以单片机为控制器的自动通讯传输系统的分析

第 1 章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义
冷轧钢板(带)产品被广泛应用于汽车、航天航空、家用电器、机械制造、食品罐头和建筑等国民经济的各个领域。连轧带钢产量比例是衡量一个国家冶金工业生产技术的重要标志，特别是冷轧带钢。在欧美和日本等一些轧钢行业发展比较早的国家，发展到现在都基本拥有了快速换辊、液压压下、弯辊装置和自动控制等新技术。在我国的钢铁行业中，先进的轧制和控制设备主要靠国外进口，在大多数中小钢铁企业中工艺与装备水平还比较落后，生产的产品表面质量差，成材率低，渐渐的跟不上社会的发展对产品质量的要求。
近年来我国的轧钢工业虽然发展的很快，可在设备和技术等方面仍然需要改进。只有进行技术创新和设备改进生产出高强度和高质量的钢铁产品才符合钢铁行业的发展趋势。可是在轧钢行业中随着新技术和设备的大量应用，改造成本一直处在一个很高的水平，对于面临着需要设备更新换代的中小企业来说由于资金的短缺而受到了阻碍。因此在降低设备改造费用方面还有待探索。在现阶段，各个企业的生产规模和经济实力等存在差异，在设备改造中对AGC系统控制器的选择也不同，通常为西门子TDC系列或S7-400系列的PLC。
在一些大型钢铁企业中，普遍采用的是TDC系列的PLC作为AGC系统的下位机控制器，TDC系统是一种模块化的多处理器系统，主要用在金属冶炼或者是输配电等领域，具有大型系统的闭环、开环控制以及信号传送、记录和通讯等功能。西门子TDC擅长用来处理复杂的控制程序，它具有采样速度快的优点（最快可以达到100ns），能显著的提高工厂的生产效率从而提高产品的竞争力。在轧钢工业中大多采用CPU551作为AGC系统的下位机处理单元，它可以为用户提供高运算速度的开环和闭环控制，CPU的最小循环周期只有0.1ms，典型的运算周期为0.3ms，它还可以提供60个I/O通道，这样的配置能很好的完成控制轧机厚度的任务，实现高质量和高效率的生产。所以在一些经济实力雄厚的钢铁企业通常采用SIMATIC TDC用来作为AGC控制。虽然TDC的功能十分的强大并且能很好的实现控制AGC系统，但对于一些要求不是很高的中小企业，如配备高端西门子的TDC是一种资源的浪费，即浪费了大量的资金又不能充分的发挥它的优势。在一般的企业中采用的是性比价更高的S7-400作为AGC的控制器，它在性能、I/O点数等方面已经完全可以满足复杂系统的控制要求。
S7-400是一种中高档性能的PLC，适用于对可靠性要求极高的大型复杂控制系统，比如轧钢AGC系统。它可以提供多个级别的CPU模块和种类齐全的其他通用性模块，这样用户就可灵活配置来适应不同的要求，通常选择的性能高端而速度较快的CPU模块有CPU416或者CPU417,其中CPU417执行位操作的指令周期仅为18ns。一般要求完成板厚自动控制系统整个程序的周期0.1ms以内，完全可以适应轧钢过程中的控制要求。在轧钢的自动化厚度控制系统中经常使用I/O扩展模块EXM438,因为EXM438提供的外围接口中配备了模拟量和数字量接口。此外，EXM438还配备了用于接收增量式编码器和绝对值编码器数据的接口，这使得CPU能够直接读取编码器数据，而省去了专门的处理电路，使用十分便利。
在一些钢铁企业中虽然配备了高端的PLC作为其AGC系统的控制器，可是却不能充分的利用，没有用的接口需配置SIEMENS专用的插槽盖板以防止灰尘等进入。实际工程中，作为轧机下位机的高端控制器SIMATIC TDC或PLC还有很多功能没有得到发挥。由此可见，在针对AGC系统控制器的改造项目中，完全可以使用低成本控制器来代替SIMATIC TDC或PLC完成AGC控制器的各项工作。

    1.2 AGC 系统对控制器设计的要求 ...........11-13
    1.3 AGC 系统下位机的选型 ...........13-15
    1.4 基于单片机的 AGC 系统可行性分析 ...........15-16
    1.5 课题主要研究内容 ...........16-17
第2章 AGC 系统接口电路设计 ...........17-30
    2.1 引言 ...........17
    2.2 下位机整体结构与功能概括 ...........17-19
    2.3 系统电源电路设计 ...........19-20
    2.4 数据接口电路设计 ...........20-25
    2.5 编码器接口电路设计 ...........25-27
        2.5.1 绝对值编码器接口电路 ...........26
        2.5.2 增量式编码器接口电路 ...........26-27
    2.6 接口电路的实验验证 ...........27-29
    2.7 本章小结 ...........29-30
第3章 通讯传输方式的选择及通讯电路设计 ...........30-41
    3.1 通讯类型的选择及其特性 ...........30-31
        3.1.1 通讯类型的分类及选择 ...........30
        3.1.2 串行通讯传输方式的选择 ...........30-31
    3.2 通讯协议的确定及校验算法 ...........31-36 
    3.3 串口标准的比较与选择 ...........36-38
        3.3.1 串行接口标准 ...........36-37
        3.3.2 串行通讯标准的比较 ...........37-38
    3.4 AGC 系统通讯电路设计 ...........38-40
    3.5 本章小结 ...........40-41
第4章 下位机侧通讯的实现 ...........41-51
    4.1 下位机通讯系统概述 ...........41-43
    4.2 通讯参数的设置 ...........43-44
    4.3 下位机通讯安全性的实现 ...........44-46
    4.4 下位机发送功能的实现 ...........46-48 
    4.5 下位机接收功能的实现 ...........48-50 
    4.6 本章小结 ...........50-51
第5章 AGC 系统上位机界面的开发与实现 ...........51-62
    5.1 上位机通讯方式的选择及开发流程 ...........51-53
    5.2 调试参数的发送和校验算法的实现 ...........53-57
    5.3 接收监控数据的实现 ...........57-59
    5.4 AGC 系统的上位机界面开发 ...........59-61
    5.5 本章小结 ...........61-62

结 论

本论文以轧机 AGC 系统在实际改造中出现的具体问题为出发点，以 PIC 单片机为控制器的主控芯片，对控制系统的下位机进行了设计，同时对上位机界面进行了开发，论文中重点对 AGC 系统的通讯做了研究，具体工作如下：首先，对冷轧机 AGC 系统的工艺和技术进行分析，以实际需求为依据，对下位机进行配置，选取了 PIC 单片机作为下位机的控制芯片，对 AGC 系统的接口、系统电源及下位机的通讯电路进行设计，并进行了相应的可行性分析和实验验证。
在硬件设计过程中充分考虑了系统的内外地隔离和干扰问题。其次，通过对各种通讯标准和通讯类型的比较，结合 AGC 系统工作的具体环境，最终选定通过异步串行的传输方式来实现 AGC 系统中上、下位机之间的通讯。以保证数据传输的快速性和准确性为出发点，确定了上、下位机在传输时所使用的通讯协议。
在上位机向下位机发送数据时，为了数据的准确性，采取了在传输数据后添加 CRC 校验码的办法进行传输；在上位机接收来自下位机的监控数据时，考虑到传输的快速性和单片机的运行效率问题，采取了在数据的开头和结尾处加标志位的办法进行传输。通过上、下位机的传输实验，验证了通讯协议和校验算法。