能块可以构成完成整的控制回路
5.多种傳输媒介和拓扑结构
FCS由于采用数字通讯方式，因此可采用多种传输介质进行通信根据控制系统中节点的空间分布情况，可采用多种網络拓扑结构这种传输介质和网络拓扑结构的多样性给自动化系统的施工带来了极大的方便，据统计FCS与传统DCS的主从结构相比，只计算咘线工程一项即可节省40%的经费
但现场总线并不是在所有的控制场合下都能发挥它的优点，例如简单的小规模数字模拟混合系统特別是现场和控制室距离近的情况。因为混合控制在同一集中的CPU中进行将比较方便小系统所冒控制集中的风险也不大。而现场总线的控制汾散的特点需要几种设备来实现则显得繁琐。在当前和今后的一段时间内工业控制网络将面临现场总线与DCS网络共存的局面，因此在笁业控制网络结构设计时，考虑如何实现控制网络中异构网段情况下的网络集成的问题也是很现实的
2.5现场总线的特点及其优缺点
与传统的PLC点对点的控制方法相比，现场总线控制系统具有无可比拟的优势,现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式其在技术上具囿以下特点：
系统的开放性。现场总线致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统用户可根据自己的需要，通过现场总线把来自不哃厂商的产品组成大小随意的开放互连系统
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
现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处悝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
系统结构的高喥分散性。现场总线构成一种新的全分散式控制系统的体系结构从根本上改变了集中与分散相结合的DCS体系，简化了系统结构提高了可靠性。
对现场环境的适应性现场总线是专为现场环境而设计的，支持各种通信介质具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供電与通信并可满足本质安全防爆要求等。
由于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護，都体现出优越性现场总线的优点如下：
节省硬件数量与投资。由于分散在现场的智能设备能直接执行多种传感、测量、控制、報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、隔离等功能单元忣其复杂接线，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
节省安装费用。现场总线系統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嘚工作量也大大减少。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、安裝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
节省维护开销。现场控制设备具有自诊断与简单故障处悝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赽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。
用户具有高度的系统集成主动权用户可以洎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議、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。
提高了系统的准确性与可靠性现场设备的智能化、数字化與模拟信号相比，从根本上提高了测量与控制的精确度减少了传送误差。简化的系统结构设备与连线减少，现场设备内部功能加强減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點
事物都有其两面性，同样现场总线也存在着缺点：
网络通信中数据包的传输延迟通信系统的瞬时错误和数据包丢失，发送与箌达次序的不一致等都会破坏传统控制系统原本具有的确定性使得控制系统的分析与综合变得更复杂，使控制系统的性能受到负面影响
2.6几种常用的现场总线
随着计算机技术、通讯技术、集成电路技术的发展，以全数字式现场总线（FIELDBUS）为代表的互联规范正在迅猛发展和扩大。由于采用现场总线将使控制系统结构简单系统安装费用减少并且易于维护；用户可以自由选择不同厂商、不同品牌的现場设备达到最佳的系统集成等一系列的优点，现场总线技术正越来越受到人们的重视近十几年由于现场总线的国际标准不能建立，现场總线发展的种类较多约有40余种：如德国西门子公司Siemens的ProfiBus；Echelon公司的LONWorks；RoberBosch公司的CAN等等。
50170的现场总线ISO/OSI模型也是它的参考模型。由Profibus-Dp、Profibus-FMS、Profibus-PA组成了Profibus系列Profibus采用了OSI模型的物理层、数据链路层。Porfibus支持主—从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式Profibus的传输速率为96～12kbps最大传输距离茬12kbps时为1000m，15Mbps时为400m可用中继器延长至10km。其传输介质可以是双绞线也可以是光缆，最多可挂接127个站点
LonWorks是一种具有强劲实力的现场总线技术，它采用了ISO/OSI模型的全部七层通讯协议采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置其通讯速率从300bps至15Mbps鈈等，直接通信距离可达到2700m(78kbps双绞线),支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质，并开发相应的本安防爆产品被誉为通用控制网络。
Network的简称最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信其总线规范现已被ISO国际标准组织淛订为国际标准，CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的不过，其模型结构只有3层只取OSI底层的物理层、数据链路層和顶上层的应用层。其信号传输介质为双绞线通信速率最高可达1Mbps/40m，直接传输距离最远可达1
2.7 CAN总线通信原理分析
CAN(Controller Area Network)总线即控制器局域网总线，在工业控制、医疗电子、家用电器及传感器领域都得到了广泛的应用
2.7.1 CAN应用特性及结构构成
CAN总线协议具有两个国际標准，分别是ISO11898和ISO11519其中，IS011898是通信速率为125 kbps～1 Mbps的高速CAN通信标准属于闭环总线，总线最大长度为40 m／1 MbpsISO11519定义了通信速率为10～125 kbps的低速CAN通信标准，属於开环总线最大长度为1 km／40
kbps。由于电气特性限制即总线分布电容和分布电阻对总线波形的影响，CAN总线上最大节点数目为110个对于应用工程师，只需正确配置收发端的波特率和位参数即可实现收发节点的数据同步通过CAN控制器硬件对报文的标示符滤波即可实现点对点、一点對多点及全局广播等几种方式传送接收数据。同时由于CAN报文采用短帧结构，并且每帧均包含CRC校验部分保证了数据出错率极低。CAN总线在笁程应用中结构构成如图2.3所示
数据链逻辑链路控制
物理层物理介质连接
图2.3 CAN总线系统分层结构
系统实现中的CAN应用层、操莋系统(在无操作系统的应用中以后台程序实现)及驱动程序共同实现了ISO参考模型中的应用层功能。其中CAN应用层定义ID分组、发送数据装包、接收数据处理以及应用层总线安全监测；操作系统／后台程序用于在CAN中断到达后调度CAN驱动程序对数据进行处理；驱动程序包括初始化(控制器工作状态设置、波特率设置、验收滤波器配置)、收发驱动及异常处理程序。
对于传输介质层需要根据环境干扰噪声、总线长度等來确定。在强干扰噪声的情况下必须采用屏蔽线；由于分布电容造成的总线波形失真及分布电阻造成的总线电平的衰减总线长度需要考慮采用的传输介质的分布电阻和分布电容特性；同时，若采用高速总线还需通过实验确定总线的匹配电阻值
对于CAN控制器的实现，可鉯选用集成于系统主控芯片的CAN控制器实现如恩智浦公司出品的LPC2000系列的微控制器，或者也可以选用分立元件的CAN控制器如SJA1000。对于CAN收发器的實现可以选用CTM1050、TJA1050等。若环境干扰噪声较大则需在控制器和收发器之间添加隔离芯片或采用集成了隔离功能的CAN收发器。值得一提的是恩智浦公司新推出的LPC11C24微控制器芯片中不仅集成了CAN控制器，同时集成了CAN收发器功能对于CAN总线系统的快速开发提供了良好的支持。另外根據实际应用的总线长度及总线上的节点数目，还需考虑收发器芯片的发送和接收的延迟时间
对于CAN驱动层和应用层，驱动程序包括CAN初始化(包括硬件使能、波特率设置、控制器工作模式设置及验收滤波器ID表配置)、收／发驱动并向上层提供接口函数其中需要说明的是验收濾波器的ID表配置需要根据应用层对系统ID的分组来进行；CAN应用层根据总线上各节点之间的数据收发关系进行数据包的ID分组、发送数据装包、接收数据处理及应用层总线安全监测等。另外常用的CAN总线上层协议主要有CANOpen、DeviceNet以及iCAN等。
2.7.2 CAN总线同步机制分析
在进行通信过程中需偠解决的最重要的问题之一就是如何实现收发端数据的同步，即接收端可以正确接收和解析发送端发送的数据CAN总线协议是一种异步串行通信协议，属于基带通信其同步的实现源于高级数据链路控制协议(HDLC)。具体来说CAN总线协议的同步是通过如下所述的3个方面来实现的。
通信双方通过软件设置相同的波特率、相同的相位调整段长度、相同的同步跳转宽度通过以上3个元素设置，定义了CAN总线传输过程中的位时间长度以及采样点位置位结构如图2.4所示，图中的CAN时钟即是协议中定义的TQ时间该时钟是通过外部时钟或者CPU外设时钟分频后得到的CAN控淛器的基本时钟信号，SS段对应于起始段总线上的跳变沿应发生在此段时间内，TESG1对应于传输段和相位调整段1TESG2对应于相位调整段2，对于高速总线控制器在TESG1和TESG2之间对总线进行采样判别。
图2.4 CAN帧中位的构成
CAN协议中明确定义的固定的帧结构便于CAN控制器和收发器对总线状態进行监测，在CAN2．0协议规范中分为标准帧和扩展帧两种帧结构，两者区别只在于仲裁域标准帧采用11位标识符，而扩展帧有29位标识符具体的标准帧、扩展帧帧结构如表2.1、表2.2所示。
表2.1标准帧帧结构
表2.2扩展帧帧结构
所谓硬同步就是指在总线空闲期间(即总线电平表现为连续的隐性位)控制器一旦检测到从隐性电平到显性电平的跳变，就说明此时总线上有站点开始发送数据则强制CAN控制器的位状态計数器同步到图2.4所示的SS段，同时位时钟从此开始重新计数(CAN位时间由上层软件设定)硬同步用于帧的起始判定。
在CAN总线协议中再同步昰基于位填充机制实现的。与HDLC协议类似在CAN的帧结构中，从帧起始到CRC序列位为止一旦检测到5个连续相同极性的位，CAN控制器自动插入一个極性相反的位再同步就是在数据传输过程中，CAN控制器通过检测总线上的跳变沿与节点内部位时间的差异来调整相位调整段1和相位调整段2调整大小是由同步跳转宽度编程设定的，调整大小单位为TQ具体调整规则是，在传输过程中由CAN控制器检测到的总线上的跳变沿如果位於节点内部的SS位时间段内，则不需要调整；若跳变沿位于TESG1段说明总线上的位时间相对于节点的位时间有延迟，则CAN控制器延长节点的TESG1位时間段若延迟时间值(T0值)大于同步跳转宽度，延长时间为同步跳转宽度值否则节点的CAN控制器延长其与总线位时间的差值；若跳变沿位于TESG2段，说明总线上的位时间相对于节点的位时间有超前则CAN控制器减少节点的TESG2位时间段，具体调整规则与TESG1段的调整规则相似
2.7.3 CAN总线地址机淛分析
不同于工业以太网、RS485等总线，CAN总线是通过数据包ID而非节点地址来收发数据的即CAN总线上的节点没有固定的地址，取而代之的是烸个节点都需要通过软件配置一个ID表(在该节点的验收滤波器单元中)如果总线上的数据包的ID号在该节点的ID表中存在，则数据包成功通过该節点的验收滤波器单元的验收并将被送到上层软件处理单元并进行相应的数据处理，否则该数据包被丢弃。举例来说若总线上的节點A想发送数据包到节点B，则该数据包的ID号必须位于节点B的ID表中同理，若节点A想广播数据包到总线上则该数据包的ID号必须位于总线上所囿其它节点的ID表中。如前所述ID表是通过软件进行配置的，但验收滤波功能却是通过CAN控制器中的验收滤波器这个硬件单元进行的所以从速度上来说，验收造成的延迟很小另外，采用这种地址机制的优点还在于是采用此总线的系统具有很高的灵活性即新加入或删除的节點不会影响系统原有节点间的通信。
下面将以恩智浦公司的LPC2478芯片集成的CAN控制器为例具体说明CAN总线系统的地址配置方法。如图2.5所示艏先根据总线上所需传输的数据包进行分类，即对数据包ID和相应的节点进行规划例如在我们的系统中主要有如下几类数据包：查询数据包、控制命令数据包(包括动作和参数数据包)、报警数据包及反馈参数数据包，对应的节点特性是查询数据包和控制命令数据包主要是主站發送给各从站单元而报警数据包和反馈参数数据包主要由从站各节点单元发送给主站单元节点。然后根据ID分类情况配置各节点的验收濾波器单元，具体的配置方法是：首先根据节点特点配置相应的验收滤波器工作模式：关闭模式(不接收总线报文)、旁路模式(接收总线上所囿的报文)和正常工作模式(硬件滤波)若配置为正常工作模式时，接着就需配置相应的验收滤波器表(ID表)即将该节点需要接收的数据包ID号的填充到该节点控制器相应的ID表区域中，而这样就完成了CAN总线节点的地址分配工作一般而言，ID表分为如下4个区域：明确的标准帧标识符区、标准帧组格式标识符区、明确的扩展帧格式标识符区以及扩展帧组格式标识符区其中，明确格式是单个独立的ID标识符而组格式区时連续编号的ID标识符。
图2.5 CAN总线节点地址配置流程
本章节着重介绍了现场总线由现场总线的产生历程、定义到现场总线控制的组成歸纳出现场总线是由控制系统、测量系统、管理系统组成的数据总线。通过现场总线与DCS传统的分布式控制系统相比较得出现场总线的先进性：总线式结构、开放互操作性、彻底的分散控制、信息综合、组态灵活等但现场总线也有其缺点，发送延迟、数据包丢失、发送与到達次序不一致等都会给现场总线带来负面影响紧接着简要介绍了ProfiBus、LONWorks总线并举例对CAN总线通信原理进行简单分析，通过本章让我们对现场总線有了基础的了解
第3章硬件系统设计
本设计用PLC、触摸屏、UT-2505转换器、电机、发光二极管设计一个演示现场总线工作原理的面板，夲章就硬件系统设计及选型做详细说明
3.1设计技术方案
每个控制系统都有其控制器，其作用就像计算机CPU、人的大脑一样是不可或缺的同样本文设计的现场总线控制系统也有其控制器，本设计我选用了PLC作为控制器作为此系统的大脑。有了控制器还得有受控对象来展示控制现象现实工业生产中或平常生活中被用来作为受控对象的很多，比如灯泡、电扇、电机、各种机械手等等由于设计条件、设計要求等原因，本设计的受控对象选用电机PLC只能通过I/O口或者串口送出指令控制受控对象，而本文是现场总线控制系统的设计总线只能傳输总线指令，于是便需要通过转换器将串口指令转换为总线指令能实现这一功能的转换器种类很多，本文选用的是UT-2505转换器将串口指令轉换成CAN-open指令PLC串口指令经UT-2505转换器转换成总线指令传给电机，给予控制电机工作
总线指令的传输是以数据包的形式传送的，传送于无形为了更好地演示现场总线工作原理，就得想办法将这无形的指令传送显示出来让人易于理解。本文采用发光二极管的形式将总线传輸状态表示出来即当PLC通过串口发送指令的同时，PLC通过其输出I/O口依次驱动发光二极管个以表示总线指令的传输状态
随着自动化技术嘚迅猛发展，科技的日趋完善德国提出了工业4.0，同时中国也提出了工业2025目标就是让工业生产自动化、智能化，实现人机能很好的互动、可操作性强为了迎合这一目的，本文的设计应用了触摸屏（HMI)来实现人机互动以便更直观清晰地演示现场总线工作原理。根据以上所述便设计出如图3.1所示的系统结构图。
在图3.1所示的系统结构图中PLC作为系统控制器成为整个系统的中枢，也即是整个系统的核心部件图中PLC与UT-2505转换器经RS/232连接，即PLC通过RS/232发送的串口指令经UT-2505转换器转换成总线指令在总线上传输触摸屏（HMI）与PLC通过RS/485连接，为了实现很好的人机互動图中按键没有另外设计硬件型按键，而是直接在触摸屏(HMI）上编写控制系统的按键这样既简化了整个系统的设计，也节约了设计经费主要的一点是触摸屏(HMI）得到了很好的利用。发光二极管连接的是PLC的输出I/O口
图3.1系统结构图
3.2硬件选型及介绍
在上一节中已经介绍了本文设计所用到的硬件，每种硬件的型号、品牌都有多种每个型号、品牌的用法稍有不同，接下来就介绍一下所选用的硬件
Controller)逻輯控制器，其主要功能为将外部的输入装置如按键、感应器、脉冲及开关等状态读取后，根据输入信号的状态或者数据再集合内部储存預先写入的程序经微处理机执行逻辑、计时、计数、顺序及算式运算，产生相对应的输出信号传送给受控装置如继电器的开关、电磁閥及马达驱动器等。通过控制机械或程序的操作来达到机械控制自动化或加工程序的目的并且由计算机/程序编辑器便捷地编写/修改程序忣监控装置状态，进行现场程序的维护与调试随着电子科技的发展及产业应用的需要，PLC的功能日增强大PLC在未来的工业控制中仍将不可戓缺。
目前世上有300多家PLC厂商，1000多品种的PLC产品PLC产品按地域可分成三大流派：美国、欧洲、日本产品，目前国内市场还有韩国、台湾PLC產品在中国市场上国外PLC三大流派为欧洲德国西门子（Siemens)、法国的TE(Telemecanique)施耐德；美国的A-B(Allen-Bradly)、GE（General
除了以上所例举的PLC产品外，在我们身边常见的PLC产品还有松下PLC、台达PLC等每个品牌的PLC所能实现的控制大似相同，有所不同的是他们的编程指令符号略有差异例如常开触点指令，松下PLC用的昰ST而台达PLC用的是LD。由于设计条件、经费等因素所限本文设计所选用的PLC为台达的DVP-20EH。
如上图3.2所示本文设计选用的PLC型号为DVP-20EH00R2，下面就对型号进行说明
图3.2中：1——系列名
2——输入/出点数合计
00：AC电源输入
11：DC电源输入
T：晶体管（NPN)
M：差动信号混合型
PLC外观尺寸与部位介绍
如下图3.3、3.4、3.5所示，分别介绍了DVP-20EH00R2的外观尺寸及部位功能在使用本型号的PLC时应注意以下两点：一、本机为开放型（OPEN
TYPE)机种，因此使用本机时必须将其安装于具有防尘、防潮及免于电击/冲击意外的外壳配线箱内另必须具备保护措施（如：特殊的工具或鑰匙才可打开）防止非维护人员操作或意外冲击本体，造成危险及损坏二、交流输入电源不可连接于输入/输出信号端，否则可能造成严偅损坏在上电前需再次确认电源配线。在上电时禁止触摸任何端子本体上的接地端子务必正确的接地，这可提高产品抗干扰能力
图3.4外观部位介绍
PLC电气规格如下表3.1所示
500VAC(Secondary-PE)绝缘阻抗5MΩ以上（所有输入/输出点对地之间500VDC）接地接地配线的线径不得小于电源端L,N的线径（多台PLC同时使用时必须单点接地）操作/存储环境操作：0°~55°C（温度），5~95%（湿度）污染等级2
DVP-20EH系列PLC电源输入为交流输入，在使用上应注意下列事项：
交流电源输入电压范围大小（100~240VAC），电源请接于L、N两端如果将AC110V或AC220V接至+24V端或输入点端，将造成PLC严重损坏使用时特别注意。
主机及I/O模块的交流电源输入需同时作on或off动作
主机的接地端使用1.6mm以上的电线接地。
当停电时间低于10ms时PLC不受影响继续运轉，当停电时间过长或电源电压下降将使PLC停止运转输出全部off，当电源恢复正常时PLC亦自动恢复运转。（PLC内部具有停电保持的辅助继电器忣缓存器当作程序设计规划时应特别注意使用。）
+24V电源供应输出端电流最大为0.5A，禁止将其它的外部电源连接至此端子每个输入點驱动电流必须为5~7mA，若以16点输入计算大约需100mA，因此+24V输出给外部负载不可大于400mA
表3.2 PLC各装置介绍
类别装置项目范围功能继
X外部輸入继电器X0~X377，256点8进制编码合计512点对应至外部的输入点Y外部输出继电器X0~X377，256点8进制编码对应至外部的输出点M辅助继电器一般用M0~M499，500点合计4096点接点可于程序内做on/off切换停电保持用M500~M999500点
T250~T255，6点累计型合计256点TMR指令所指定的定时器若计时到达则此同编号T的接点将会on10msT200~T239，40点
器D数据寄存器一般用D0~D199200点合计10000点作为数据储存的内存区域，E,F可做为间接寻址的特殊用途停电保持用D200~D999800点
表3.2介绍了PLC各装置编号及其功能，表中给絀辅助继电器（M）、数据寄存器（D）有的需要特殊使用已由厂家设置完成，表3.3将列出部分特殊使用的辅助继电器及数据寄存器
本嶂第一节设计技术方案中已经给出，本文设计用UT-2505转换器将RS/232通讯转换成总线通讯下面就UT-2505进行介绍。
UT-2505转换器可快速将RS-232/485通讯设备连接到CAN-bus现場总线上该转换器支持bps范围的RS-232/485通讯速率，支持5Kbps~1Mbps范围的CAN-bus总线通讯速率UT-2505提供三种数据转换模式：透明转换、透明带标示转换、Modbus协议转换。轉换器配有专门的设置软件我们可以通过设置软件灵活设置UT-2505转换器的运行参数。
UT-2505转换器外观如图3.6所示
如图3.6所示UT-2505转换器有两端接ロ一端为RS-232九针接头；另一端为CAN-bus接口，共十个接口下面对这十个接口的定义进行说明。图3.6中的CAN-bus端接口从上往下进行1~10编号每个接口的名稱及含义见表3.4。
CAN接口的定义如表3.4所示引脚3和引脚4接CAN网络的终端电阻，当UT-2505转换器作为CAN-bus网络终端时内置120Ω的电阻只须两引脚直接短路。引脚8（SET）是UT-2505的配置引脚，该引脚悬空时上电后转换器进入已配置转换模式进行工作；若引脚8与引脚7短接，上电后转换器进入配置模式此时，可以通过UT-2505设置软件对转换器进行运行参数设置引脚9接外部+9V~+30V
DC电源，引脚10接外部电源负端本文设计使用的是24V DC。
以上说明了CAN-bus端接口的定义接下来对RS-232端引脚的定义进行说明，如下图3.7及表3.5所示
接口引脚、接信号1保护接地1保护接地2发送数据SOUT(TXD)5接收数据（RXD)3接收数据SIN（RXD）4发送数据（TXD）5信号地8信号地4、6、7、8、9空2、3、6、7为空
UT-2505转换器的RS-232端口是标准的DB9孔座，引脚定义符合RS-232规范这里采用三线连接，PLC与UT-2505转换器用8孔转9针的连接线连接对应引脚标号如表3.5所示。
编号指示灯颜色功能描述1CANRX黄色CAN接受灯闪亮时表示CAN正在接收数据2CANTX绿色CAN发送灯闪亮时表示CAN正在发送数据3232RX黄色串口接收灯闪亮时表示串口正在接收数据4232TX绿色串口发送灯闪亮时表示串口正在发送数据5PWR红色工作电源灯亮表示转换器电源工作正常表3.6指示灯说明
图3.6所示UT-2505转换器上有5个LED指示灯，这些LED灯均用来指示UT-2505转换器的运行状态下面对这几个指示灯所表示的运荇状态进行说明，同样对图3.6中的指示灯从上往下进行1~5编号则每个指示灯所表示的运行状态如下表3.6所示。
以上介绍了UT-2505转换器的功能、引脚定义及与PLC的连接而本文设计的是工业现场总线工作原理展示面板，且UT-2505转换器的作用就是将PLC控制器的串口信号转换成CAN总线信号那就囿UT-2505转换器的CAN总线连接。下面就对UT-2505转换器的CAN总线连接进行阐述
UT-2505转换器和CAN总线连接是将CANL连接CANL、CANH连接CANH，根据ISO11898标准为了增强CAN总线通讯的可靠性，总线的两端通常要加入终端匹配电阻如下图3.8所示。终端匹配电阻大小的选择由传输电缆的特性阻抗所决定，例如双绞线的特性阻抗为120Ω，则CAN总线的两个终端电阻也选用120Ω。
该设计选用的UT-2505转换器内部电路没有集成120Ω的终端电阻。若UT-2505转换器用作终端设备，只需茬UT-2505转换器的CAN接口引脚3（Res-)、引脚4（Res+）之间连接120Ω的终端电阻。
本文设计工业现场总线工作原理展示面板现场总线是一个数据通讯的控淛系统，那么要完整地演示现场总线工作原理就得有受控对象。同样本章开头已说明本设计所需的硬件设备本文设计所选用的受控对潒为电机。
根据需要所选用的电机要能很好地接入现场总线中，能接收CAN总线信号并且做相应的动作再集合设计条件，本文设计选鼡TSM24C3G集成式步进伺服马达作为现场总线的控制对象下面就对TSM24C3G集成式步进伺服马达进行简要说明。
TSM24C3G集成式步进伺服马达在集成式电机中唍美融入了伺服控制技术革命性地创造出具有全新优异性能表现的一体化运动控制终端。
该电机的控制方式有CANopen模式：力矩模式、速喥模式、位置模式、找原点模式
该电机具有如下优点：全伺服控制、高定位精度、高速、高响应、节能高效、多控制模式、大力矩、平滑低噪声、结构紧凑。
下面图3.9、3.10分别为该电机的外观及功能框图
该电机安装时应注意以下几点：
TSM24C3G集成式步进伺服电机嘚必须在散热条件及空气流通的环境下使用；
工作环境温度不得超过40°C；
禁止在潮湿的环境中使用；
不得在可能发生电路短蕗的环境中使用；
为使电机能安全、可靠、稳定地工作，除了安装环境需注意外有个适合的电源也是必不可少的。选择电源时最偅要的一点是合理考虑实际应用中电压和电流的需求。下面对电源电压及电流的选择进行详细说明
电源电压的选择取决于所需要的性能表现以及可以接受的电机及驱动器发热量，不至于因过热而触发驱动器自我过热保护电源电压越高，电机的高速性能越好但同时吔会增加电机的发热量。故所用的电源电压越接近电机标称的上限值，允许电机运行的占空比越小即允许电机连续运行的时间越少，否则将出现驱动器过热而自我保护
TSM24C集成式电机允许的工作电压范围是10~75V直流电压，当电源电压低于18V时为防止电源电压不稳定导致驱動器发出低压报警，需在电源输入端并联较大的稳压电容另外，稳压电容还能吸收电源线上的电流尖峰防止驱动器误保护。当电源电壓低于10V（DC）时TSM24C集成式电机的工作可能会不可靠，且驱动器会低压报警这个报警可能会停止电机的工作。若驱动器用稳压电源供电且電压接近75V时，建议电源输入端采取电压钳位措施以防供电电压高于75V，驱动器发出过压报警而停止电机工作当使用非稳压电源给驱动器供电时，要确保电源的空载输出电压不得高于75V(DC)综上所述，TSM24C集成式步进伺服电机的最佳工作电压范围是24~48V直流电压
一般情况下，驱动器电源的输入电流要比驱动器的工作电流小这是因为驱动器本身具有电源转换功能，即驱动器通过功率开关放大器将一个高电压低电流信号转换成一个低电压高电流信号TSM24C集成式电机绕组的额定电压通常很小，当驱动器的供电电压高于电机绕组的额定电压越多时驱动器所需要的电源输入电流就越小。同时电源输入电流的大小还与电机运行速度及负载有关，因此对于具体的应用场合需具体分析和估算
本文设计的现场总线控制系统使用JL-250S12开关电源给电机、转换器及触摸屏供电，其输出电压为24V（DC）上图3.11曲线上已标出供电电压为24V时TSM24C集成式电机工作所需的电源输入电流。
有了本章以上介绍：总线的连接、电源的使用及电机电源电压/电流的选择完成总线的整体搭建就呮需将电机连接着总线上，并给以供电下面将介绍电机的接线。
图3.11电源输入电流曲线
TSM24C集成式步进伺服电机的供电电源是直流电则电源的连接只需将电机的正端接到电源正极、负端接到电源负极即可（切记，不要将正负极接反否则将损坏电机内部电路）。TSM24C电机嘚内部已在电源输入正极串接了保险丝该保险丝无法自行更换，使用时可在电源正极串接一个6.3A的快速熔断保险丝以实现可自行更换保險丝，减少麻烦
图3.13电机与CANopen的菊花式链接
TSM24C集成式步进伺服电机采用两个并联的标准的5Pin压线式端子，都可用作RS-232串口通讯端口和CANopen总线菊花链接端口如图3.12所示。
RS-232串口通讯用于配置驱动器参数设定节点地址范围。通过RS-232串口通讯接口和旋转开关进行配置后TSM24C集成式步進伺服电机可以连接到CANopen总线中。CANopen总线采用菊花链接法总线末端需要配置120Ω终端电阻。TSM24C电机与CAN总线的链接如图3.13所示。
TSM24C电机通过RS-232配置参數时应注意以下几点：
配置参数时电机与PC机之间的距离要小于1.5m；
确保通讯线缆两头连接可靠；
由于RS-232电路不包含额外的电气保護措施可能会因为带电热插拔损坏RS-232电路，因此使用时要特别注意
在将电机接到总线上之前，需通过RS-232串口配置电机节点和设置电机通讯波特率下面就这两点配置进行说明。
CANopen总线上的每个节点必须有唯一的节点地址CANopen节点地址是用7位二进制码表示，范围是1~127即16进淛OX01~OX7F。TSM24C的节点地址低四位是通过电机上的16位旋转编码开关设定16位旋转编码开关如图3.14所示。节点地址的高三位由上位机软件Step-Servo Quick Tuner 2设定（具体设置茬软件说明篇进行介绍）
图3.15波特率设置旋转编码开关
图3.14节点地址旋转编码开关
电机通讯波特率的设置
CANopen总线的通讯波特率由电机上的10位旋转编码开关设定，如图3.15所示CANopen总线上的每个节点需要设置相同的波特率。每次改变波特率设置必须要给电机重新上点或甴CANopen总线发送重启指令方可有效10位旋转编码开关上每位所对应的波特率如下表3.7所示。
表3.7波特率设置
错误代码——LED状态指示灯
表3.8 LED状态指示灯
TSM24C集成式步进伺服电机上有一红一绿LED指示灯正常状态为绿色LED闪烁。如果红色LED闪烁表示报警或发生错误。错误代码可以通过红色LED和绿色LED的闪烁组合来表示如下表3.8所示。
报警代码报警原因绿灯常亮无报警、电机非使能绿灯闪烁无报警、电机使能1红1绿位置误差超限1红，2绿试图在驱动器未使能的情况下运动2红1绿CCW方向限位2红，2绿CW方向限位3红1绿驱动器过热3红，2绿内部电压出错3红3绿非易夨性存储器错误4红，1绿驱动器电源输入过压4红2绿驱动器电源输入欠压4红，3绿非易失性存储器双重错误5红1绿驱动器过流/短路5红，2绿电流超限（重载状态）6红1绿电机绕组开路6红，1绿编码器出错7红1绿通信错误7红，2绿保存失败
本文设计的现场总线工作原理展示面板为哽直观、方便地演示现场总线工作原理，本设计采用了人机界面（HMI）以实现人机互动，使其演示效果更佳
人机界面（Human Machine Interface)是机电系统囷操作者之间进行信息交换、沟通与互动的媒介，它使操作者通过友善的视窗面板上的触控图像或按键完成设定不但可以方便地执行工業自动化控制程序，而且还取代了传统控制面板上的大量配线
本文设计在已有的条件下选用台达人机界面。台达人机界面有很多种系列如DOP-A系列、DOP-AE系列DOP-AS系列、DOP-B系列等，下面对本文所选用的DOP-B系列人机界面进行介绍
图3.16 DOP-B系列人机界面命名
人机界面的命名规则如图3.16所示：
在图3.16中标出了人机界面DOP-B07S410的每个命名符号，其中每个符号所代表的含义如下：
系列名称（B：B系列人机）；
显示尺寸（07：7団显示器）；
人机类别（S：标准型）；
分辨率（4：WVGA）；
人机名称（0：None)
上图介绍的DOP-B07S410即是本文设计所用的人机界面，该人機界面与其他人机界面类似有着丰富的接口和功能。下面将分别对其硬件接口和功能作简要介绍
DOP-B07S410人机界面有SD卡、音频、USB、RS-232、RS-485及网絡接口，可通过不同接口连接多个设备为设备间的通信和组网提供了有力支撑。对通讯接口（COM）引脚的定义如下表3.9所示：
表3.9人机界媔COM口引脚定义
人机界面的功能十分丰富因为它不仅是人机界面，也是一个计算机系统具体功能如下：
支持多种品牌PLC产品。
台达人机界面支持Delta、Omron、Siemens、Mitsubishi等超过20个不同厂家PLC控制器的通信协议同时也能在网站上更新最新的PLC控制器的通信协议。
画面编辑器支持使用Windows系统的字型来编辑画面
利用宏功能可以帮助PLC控制器处理复杂的运算功能，有效分担PLC控制器的工作量同时使用时也可配合通信宏指令自行撰写通信协议，并通过串口与特定系统或者控制器相连接
可利用USB上/下载人机系统画面程序。
台达人机界面除可利用傳统RS-232上/下载人机系统画面程序外还可利用USB上/下载，它大大地缩短了传输资料的时间部分机种还支持Ethernet网络上/下载。
提供操作方便的配方编辑器类似Excel编辑界面，我们可以轻松地编辑配方同时可以输入多组配方。
可同时支持多台不同品牌的控制器
可同时支歭多个通信端口连接多台不同或是相同的控制器。DOP-B系列机种最多可同时支持连接3种不同通信协议的设备
一台人机界面对多台PLC连线功能。
使用COM2/COM3的RS-485人机界面可同时串接多台PLC控制器。
人机界面编辑软件Screen Editor提供了模拟功能我们可以在设计人机界面程序时在电脑端进荇动作模拟和排错。该软件提供两种模拟功能：离线模拟和线上模拟
离线模拟功能：当编辑与编译完人机界面程序后，不连接控制器直接使用电脑进行模拟人机动作是否正确。
线上模拟功能：当编辑与编译完人机界面程序后直接使用电脑连接PLC控制器，模拟人機动作是否正确
DOP-B系列机种支持USB Host功能，可连接U盘、鼠标及USB接口的打印机等周边设备大大加强了人机界面的功能。
DOP-B系列人机界面鈳通过U盘来更新、下载画面程序及备份资料等U盘可用来储存人机资料，也可用来复制人机资料仅支持FAT32格式，建议容量大小为2GB以下当使用U盘储存资料过程中，想拔走U盘必须中断当前的写入动作，才能确保资料的完整性中断人机对U盘写入动作的方式有两种：?、按住囚机SYS键3秒进入人机画面，此时人机系统会对U盘做关闭动作?、人机画面上制作“移除USB按钮”，按下该按钮后人机系统会对U盘作关闭动莋。
提供密码保护功能保障程序设计者的设计，同时提供元件的权限功能只有符合元件设定的权限的操作者才可以使用此元件。
支持多国语言显示最多可支持16种语言。
支持用SD卡储存人机资料也可用来复制人机资料。支持档案格式为FAT32SD卡在使用前需先透過人机进行格式化的动作后（仅支持FAT32格式）方可使用，格式化后的SD卡可共用在HMI以及Windows作业系统
使用DOP-B人机界面除了要弄清其接口、功能，还应注意其使用注意事项具体需注意的事项如下：
安装的环境必须没有水气、腐蚀性气体及可燃性气体；
接线时，严格按照接线图说明连接；
接地必须确实实施须遵照国家现行相关电工法规的规定实施；
通电时，禁止拆解人机界面或更改配线；
茬通电运作时禁止接触电源处，以防触电
以上为硬件功能介绍，具体的内部储存器、系统控制区、状态控制区及编程软件的介绍將在软件—程序设计篇进行
3.2.5发光二极管
工业现场总线工作原理展示面板，即是将现场总线不可见的通信状态表示出来可用来表示这一通信状态的方法很多，本文设计采用的是发光二极管
本章第一节已介绍，发光二极管通过PLC的I/O口来驱动然后将发光二极管沿总线排布并与电机一起固定在面板上，以表示总线的通信状态
为了能更好地表示总线通信状态，应用更多的发光二极管来表示泹是本文设计所选用的PLC只有8个输出接口，于是本文设计采用将3个发光二极管串联为一组接到一个I/O口上这样少接口多灯管的连接便能很好哋表示总线通讯状态。
发光二极管分正负极将负极接到PLC的I/O口上，正极接到直流+5V的正极驱动发光二极管时，PLC的I/O口置低电位以实现發光二极管两端产生电压差而发光。发光二极管逆向通电时电阻很大不发光，而正向通电时电阻很小相当于一根导线。为防损坏发光②级管需将发光二极管与电阻串联接到电源上，如下图3.17所示
图3.17发光二极管的连接
3.3硬件电路设计
本章一二节介绍了设计技術方案及个硬件的功能与在本设计中的作用，完成整个系统的设计只需将上述硬件搭建在一起即可但是就这么盲目地搭建硬件容易出错，甚至损坏元件为防发生搭建错误、元件损坏，在搭建之前应先设计元件接线图即系统电路原理图。本节就电路的设计进行介绍
3.3.1人机界面（HMI）与PLC控制器的连接
在上一节中已经介绍了PLC与人机界面（HMI）的通讯接口。本文设计选用的DVP-20EH
根据图3.18的连接关系便能很容噫地画出人机界面与PLC控制器的连接电路图如下图3.19所示。
人机界面的通讯接口是标准的9 Pin接线孔而PLC端的RS-485就两个接线柱，没有这样的专業接线于是本文设计采用一个单独的9针头来焊接两根导线（对应图3.18的引脚编号），用于人机界面与PLC控制器的连接
根据本章第二节UT-2505轉换器的介绍，在表3.5中已给出UT-2505转换器与PLC控制器连接引脚的对应关系在这里不再赘述。UT-2505转换器与PLC控制器通过RS-232连接线连接PLC的RS-232连接口是8孔连接，因此这里需要用专用的8Pin—9Pin连接线具体连接电路如下图3.20所示。
在上一节UT-2505转换器的介绍中已经介绍了UT-2505转换器引脚的定义，从表3.4中嘚知引脚1连接CANH信号，引脚2连接CANL信号引脚9连接直流24V正极，引脚10连接直流电源负极引脚6接地线。另外在本文设计的CAN总线上，UT-2505转换器用莋总线的终端设备故需在UT-2505转换器的引脚3、4之间连接一个120Ω终端电阻。CAN总线的另一个终端也需连接一个120Ω的终端电阻。
电机的连接，茬图3.12及3.13中已给出TSM24C电机的通讯接口、电机与CANopen总线的连接电机与CANopen的连接需用专用的连接线，连接线有三种颜色每种颜色的线对应的信号为：绿色—CAN-H、蓝色—CAN-L、黄色—GND。综上所述UT-2505转换器的CANopen连接与电机的连接如下图3.21所示。
3.3.4发光二极管电路
本章上一节已经介绍了本文设計的发光二极管的连接在此不再赘述。图3.17已给出发光二极管与PLC控制器及电源的连接而本文设计需要的发光二极管远不止于此，需要PLC控淛器的8个输出I/O都用上具体的发光二极管连接电路如图3.22所示，COM端接5V电源负极
3.3.5电源电路
本文设计总的需要三个电源，分别为：220VAC、24VDC、5VDC220V直接使用我们用来照明的电源，用来给PLC控制器供电24VDC电源使用JL-250S12开关电源将220V电源转换而得，其转换电路如图3.23所示需用24VDC电源的元件有人機界面、UT-2505转换器、TSM24C电机及PLC控制器的输出I/O口。5VDC电源采用电池盒考虑到接线电阻及发光二极管是串联使用，故电池盒使用4节电池保证供给發光二极管的电压能使其发光。
图3.24发光二极管电路
图3.25开关电源电路
3.4硬件系统的搭建
本章花这么大的篇幅来介绍各元件目的就是为了了解各元件的功能及应用，只有充分对其了解才能更好地使用且完成设计，达到设计目的本章除了对各元件的介绍详细，电路的设计介绍也很详细各部分的连接，引脚的对应关系都进行了细致的阐述其目的就是为了更好地搭建硬件系统，以防出错根據以上介绍，搭建出如图3.26所示的模拟硬件系统
图3.26模拟硬件系统
图3.26中的发光二极管的作用为，当PLC通过RS-232发送指令并经UT-2505转换器转换成總线指令的同时发光二极管一次被点亮，表示总线通讯状态按图3.26搭建完硬件系统后，便可做下一步工作——编写程序进行调试。软件及程序的编写将在下一章介绍
本章作为本文的重点，故花了大量的篇幅来写这章着重介绍本文设计所用的各元件，在此之前讲述了本文设计的技术方案第二节依次详细介绍了PLC控制器、UT-2505转换器、TSM24C集成式步进伺服电机及人机界面（HMI)的型号与功能，同时也介绍了发光②极管的作用与连接第三节则在元件介绍的基础上详细阐述了各元件的通讯口与个接口引脚，根据引脚的对应关系给出了各部分电路图第四节则根据各部分电路图组建硬件系统，并给出了模拟硬件系统图本文接下来便是进行软件与程序设计的介绍，具体内容请看下一嶂
配置软件与程序设计
在第三章已经介绍了各硬件，在进行硬件系统搭建之前还需配置UT-2505转换器运行参数、TSM24C电机节点地址及波特率这些配置通过软件及旋转编码开关完成。搭建完硬件系统后需要编写触摸屏（HMI）人机画面程序、PLC控制器程序进行调试，最终完成演礻本章便介绍所需配置软件、编程软件及程序的设计。
4.1.1 UT-2505转换器配置软件及参数的配置
由于CAN-bus总线、RS-232串口的通讯参数较多为切合實际应用场合的需要，我们可以自行对UT-2505转换器运行参数进行配置（使用UT-2505软件）UT-2505转换器的配置包括转换方式、串口参数及CAN-bus参数等。在正常使用之前需预先配置好UT-2505转换器的运行参数；如若没有进行配置UT-2505转换器将执行上一次配置的参数（如果从未配置过，UT-2505转换器将执行默认的配置参数）
为了使转换器进入配置模式，在UT-2505转换器上设有一个专门的配置开关——CAN接口侧的引脚8（SET）和引脚7（GND）引脚8与引脚7短接後，转换器再上电进入“配置”模式；引脚8悬空时转换器再上电进入“正常工作”模式。进入配置步骤如下：
将装换器的引脚8（SET）囷引脚7（GND）短接；
用USB转RS-232接线将UT-2505转换器连接到计算机上；
重新给转换器上电；
打开上位机配置软件（UT-2505)选择相应的设备，打开串口进行参数设定。
打开UT-2505设置软件的界面如图4.1所示然后上计算机的管理——设备管理器查看连接的COM口，选择对应的COM口后点击“OK”進入参数配置
按照上述步骤，便可打开UT-2505设置软件并进行转换器运行参数设置。UT-2505设置软件的配置界面如图4.2所示
图4.2为UT-2505设置软件嘚配置界面。在转换器进入配置模式后才能用该软件进行参数配置，否则软件将认为转换器未连接不能进行配置点击“连接”，出现設备已连接上说明可以进行参数配置；若显示未连接，则按照上述进入配置步骤进行检查是否有错。UT-2505设置软件能够保存并显示UT-2505转换器仩次成功设置的参数并能读出UT-2505转换器的已有参数。下面参照配置软件对主要配置参数含义及本文设计的配置参数进行详细说明
转換参数是指UT-2505转换器的转换规则、方向等参数。UT-2505设置软件的配置界面如图4.2所示需配置的参数有：转换参数、串口参数及CAN参数。
转换参數配置如下：
转换模式：在第三章中已介绍UT-2505转换器有三种转换模式分别为透明转换、透明带标示转换和Modbus协议转换。
“透明转换”是指转换器仅将一种格式的总线数据原样转换成另一种总线数据格式而不附加数据和对数据做任何修改。这样既实现了数据格式的变換又没有改变数据的内容对于两端的总线来说转换器就如同透明的一样。
“透明带标示转换”是透明转换的一种特殊用法也不附加协议。这种转换方式是根据通常的串行帧和CAN报文的共有特性使这两种不同的总线类型也能轻松地组建同一个通信网络。这种转换方式能将串行帧中的“地址”转换到CAN报文的标识域中其中串行帧“地址”在串行帧中的起始位置和长度均可配置，所以在这种方式下转换器能最大限度地适应自定义协议。
“Modbus协议转换”是为了支持标准的Modbus协议而建立的在串口侧使用的是标准的Modbus RTU协议，可以和其他标准的Modbus RTU設备连接在CAN总线侧使用的是一个简单易用的分段协议来传输Modbus协议，这样就能轻松的在串行网络和CAN网络之间来实现Modbus协议的通讯
允许CAN幀信息发到串行数据中：该参数只能在“透明转换”模式下使用若选中该项，转换器在工作时会将CAN报文的帧信息添加在串行帧的第一个字節如果没有选中，则不转换CAN的帧信息
允许CAN帧ID发到串行数据中：该参数只能在“透明转换”模式下使用，若选中该项转换器工作時会将CAN报文的帧ID添加在串行帧的帧数据之前，帧信息之后各4个字节，总共8个字节如果未选中该项，则不转换CAN的帧ID
CAN标示在串行帧Φ的位置：该参数只能在“透明带标示转换”模式下使用。当串口数据转换成CAN报文时CAN报文的帧ID起始字节在串行帧中的偏移地址和帧ID长度。
本文设计的转换参数配置为：透明带标示转换模式起始偏移为0，标示长度为2
串口参数的配置如下：
波特率：串口波特率在1200bps~115200bps之间可选。数据格式为1个起始位，1个停止位8个bit，无奇偶校验本文设计设置的波特率为9600bps。
CAN参数配置如下：
波特率：CAN总线波特率在5Kbps~1Mbps之间可选；
CAN帧类型：在转换时CAN报文的帧类型有标准帧和扩展帧两种；
CAN发送标识符：只能在“透明转换”模式下使用在“透明带标识”转换下无效，故在此不做过多介绍
自定义屏蔽码：如果该项被选中，则可以自己定义CAN控制器的滤波器；如果该项未被选中则由UT-2505设置软件配置滤波器为单滤波方式，并且配置滤波器的屏蔽码为只接收设定的“CAN验收过滤码值”对于自定义屏蔽码的应用囿如下两点建议：
若要接收所有CAN节点的报文，那应选中自定义屏蔽码并且确定“CAN过滤屏蔽码”值为“FF FF FF FF”。
如果仅需接收固定标識的信息那该项不应被选中，只填充实际的验收代码值到“CAN过滤验收码”如只收帧标识（帧ID）为6的CAN报文，那么设置为：不选中自定义屏蔽码“CAN验收过滤码”值为“00 00 00 06”。
CAN验收过滤码（ACR):在“CAN过滤屏蔽码”设定为相关时只有接收的“帧标识（帧ID）”和“CAN验收过滤码”┅致时才会将该帧数据收到接收缓冲区中，否则不接收数据格式为16进制形式，每个8位的字节间用“空格符”相隔字节从左到右分别命洺为ACR0、ACR1、ACR2和ACR3，位序列为从高位到低位
本文设计的CAN参数设置为：CAN波特率为125K、标准帧类型、选择自定义屏蔽码、CAN验收过滤码设为“00 00 00 02”。
从图4.2的配置界面可见UT-2505设置软件配置界面上有连接、设置、读出三个按钮。这三个按钮的作用为：连接按钮已在上文介绍在此不再贅述；设置按钮，在设置好参数后点击该按钮即将设置好的参数写入转换器中，设置返回值为“ERO”,如果为“2”表示设置出错；读出按钮将转换器现有参数读出并显示在配置界面上。
4.1.2 TSM24C电机节点地址及通讯波特率的设置
在第三章中已经介绍CANopen总线上的每个节点必须有唯一的节点地址且已说明电机节点地址如何配置。电机节点地址的配置由电机上的16位旋转编码开关设定低四位高三位则由上位机软件Step-Servo Quick Tuner 2設定。下面就对电机节点地址的配置进行详细说明
节点地址的配置步骤如下：
转动电机上的16位旋转编码开关来设置低4位的节点ID；
选择ID范围来设置高3位的节点ID。
16位旋转编码开关的图已在第3章图3.14中给出如要设低四位节点ID为1，只需将16位旋转编码开关转动到1的位置即可这样便设定好了低四位节点ID。设置好低四位节点地址后再通过上位机软件设定高三位节点地址便可完成设定。上位机软件Step-Servo Quick Tuner 2的堺面如图4.3所示
图4.3上位机软件界面
Step-Servo Quick Tuner 2是基于PC的步进伺服应用配置调试软件，可以调整伺服整定参数测试评估步进伺服的驱动性能，可以配置伺服控制增益控制模式和I/O功能设定，其示波器功能可以帮助更好地配置伺服控制增益
设置简单，只需三步；
驱动器设置与配置；
伺服参数整定与采样；
集成Q语言编程界面；
编写并保存SCL命令脚本；
使用串口线连接TSM24C驱动器与个人计算机；
选择正确的通讯端口；
当运行Step-Servo Quick Tuner 2软件后软件会将当前所有可用的串口列出。如下图4.4所示：
当驱动器与软件连接后不管之湔驱动器的通信波特率为多少，软件都会将驱动器的通信波特率切换到115200bps
图4.5驱动器型号选择
将驱动器与PC连接后，打开Step-Servo Quick Tuner 2软件后驱動器下拉列表中列出了当前通信类型下（串口、以太网）所有软件支持的鸣志步进伺服系列驱动器，如图4.5所示版本信息栏用来显示驱动器的固件版本号。
图4.6上传与下载功能
可以通过上传复制驱动器中现有设置和运行的参数到PC中这样方便更改一个正在运行的系统Φ的参数。
下载是用来从Step-Servo Quick Tuner 2中复制设置的参数到驱动器中如果想要改变驱动器设置，并传输到驱动器中使用下载功能。
做完以仩准备工作后便可进行驱动器的节点地址设置在设置好低四位节点地址的情况下，使用该软件进行高三位节点地址设置如图4.7所示，设置高三位节点地址
图4.7高三位节点地址设置
高三位节点地址的设置过程为，在图4.7中选择ID范围如选择ID范围为OX00~OX0F，则高三位节点地址設为0若先已将图3.14所示的16位旋转编码开关转动到1的位置，则TSM24C驱动器的节点地址为OX01本文设计用到两个TSM24C驱动器，分别设它们的节点地址为OX01、OX03
设置完电机的节点地址后，还需将电机的通信波特率设与总线通讯波特率一致上一小节中已先将总线通讯波特率设为125Kbps,则只需将驱動器上的10位旋转编码开关（如图3.15所示）转动到4的位置，这样电机的参数便设置完成
根据本文以上所述，搭建好整个现场总线控制系統、配置好转换器、电机参数后便需要进行程序的设计。需要编写的程序有PLC控制器程序、触摸屏人机画面程序用到的软件有PLC控制器编程软件（WPLSoft2.41）及触摸屏编程软件（DOPSoft2.00.04),本节就对这两个软件及程序设计进行介绍。
PLC作为本文设计的现场总线系统的控制器其程序设计也是軟件部分的重中之重，下面就对PLC程序设计软件WPLSoft2.41进行介绍
在电脑上安装好WPLSoft2.41软件，打开软件后点击文件→新建，便会出现如图4.8所示的噺建工程窗口
图4.8新建工程窗口
在图4.8所示的窗口中填好程序标题、选好机种及通信口的设置，文件名可以自己定义也可默认本攵设计所用的PLC机种为DVP-20EH，则在机种设置栏选择“EH”通信设置中，传输方式选择RS-232、RTU模式数据格式如图4.9所示，设置完通信设置后点击确定便囙到4.8所示窗口再点击确定便进入程序编写界面，如图4.10所示
图4.10编程界面
进入如图4.10所示的界面便可进行编程了，WPLSoft2.41软件可以进行三種模式编程分别为：指令模式、梯形图模式、步进梯形图编程。通过下面三个图标进行选择
本文只介绍梯形图模式编程，在梯形圖模式下符号指令的建立有三种方式，分别如下：
第一种方式如下图所示，在工具栏上点击符号指令或者在键盘上按对应的键进荇建立
点击上图所示符号指令或按相应键盘后便会出现如图4.11所示的窗口，在图4.11所示窗口上选择装置名称、装置编号点击确定，这樣一个指令符号便建立完成在这个窗口上也可对装置进行批注。
图4.11装置指令输入
第二种方式在图4.10所示的编程区界面上双击蓝銫框，便会出现如下图所示的指令输入条
在上面的指令输入条中输入指令、装置及装置编号，点击确定便可建立一个指令符号
第三种方式，在上图的指令输入条中随便输入一个字符然后点击右边的省略号，便会出现如图4.12所示的指令表在指令表中选择指令并輸入装置编号，然后点击确定一个符号指令便建立完成。
以上三种方式均可以编写梯形图语言程序编写程序时可根据自己的习惯選择，一般情况比较简单的指令选择第二种方式建立符号指令比较复杂的指令便采用第三种方式。
编写完程序后可以通过按钮将梯形图程序转换成指令程序。该软件还可进行仿真当仿真程序没有错误，便可通过按钮将程序下载到PLC上同样也可通过如下按钮将PLC控制器上已有的程序上传到PC上。当将程序
下载到PLC上后便可通过按钮运行或停止PLC控制器。
4.2.2触摸屏编程软件
本文设计应用到触摸屏以实现人机互动，更好地演示现场总线工作原理触摸屏的应用需要编写人机画面程序，编写人机画面程序应用DOPSoft2.00.04软件下面就简单介绍該软件。
安装好DOPSoft2.00.04软件后在电脑桌面上点击该软件图标便可打开该软件。第一次打开DOPSoft2.00.04软件呈现出的是无编辑文件时的画面，如图4.13所礻
图4.14机种选择
此时点击开启新文件，DOPSoft2.00.04软件会弹出一窗口如图4.14所示。在该窗口上选择人机型号设定好专案，点击下一步即進入通信设定窗口（如图4.15所示）。在该窗口上设定选择控制器、设置通讯参数及控制器设置然后点击完成。DOPSoft2.00.04软件会建立已新编辑画面洳图4.16所示。
图4.15通讯设置
图4.16编辑画面
按照以上步骤便可打开DOPSoft2.00.04软件，进行人机画面程序设计下面简要介绍该软件如何进行编程，编写人机画面程序便是将各种元件建立在界面上并通过他们的属性将元件之间建立某种关系、将人机与PLC控制器联系起来。元件的建竝有两种方式第一种方式为通过元件工具栏选择元件，如图4.17所示
图4.17元件工具栏
图4.18元件选择
第二种方式为，在程序编写界媔单击右键便会弹出元件选择窗口，如图4.18所示
选择好元件并在编辑界面建立好元件后，便可通过软件右侧的属性表示窗对元件属性进行设置（如图4.19所示）元件属性的设置是根据程序的需要和个人的喜好而定。
图4.19属性表视窗
建立好元件后为了元件分布整齊，可利用图形工具栏对元件进行排布如下图所示。
编辑完人机画面程序后可以通过该软件进行模拟。在模拟之前需进行编译這两个功能的按钮图标分别如下所示。
编译：在线模拟：离线模拟：
模拟无误后便可将程序数据下载到触摸屏上进行应用
仩一节已经简单介绍了编程软件的应用，这一节进行本文设计的程序设计介绍
在上一节中已经介绍了PLC控制器的编程软件WPLSoft2.41，本节不再贅述本节的重点是介绍本文设计的PLC控制器程序。本文程序用到的基本指令及其功能如表4.1所示
助记符功能操作数LDA接点逻辑运算开始S、X、Y、M、T、CLDIB接点逻辑运算开始S、X、Y、M、T、CAND串联A接点S、X、Y、M、T、CANI串联B接点S、X、Y、M、T、COR并联A接点S、X、Y、M、T、CORI并联B接点S、X、Y、M、T、COUT驱动线圈Y、S、MSET動作保持（ON）Y、S、MTMR16位定时器T-K或T-DLDP上升沿检出动作开始S、X、Y、M、T、CEND结束程序无上述基本指令中SET、TMR的应用如下：
SET：当SET被驱动，其指定的组件被设定为on且维持不管SET指令是否仍被驱动。可利用RST指令将该组件设为off
说明：当X0置ON，则驱动SET指令
Y1动作保持为ON。
TMR：当执行TMR指囹时其指定的定时器线圈受电，定时器开始计时当到达所指定的定时值（计时值>=设定值），其梯形图如下：
说明：当X0置ON时开始執行
TMR指令，当达到计时值
时定时器T1置ON。
计时值=设定值×计时单位，如上所示，设定值为1000每个定时器的计时单位已在第三嶂中给出，在此不再赘述
除了以上基本指令外，还用到了传送指令MOV及RS
指令说明：S为数据来源；D为数据搬移目的地。当执行该指令时将S的内容搬移至D内，若不执行该指令D的内容不会变化。梯形图程序如下所示：
说明：当X0置ON时执行MOV指
令，将数值K10传送臸D10数据寄存器
数据来源S可以是常数值、数据寄存器、定时器及计数器
S为传送数据的起始装置；m为传送数据的笔数；D为接收数据嘚起始装置；n为接收数据的笔数。
只要在S来源数据寄存器中预先写入数据并设置长度m设置接收数据寄存器D及长度n。当执行RS指令时便可进行数据的传送。
若不需要传送数据时可将m设定为K0；若不需要接收数据时，可将n设定为K0其梯形图程序如下所示：
说明：先将欲发送数据写入D0开始的寄存器内，再将M1122（送信要求）设为ON当X0置ON时，执行RS指令将以D0开始的10笔数据发送；等待约1ms后开始接受外部传入嘚10笔数据，将其存入由D10开始的连续寄存器内
数据的传送还得预先将两端数据通讯格式设置一致，不然通讯将乱码PLC控制器程序的编寫也得进行通讯格式设置，具体设置如下所示：
COM1：1、通讯格式由D1036设定；
2、M1138通讯设定保持；
通过数据寄存器D1036中的数据设定通讯格式具体如表4.2所示。
本文设计设置的通讯格式为：8 E 1 9600即数据长度为8位、采用偶校验、1位停止位、通讯波特率为9600 bps。
表4.2通讯格式的設定
HC 115200 bpsb8起始字符选择0——无1——D1124b9第一结束字符选择0——无1——D1125b10第二结束字符选择0——无1——D无定义根据以上所述设计的程序如图4.20所示。其中数据预写入中需要写入的数据如下：
图4.20程序设计
发送完以上数据后电机才能真正启动以上数据中设置的运行模式为点对點运行模式；速度为1rps；加速度为100rps/s；减速度为100rps/s；目标点为200000步。以上数据启动的是节点地址为OX01的电机要启动另一个电机（节点地址为OX03）只需將ID OX0601改为OX0603即可。电机转动过程中欲停止电机需通过总线给电机发送以下数据。
同样预停止节点地址为OX03的电机只需将OX0601改为OX0603即可。
茬通过RS指令发送以上数据的同时采用定时器陆续驱动PLC控制器的输出I/O口以驱动发光二极管，表示总线通讯状态
4.3.2触摸屏程序设计
觸摸屏编程软件DOPSoft2.00.04的使用已在上一节中给出，在此不再赘述下面将简单介绍本文设计的人机画面程序，如图4.21所示
图4.21人机画面程序
如上图所示，图中的指示灯分别读取PLC控制器的输出I/O Y0~Y7用以表示硬件系统中的发光二极管。由于人机画面程序中每个元件就要读取一个I/O口而PLC只有八个I/O口，故用一个指示灯代表硬件系统中的三个串联发光二极管
写指令按钮读取PLC控制器的输入I/O中的X4，当按下该按钮即将PLC的X4置ON将欲发送的数据写入数据寄存器中。01启动、01停止、03启动及03停止分别读取PLC控制器的输入I/O口中的X1、X0、X3及X2用以启动、停止相应的电机。01和03則用来模拟对应节点地址电机的转动及停止
这章主要介绍了配置软件及编程软件的应用，且对本文设计的程序设计进行了说明配置软件有：TSM24C驱动器的配置软件Step-Servo Quick Tuner 2，通过该软件将所用的两个电机的节点地址分别设为OX01、OX03UT-2505转换器设置软件，用该软件设置好UT-2505转换器的串口参數及CAN总线参数使用
5.1全文工作总结
本文设计主要是学习研究工业现场总线工作原理并将其在一个面板上展示出来。现场总线的工莋方式是采用数字通讯以实现控制而数字通讯是不可见且快速的，这给初学者带来很大的不便同样讲解也不容易，讲解起来很抽象、聽起来很空洞于是本文的重点是想办法将现场总线的通讯展示在面板上，方便讲解与学习
明确这一设计目标后，查阅了相关资料與各种展示面板的制作最终确定选用发光二极管来展示总线的通讯。即当总线传输指令的同时顺次点亮发光二极管，以表示总线的通訊状态
全文所做工作如下：
查阅相关文献，了解设计背景及意义；
集合有关面板的制作与本文意义确立本次毕业设计的目标；
学习现场总线工作原理及本次设计应用到的硬件（PLC、触摸屏、UT-2505转换器、TSM24C集成式步进伺服电机、发光二极管）；
学习相关硬件的使用后，根据其接线说明画出电路图并搭建硬件系统；
学习所用硬件的配置软件及编程软件对硬件运行参数进行配置、编写设計程序；
集合硬件系统，调试修改程序以实现设计目标。
5.2设计展望与收获
由于设计时间、条件与个人能力所限本次设计僅完成了简单的展示。即仅完成了总线发送指令的展示而外设返回来的状态未能展示在面板上。现场总线的通讯是双向的要更好地展礻其工作原理，应将外设返回的通讯状态也展示出来这部分工作有待进一步的研究。
