DeviceNet网（精选5篇）
DeviceNet网 篇1
Petri网是对信息处理系统进行描述和建模的数学工具之一,其对并行性,不确定性,异步以及对分布式系统有较强描述能力和分析能力,已在很多领域得到运用,而随机高级Petri网作为Petri网的发展,更适合可靠性建模和计算。Device Net是一种基于CAN总线典型的应用协议,Device Ne总线具有简单, 可靠,配置灵活同时兼顾成本低,性能高,目前在工业领域为广泛运用。本项目背景为接受中国核动力院资助,尝试将Devi-ce Net总线运用于核电高可靠DCS,对其可靠性加以研究有重要意义。本文用Petri理论计算Device Net总线结构的可靠性是有效的尝试。
1随机高级Petri网(SHLPN)的基本概念和定义[1,2]
定义一个连续时SHLPN基于HLPN系统,SHLPN为(P,T, F, A,V,D,X,W,M0,λ),其中HLPN =(P,T,F,A,V,D,X,W,M0)是一个系统,λ=( λ1,λ2,… , λn),是变迁平均速率的集合。
定理1任何一个有限位置、有限标记颜色和有限变迁的SHLPN同构于一个一维的、连续时间的有限马尔可夫链。
定理2考虑一个有限的和遍历的CTMC{X(t),t≥0},它的状态空间S={1,2,; N},无限发生器Q,转移概率矩阵P(t),状态分布 η(t)以及平衡分布η。通过将状态聚合成宏状态AI,定义状态空间S,的一个划分为
随机高级Petri网的思想就是把指数分布的变迁实施时间变量引入HLPN的变迁集,使之兼有HLPN的特点同时又具有MC同构的特性和SPN的状态空间,为求解系统性能模型提供数学理论基础。
2典型的devicenet主从网络结构[3]
一个devicenet主站最多可以挂64个节点,本文选择某系统作为分析。
主站连接上层网络,把下层网络数据往上级传,把上层网络数据往下层传递,从站可以多种电子设备。实际工作中主站失效或从站全失效,则该系统失效。
3 devicenet总线可靠性评估
本文采用随机高级Petri网方法对devicenet协议主从结构可靠度进行具体分析和可靠度计算。单总线系统结构图等效为模块1和模块2的串联系统,主站为模块1与模块2串联,其中从站之间互为并联,如图2所示。
3.1模块1和模块2的SHLPN模型建立
1)模块1为单一主站,P1,P2为有效工作资源和失效工作资源,主站的失效和维修作为两个随机变迁,其中:平均失效率和平均激活速率分别为其故障率λ和修理率μ 。
2)模块1模块2位并联可修系统。由4个从站构成,每个从站的失效率和修复率为常λi,μi(i=1,2,…,4),并假定SH⁃LPN标记的颜色不明显地标注在弧上,即权函数数W:,可以得到模块2模型如图4所示。模型中P0~P3分别为前标识下从站处于工作状态的个数。站点的失效和维修两个跃迁是随机的,平均失效率和平均激活速率为各自的故障率λi和修理率μi。
3.2求解状态转移图
1)模块1状态转移图
由于模块1只有单一元素,可以直接给出其状态聚合图:
2)模块2状态转移图
当模块2中某一从站故障或掉线,仍能通信,以及把错误上报到上一级网络,所以只有当所有从站失效时,模块才处于失效状态。
利用状态聚合理论,得到模块2的Markov状态变迁图,如图6所示:
其中M0表示所有部件处于正常的工作状态;Mi(i= 1,2,3)表示系统处于正常工作状态,但有i个站点失效;M4即表示所有站点失效,系统失效。假设所有站点都一样,设 μi=μ(i=1, 2,…,n),并假设不管多少个站点失效,任一时刻只有一个站点处在维修状态,即在任一时刻系统的修复率都为 μ 。论文根据定理2给出状态聚合的公式:
同时而失效率PI,J则不同,计算公式为PI,J=P{Yn+1=AJ|Yn=AI}
其中PM0,Mi= PM0,M1*PM1,M2...PMj - 1Mj( j = 1.; 4)
3.3求解模块转移概率强度矩阵
根据马尔可夫链理论,求得模块1 ,2的转移概率强度矩阵,为Q1,Q2。
3.4求解模块1和模块2的稳态可用度
两模块均具有正常返,不可约性,由ΠQ=0,∑πi=1;
1) 单部件系统可直接得计算公式
2) 可求得模块2的平稳分布
模块2均具有正常返,不可约性,由
得:
其中PM0,Mi= PM0,M1*PM1,M2...PMj - 1Mj( j = 1.; 4)
根据系统可用度的定义,得模块2的稳态可用度为:
3.5总的系统可靠性
根据分析,任意时刻只有一个站点处于维修而不管多少个站点失效,因此可以认为在模块1主站失效或者5个从站同时失的情况下,系统的失效看做是不可维修的。对于不可维修系统,可靠度就等于可用度[4]。其可靠度近似为:
如表1某devicenet总线网络的主站从站的故障率λ, 和修理率μ。
利用公式(1)~(3),求出总得可靠率为Rs=0.956772
4总结
本文以高级随机Petri网为工具,以devicenet总线主从结构为研究对象,建立了该总线的可靠性分析模型,分析了总线动态过程,并且得到了求解可靠性的一组数学表达式,计算了可靠度。同时所建模型直观反映了devicenet总线在拓扑结构、控制方式等方面的特性,从数学和结构变迁的方式给出了分析系统可靠性的方法。从模型可以分析得,从站并联可靠性高,单主站与从站并联可靠性较差,同时线路无冗余对其整体可靠性会有较大影响。下一阶段工作是依据分析综合实际需求,对系统冗余设计,同时充分细化子系统,得出子系统模型,为总线设计中优化可靠性提供依据。
参考文献
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DeviceNet网 篇2
DeviceNet是20世纪90年代发展起来的, 现阶段广泛应用于北美、亚洲等国家, 以低成本、高效率、高性能、高可靠性等优点, 在过程/工厂自动化占有主导地位。我国工业自动化起步较晚, 目前仍处于引进国外先进设备的阶段, 这就要求我们了解DeviceNet通信协议, 同时能够使用现有的DeviceNet设备组建一个适合特定应用的、稳定的DeviceNet网络。
在前几期的文章中我们介绍了基于XGate-DVN10的DeviceNet从站协议转换模块以及DeviceNet主站PC接口卡的使用, 本期文章将介绍DeviceNet网络的组建及配置。
2 DeviceNet主从站特点介绍
在一个DeviceNet网络中, 主站是负责集中管理I/O数据的设备, 并具备未连接报文管理UCMM (Unconnected Message Manager) 功能。从站节点则是执行特定功能并将自己的I/O数据传送给主站的设备, 可以无UCMM功能, 但必须支持预定义主从显式报文连接。
(1) DeviceNet从站特性
DeviceNet从站在网络中拥有唯一的节点地址, 并且能独立完成特定的功能, 例如I/O设备、传感器、数据采集、电机控制等。对实时性要求高的数据通过I/O连接进行传输, 因此DeviceNet从站应当支持至少一种I/O连接, 且每个DeviceNet从站都有一个特定功能的应用对象类, 该对象类描述了从站所具有的应用参数和功能。
(2) DeviceNet主站特性
DeviceNet主站在网络中所起的作用有别于DeviceNet从站, 它负责网络管理、从站配置以及数据处理, 其并不一定具有特定的功能, 但也有自己的独有的对象类和唯一的节点地址。市场上主要有两种形式的主站, 一种是可编程控制器 (PLC) 中的一个单元, 它的内部集成了DeviceNet的主站功能;另一种是PC使用的一个集成DeviceNet主站功能的PCI或USB接口卡, 通过PCI/USB总线与PC交换数据。
3 DeviceNet网络组建
由于DeviceNet是基于CAN总线的一种应用层协议, 因此其网络组建与CAN总线一致, 采用主干-分支结构。从站和主站都挂接在该总线上, 通常一个DeviceNet网络中只有一个主站设备和若干个从站设备同时工作。在进行DeviceNet网络布线时, 建议选用专用的DeviceNet电缆, 这样可以提高总线抗干扰能力。表1所示为通信波特率与总线支线、干线长度的关系。
典型的DeviceNet网络结构如图1所示。为了增强网络通信的可靠性, CAN总线干线的两个端点要加入120Ω、1%、1/4 W的终端电阻, 终端匹配电阻并联在CANH信号与CANL信号之间。
注:网络中各节点的支线长度不易过长, 支线总长度不应大于累积值, 单个节点的支线也不应大于6 m。
在该网络示意图中有一个DeviceNet主站 (Scanner) , 它会根据扫描列表 (Scan List) 管理已配置的从站。配置从站时, 需要包含它的I/O连接类型、字节数目和从站的地址, 同时在主站的内存区为从站的I/O建立一个映射区 (也称为I/O分配) , 这个过程可以通过导入从站的EDS (Electronic Date Sheet) 文件实现, 也可以手动配置。下文详细介绍如何配置DeviceNet网络。
4 DeviceNet网络配置及通信
每个DeviceNet从站设备在出厂时都设定有默认参数, 其中重要的参数保存在EDS文件中, 例如设备的基本信息、实时数据传输的格式和支持的I/O连接类型、可配置的通信参数等。在一些应用简单的场合只需要采用默认配置即可进行正常通信, 但对于一些应用比较复杂的场合, 则需要对从站进行相应的修改。
本文使用广州致远电子有限公司研发的主站产品PCI-5010-D和从站协议转换模块XGate-DVN10组建一个典型的DeviceNet网络。
(1) 建立网络
参考上文, 使用DeviceNet电缆连接主站和从站, 采用主干-分支结构。
(2) 配置网络参数
DeviceNet网络管理软件安装完成后, 配置整个DeviceNet网络参数, 界面如图2所示。
配置参数界面用来设置网络中主站卡 (PCI-5010-D) 的参数, 有主站地址、波特率、内部扫描延时、间隔扫描周期、期待报文时间、发送重试次数等。在没有特殊使用情况下, 只需要修改主站地址 (建议为节点地址为0) 和波特率即可。
(3) 添加从站
通常情况有两种方式添加从站, 一种是通过EDS文件, 一种是没有EDS文件下, 手动配置。下文介绍如何通过EDS文件添加从站。
(1) 通过菜单栏中的“工具”->添加EDS。例如, 将XGateDVN10添加到设备目录中;
(2) 单击“添加从站”。例如:添加XGate-DVN10; (3) 设置从站参数:节点地址、连接类型等等。
从站配置界面如图3, 配置节点号时, 应当与实际从站值一致, 波特率设置也应当和实际网络通信速率一致。
(4) 主站上线, 连接从站并通信
配置从站结束后, 单击“启动”, 主站会自动上线并扫描连接从站, 同时获取从站连接状态, 连接成功后如图4所示。数据对话框中为当前从站的生产消费数据。
至此为止, 已经搭建了一个简单而又典型的DeviceNet网络, 利用此网络了解DeviceNet的总体架构与运行的机制, 以便对DeviceNet总线有一个全面的认识, 为将来搭建更加复杂的网络做铺垫。
5 结语
在实际组建网络过程中, 根据不同应用环境我们需要了解线缆的阻抗、容抗、信号延时等, 减少由于信号衰减或反射而导致总线工作异常;也需要了解网络电源的负载, 要考虑到最坏的情况, 进而组建一个抗干扰能力强、稳定可靠的DeviceNet网络。
DeviceNet网 篇3
传感器设备是工业自动化、仪器仪表及其他生产活动中使用最广泛的设备之一。传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。早期传感器设备都是直接与控制器进行连接, 并且各个传感器设备之间无法进行通信。在一个庞大的控制系统中, 可能拥有各种各样的传感器设备, 采用传统的点对点通信方式, 会导致整个系统布线复杂、运行效率低、维护成本高等缺点。CAN总线的推出使得系统布线得到最大程度的改善, 基于CAN总线应用层的Device Net协议不仅改变了设备与控制系统之间的通信方式, 更增加了设备级的诊断功能。
本期文章将介绍如何利用XGate-DVN10模块设计一款基于Device Net从站协议的多功能传感器模块。
2 XGate-DVN10简介
广州致远电子有限公司长期致力于Device Net产品的研发, 推出了一款非常易于使用、稳定可靠的Device Net从站协议转换模块——XGate-DVN10。作为通用Device Net从站设备, 其内部已经集成了从站协议栈代码, 且所有功能通过了ODVA的一致性测试软件 (A21) 的测试, 保证了与其他Device Net设备的良好兼容性。
XGate-DVN10为DIP24封装, 拥有较小的占位面积 (6cm2) , 使其更容易集成到用户设备中。其硬件设计比较简单, 图1所示为XGate-DVN10应用简图, 用户只需要将模块嵌入到传感器设备中, 与CPU的串口连接便可完成设计。
3 传感器模块硬件设计
通过本文的介绍, 读者可以清楚地了解怎样使用XGate-DVN10设计一款具有Device Net从站通信能力的传感器设备。
本文所设计的传感器系统包含了4路温度和8路霍尔传感器信号。温度传感器使用线性度较好的模拟温度传感器, 并采用12位的模拟数字转换芯片 (A/D) 对信号进行采集。霍尔传感器可用于检测磁性物质的位置状态, 当具有磁性的物体靠近霍尔传感器时, 霍尔传感器会输出一个低电平 (0) , 否则就输出高电平 (1) 。
硬件设计分为传感器采集部分和XGate-DVN10连接部分, 如图2和图3所示。
本设计中使用了ARM7处理器 (LPC2132) , 其运行速度快, 最高可达72 MHz, 并且拥有64 KB的Flash程序存储空间以及16 KB的RAM空间, 可满足大部分应用场合的需求。模拟数字转换选用12位精度的转换芯片, 完成对温度传感器输出信号的采集, 并以数字信号的方式提供给处理器。霍尔传感器的输出信号为逻辑电平 (0, 1) , 由于其驱动能力较弱, 因此在其输出端增加一个I/O驱动器来增强其驱动能力, 通常使用总线驱动芯片74HC245或74HC244。
XGate-DVN10提供一路串口与CPU进行连接, 该串口负责CPU与XGate-DVN10的全部数据交换和传输控制命令, 同时LPC2132的I/O端口连接XGate-DVN10的复位引脚, 可灵活地对XGate-DVN10进行复位操作。XGate-DVN10提供了节点地址和波特率设置接口, 因此使用DIP拨码开关来设置XGate-DVN10的节点地址和波特率。XGate-DVN10同时还提供了设备状态指示灯接口, 用于指示当前XGate-DVN10 (Device Net从站) 的工作状态, 并符合Device Net规范指示灯标准。
4 传感器模块软件设计
XGate-DVN10支持Device Net规范的4种连接类型 (位选通、轮询、状态改变/循环) , 并为每种连接方式分配了最大I/O报文为128 B的内存, 内存视图如图4所示。
XGate-DVN10协议转换模块的内存区大小可由用户自定义, 用户可以根据不同的应用场合, 选择合适的连接类型和支持的I/O报文长度。
本系统设计的温度范围为0~100℃, 温度数据的采集采用12位的A/D转换器, 因此每一路的温度需要使用2 B来存放。由于温度发生变化慢, 只要在发生变化的时间内进行检测即可, 因此采用轮询的通信方式, 这样可以灵活地设定轮询通信时间, 以降低网络的负载量。霍尔传感器的输出为开关状态, 每一路霍尔传感器占用1 bit, 因此8路的霍尔传感器只占用1 B, 可以采用状态改变连接方式, 当霍尔传感器检测到当前状态发生改变, 从站主动向主站发送数据, 实时性更加得到保证。
用户只需要将温度传感器和霍尔传感器的数据分别写入到XGate-DVN10轮询、状态改变的输入缓冲区, XGate-DVN10就会按照Device Net协议的定义对数据进行解析处理, 同样来自Device Net网络中控制信息也会经过解析之后分别存放于轮询和状态改变数据输出区, 用户只需要读出即可。
为了方便用户快速可靠地实现通信, 广州致远电子有限公司提供了XGate-DVN10串口协议的驱动源码。用户程序软件操作流程如图5所示。当XGate-DVN10的输出内存区接收到Device Net网络中的实时数据之后就会立即向用户MCU产生一个中断, 此时用户可以通过UART发送相关命令字读取轮询连接的数据内容, 用户可将实时更新的传感器数据写入输入缓冲区, XGateDVN10自动发送至主站。
5 结语
经过以上步骤, 快速地实现了一款具有Device Net通信能力的温度及霍尔传感器系统, 并能与标准的Device Net主站或Device Net从站进行通信。因此XGateDVN10的出现, 使开发者不用再为开发Device Net协议栈而苦恼, Device Net产品短期上市也不再是梦想。
DeviceNet网 篇4
由于常规能源日渐枯竭，各类新型能源还存在很多局限，与此同时，电动汽车逐渐成为各国政府和汽车制造商关注的焦点，它必将成为未来地面交通运输主要趋势。由于电动汽车的迅猛发展，必将导致新的能源问题———电动汽车蓄电池充电问题。所以，设计一种基于电能和太阳能充电装置成为研究的焦点。
2 概述
设计了基于混合能源电动汽车充电装置，实现对电动汽车蓄电池进行充电，充电电源分别是市电和太阳能发电。充电装置主要由主机和分机两个部分。主机部分完成两路独立电源的变换，对此，分别设计两个方案，一个是基于UC3843的DC-DC变换器，另一个是基于L6561的AC-DC变换器；分机部分主要负责反激式变换器、充电方法选定、单片机控制电路，其中专门针对反激式变换器，将24伏DeviceNet直流电源电压转换为5伏和15伏电压，以此作为分机系统电源。整个充电系统实施集中控制，通过DeviceNet总线连接主机系统和分机系统。
3 主机
主机系统包括4个核心部分：（1）太阳能光伏电池板组，（2)CTA方式DC-AC变换器，（3)DC-DC变换器，（4)APFC方式AC-DC变换器。根据技术发展需要，提出基于CTA方式的DC-AC变换器方案，旨在把太阳能产生的多余电能传送给市电网。两路电源则通过相应的变换器，把电压升压到400伏，通过相互补充成为充电系统工作电压。
3.1 太阳能光伏电池选型
这里选用日本MSK太阳能电池公司的多晶硅太阳能电池（型号为LPP125-160），每块太阳能电池的输出功率160瓦，短路电流5.3安，开路电压43伏，电池模块为1580毫米×802毫米×50毫米。如果充电站总功率9600瓦，则需60块太阳能电池板。
3.2 基于L6561的APFC控制电路
L6561是ST公司的有源功率因数校正专用芯片，它集成了各种保护功能，可以组成宽电压输入、低谐波含量PFC电源、直接驱动IGBT管。基于L6561的APFC控制电路设计中的AC-DC变换器，主要采用有源功率因数校正专业芯片L6561组成APFC电源。由于L6561有很高集成度，能够降低系统的复杂度，实现高效率、低损耗。
3.3 基于74HC595的显示驱动电路
显示驱动电路主要通过2个74HC595实现，首先把74HC595-1C芯片QH与74HC595-2C的SER端级联，再通过串行时钟CLK和数据锁存STR信号。显示驱动电路能够显示出蓄电池电压、充电电流等参数，LED采用8段发光二极管，由串入并出芯片74HC595控制输出。
4 分机
分机系统设计反激式变换器，将DeviceNet电源电压（24V）变换为5V或15V供分机系统使用；为实现对蓄电池的两阶段和修复充电两种方式，并在两个阶段的充电过程中让蓄电池恒流并实现恒压充电，设计了一种基于NCP5181和KA3525混合驱动模式的半桥式开关电源，确保开关场效应管安全可靠，实现高效运转。
4.1 低压电源电路
由于DeviceNet总线中包括24V直流电源线，设计开关式电源控制芯片KA34063来构成反激式变换器，将DeviceNet总线中的24V直流电转换为5V或15V电压作为分机系统电源电压。
4.2 基于NCP5181和KA3525的驱动电路
设计了一种基于NCP5181和KA3525混合驱动模式的半桥式开关电源。该方案如图1所示。2个输出直接驱动分别采用半桥式配置的2N-Channel功率MOSFET。
4.3 充电方式电路
针对蓄电池充电过程，可以采用正常充电和修复充电。正常充电分两个充电阶段———恒流充电和恒压充电；蓄电池在使用过程中需要进行定期地修复充电，所有充电环节均由单片机控制。
4.4 显示驱动电路
显示驱动电路采用4位LED显示。LED使用共阳极8段发光二极管，8255芯片的PA0至PA2端口设置为电压、电流和温度的3个信号端口；通过8255芯片的Pb0至Pb7端口控制输出，分别负责驱动LED字段；位选择信号则由Pc0至Pc3端口控制；8255芯片的PA3至PA7端口需要分别设置为水平和垂直传感器、水平和垂直电机的信号端口。
5 充电系统
5.1 系统控制
充电系统主要由64个充电单元组成，中央控制计算机利用DeviceNet总线对各充电单元实施监控。由于DeviceNet总线能够直联，改善设备通信，提供设备级诊断。可见，DeviceNet总线是充电系统的组网主体部分。
5.2 系统结构
DeviceNet总线的原型是CAN总线，它不仅保留了CAN总线的主要特点，也实现了应用层上的功能。充电系统由64个充电单元构成，通过DeviceNet总线，每个充电单元与中央控制计算机连接。在充电单元的内部，通过AT89C51芯片组成单片机控制系统，专门实现充电单元中蓄电池充电的监控，同时把充电中的信息通过DeviceNet总线传给中央控制计算机。
5.3 硬件电路
(1）主站接口卡。DeviceNet总线的中央控制计算机也是其通信节点之一。该总线作为特殊输入输出单元，与中央处理器实现便捷通信，采用派威SST-DN3-PCI接口卡连接DeviceNet总线。
(2）单片机控制系统。充电单元由89C51芯片组成，由于单片机控制系统中需要较多的输入输出端口，所以为扩展输入输出端口，增加了8255并行输入输出芯片。此外，充电单元还设置了监测仪和电机传感器等设备。
5.4 配置软件
DeviceNet与派威SST-DN3-PCI接口卡相连接入系统，该接口卡由ODVA测试实验室鉴定，快速扫描和高性能等特点突出。它的网络接口卡有一个DeviceNet端口，拥有操作系统驱动、网络诊断等配置软件。
6 结语
太阳能充电系统通过DeviceNet总线，实现了主机对分机的控制和通信；把太阳能电池板组的48伏直流电源转换成400伏传输给电源母线；提出了基于NCP5181和KA3525混合驱动半桥式开关电源，实现了开关场效应管安全可靠。实验证明，该方案切实可行，达到预期效果。
参考文献
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DeviceNet网 篇5
目前自动控制系统正从DCS向FCS过渡,这就要求包括调节阀在内的执行元件必须具有现场总线网络通信功能。在多种现场总线标准中,基于控制局域网(CAN)总线接口标准的设备网(DeviceNet)具有接口简单、抗干扰性能强、开放性好等多种优点,我国把它作为国家标准GB/T18858.3-2002发布,于2003-04-01开始实施[1]。调节阀是自动控制系统中常用的执行元件,特别是气动阀门具有响应快、抗干扰能力强的优点,在生产实际中广泛应用。设计基于DeviceNet的气动阀门定位器,具有很好的实用价值。
图1是气动阀门的工作原理,阀门定位器从DeviceNet总线上接收当前阀门位置的给定值,从阀门行程反馈信号得到前阀门位置的反馈值,根据控制算法计算出4～20mA控制信号送入I/P变换器,I/P的输出被送到气动放大器组件。该组件也同样与气源相连,将从I/P转换器来的小气动信号放大成为单作用执行机构所用的单个较大的气动输出信号。在双作用执行机构应用中,放大器接收来自I/P转换器的气动信号,并提供两个气动输出信号送给执行机构的放大器输出压力的变化引起阀位移动。仪表的行程经反馈连杆驱动电位计指示阀位,的位置的行程开关的状态。
电位计电气上与阀门定位器连接,以提供用于控制算法的行程反馈信号。开关位置检测阀位全开和全关阀门定位器的硬件主要包括阀位检测、开关状态输入、DeviceNet网络接口、操作按键以及状态指示等电路。软件主要包括DeviceNet服务程序、PID控制算法程序、按键检测与状态显示程序。
2硬件设计
阀门定位器的硬件设计主要包括与DeviceNet相关的电路以及与阀位检测控制相关的电路两大部分。前者必须依据DeviceNet规范,尽量采用规范推荐的电路。它主要包括电源转换、通信接口、状态指示、设置开关几个部分。其中设置开关用于设置DeviceNet的节点地址———MACID,以及网络数据传输速率两个网络基本参数。MACID范围等于0～63,要用6位拨码开关,数据传输速率有125、250与500 kbps三种,需用2位拨码开关。其余三个电路如图2所示。选用Microchip公司的PIC18F系列单片机中内置10位A/D和CAN控制器接口的CPU。
规范中详细规定了网络状态以及模块状态的指示内容和显示方法。依据规范,图2中用红/绿双色LED灯MNS的颜色、闪烁、保持等不同的状态来综合显示网络以及模块当前的状态。另一个双色指示灯IO用来表示阀位的状态,对此规范中没有明确说明。我们定义如表1所示。
为增强控制器可靠性采用两片高速光耦6N137作为隔离栅,把网络总线与本控制器从电气上隔离开来。使用DC/DC电源变换器U14从DeviceNet电源线上获得一路非隔离+5 V电源OUT1给CAN通信收发器MCP2551供电,另一路隔离电源VCC提供其它电路所需电源。要注意总线供电电压的有效范围是11～25 V。肖特基二极管D1防止把电源线V+错接到V-端子上时产生损坏,晶体管Q1防止当V-没有接线导致损坏。Q1与电阻R1、R2还能防止地线断路。
阀位检测与控制电路如图3,虚线框内的部分是阀门内部器件。阀位反馈采用滑动电位器RV来获得,开到位与关到位的行程开关状态经光耦TLP521-2输入到CPU中。其中的R11、R8分别用来防止电源VCC、V+短路。VREF+与VREF-分别是CPU内置A/D的参考电源的正极性端子和负极性端子,在数值上分别对应A/D转换结果的满刻度值和零值,对应阀位的开度最大与最小的位置。AN0连接到CPU内部A/D的模拟信号输入端,它与VREF-之间的电压线性地反映了阀门开度的大小。
阀位控制采用10 bit电流输出型D/A转换器MAX5550把数字控制信号转换为4～20 mA的电流信号,经由OUTA引脚送入电气转换器,再返回到地线GND引脚,调节气压而改变阀门位置。
3 DeviceNet对象模型设计
我们采用位置型递推形式的数字PID控制器。设第k个采样周期输出控制变量为u(k),阀位给定值为r(k),阀位实际值为y(k),偏差值为e(k)=r(k)-y(k),则其算法表示如下:
式中:T——采样周期;KP——比例系数;TI——积分时间常数;TD——微分时间常数。
它们的数值从DeviceNet网络以参数形式获得,定位器还从网络上得到阀位的给定值。同时定位器把当前阀门的实际位置,当前误差的大小,开到位与关到位状态传送到网络上。当然还要接收“运行/停止命令”以及返回当前“运行/停止状态”。于是,与应用有关的对象模型如表2所示[2]。
DeviceNet的节点在应用层被模型化为多种“对象”的集合。对象分为与通信有关对象和与应用有关对象。每个对象具有“属性”,通过“行为”对“事件”做出反应,对外提供“服务”。DeviceNet规范定义了许多标准“对象类”,用不同数值的“类编码”来区分。将对象类中定义的每种“属性”赋以确定的值即形成一个“对象实例”,每类对象可以创建多个对象实例,对每个实例分配不同数值的“实例ID”。节点就是许多个“对象实例”组成。基本应用对象有离散量输入点类、离散量输出点类、模拟量输入点类、模拟量输出点类。此处“输出”、“输入”是从网络角度来定义的。
DeviceNet通信是基于“连接”的“面向生产者”数据传输技术。报文发送方称为“生产者”,接收方称为“消费者”。传输时指定报文的“生产者”,接收方根据自身要求决定是否接受该报文。标准中定义了“连接类对象”,每个连接类对象实例标定一个传输数据的类型,同时指定数据的“生产者”或者“消费者”。连接对象是单向传输的,双向传输要用两个连接实例标识码。表2列出定位器中与应用有关的对象模型及其连接类对象实例。
与DeviceNet网络通信有关的对象列在表3中。其中标识对象决定于拨码开关设定的MAC ID,DeviceNet对象对应于设定的传输数据速率,路由器对象实现报文路由选择与管理。
DeviceNet报文分为“显式报文”和“I/O报文”两种。I/O报文就是表2中所列的对时间要求严格的实时数据和状态信息,通过I/O连接来传输。显式报文的内容由DeviceNet标准定义,其意义对于所有的设备都是相同的、明白清晰的,通常包含配置、诊断信息,它们对传输实时性要求不太高,通过显式连接来传输。显式报文管理器实现这类报文的发送和接收处理过程[3]。
4 软件设计
软件主要功能是帧的组合与分解,以及各个对象实例的行为、服务的实现、控制器算法设定、LCD显示、指示灯显示、按键设定等功能。软件结构层次关系如图4所示,也分为DeviceNet网络通信程序和阀位控制程序两个部分。
DeviceNet网络是基于CAN通信标准的,其逻辑链路控制、介质访问控制、物理信号编码都符合标准CAN规范。CAN规范中的仲裁、检错、重传、滤波、缓冲等功能都由CAN控制器完成。PIC18F258CPU内置有符合DeviceNet规范的CAN控制器。CAN控制器驱动程序要对CAN控制器进行初始化、往发送缓冲区写入数据、从接收缓冲区读取数据。连接类(显式报文、I/O)对象要实现标准帧的封装、分段处理。各类对象实例的行为是由事件驱动的,主要事件包括网络通信请求与应答、定时器触发、外部输入/输出信号变化。整个软件被分为:主程序、CAN驱动中断服务程序、定时器中断服务程序、其它I/O中断服务程序几个部分。各个中断服务程序对所监测的事件进行分析、判断,向主程序提供各种事件的状态标志,主程序根据各种事件标志对各个对象实例的状态、属性数值进行调整,实现对象的各种行为。
考虑到工业现场干扰多,我们综合采用中位值与算术平均值两种数字滤波技术以提高抗干扰能力。取阀位行程反馈信号的连续5次采样,按数值从小到大排列,丢弃最大值和最小值,再取中间3个数值的算术平均值作为滤波结果,供PID调节器以及显示、通信程序调用。这种滤波方法既能大大减少脉冲干扰,又可有效减少白噪声干扰,具有良好性能。对离散的开关状态信号的滤波采用一致判断原则,连续2次读取检测值并比较,若2次结果相同则以该值作为开关的真实状态,否则再采集一次。
通常认为,当开到位,行程开关动作认为阀门开度是100%,而当关到位,行程开关动作认为阀门开度是0。一般情况下,当开度等于100%时,A/D结果不会等于最大值3FFh,而当开度等于0时,A/D结果也不会等于最小值00h。所以要对阀门开度进行自动标定。当连续按住“自动标定”按钮超过1 min,进入自动标定程序,自动控制阀门使其由全关到全开循环两次,从而记录下A/D结果的数字量的最大值Xm与最小值Xn。若当前采样结果为X,则对应实际阀门开度的百分数为:
显示处理程序首先要依据DeviceNet规范,把定位器状态以及网络通信状态通过MNS双色LED正确显示,其次要把阀门的动作状态显示到IO双色LED上,最后根据需要,还可把实际阀位通过LCD或LED显示器显示出来,以供参考。
软件设计中主要考虑几个问题:①通信的实时性。DeviceNet在125 kbps传输速率下,传输一帧数据的最少时间间隔只有376 μs,最大时间间隔只有888 μs。在设计接收缓冲区长度时,要考虑最大数据帧的字节数,不能出现数据丢失情况;②软件结构合理,中断服务程序尽量简短,主程序周期循环运行,实现对象实例行为;③合理安排清看门狗定时器指令,以保证在正常工作循环中定时器不会溢出,在出现死循环状况时一定会溢出。
5 结束语
DeviceNet网络采用CAN总线通信,可靠性高、易于实现。应用层标准是开放的,不收取使用费,成本低。设计基于该标准的气动阀门定位器具有较大的实用价值。本文提出的定位器架构简单、可靠性高,所给出的硬件原理、对象模型、软件结构具有很好的参考意义。
摘要：提出一种基于DeviceNet的气动阀门定位器,设计了网络接口电路、阀位检测与控制电路图。给出了定位器的对象模型、软件层次结构和自动标定方法,指出硬件和软件设计的关键问题,具有实用性的指导意义。
关键词：气动阀,定位器,设备网,对象模型
参考文献
[1]GB/T18858.3-2002,低压开关设备和控制器——设备接口(CD I)第3部分:D eviceNet[S].
[2]于海生,等.微型计算机控制技术[M].北京:清华大学出版社,2004.
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