分布式现场总线（共7篇）
分布式现场总线 篇1
0引言
干燥过程就是以供热的方式从物料中脱去水分的过程, 是一个复杂的热质交换过程, 粮食干燥的目的就是使粮食的品质满足安全储存、合理流通和后续加工的要求。我国因气候潮湿, 湿粮来不及晒干或未达到安全水分发生霉变、发芽等造成粮食损失很大[1]。 通过调研发现, 目前粮食干燥机主体结构主要有顺流、逆流、横流和混流; 粮食干燥机加热热源有燃烧煤炭的热风炉、燃烧气体的气炉、燃烧秸秆炉、燃烧煤油柴油炉、电加热炉和地热等, 具体采用什么热源视区域情况而定, 如黑龙江省因为有丰富煤炭大多采用燃烧煤炭的热风炉, 有天然气的地方大多采用燃烧气体的气炉; 输送粮食驱动采用滑差电机调速, 调速范围小而且精度低; 温度湿度测量采用仪表, 造价高、精度低、实时性差。因此, 粮食干燥的自动化程度比较低, 粮食干燥效率不高; 但是, 国外粮食干燥的自动化程度高, 尤其以美国、日本、加拿大为代表的国家, 都采用了计算机智能控制系统, 使粮食干燥的自动化程度水平和效率大大提高。粮食干燥的效果和效率主要取决于两个方面: 一是粮食干燥机主体结构; 二是粮食干燥机控制系统。随着计算机和现场总线技术的发展和普及, 把两者结合起来用于粮食干燥机控制系统成为可能, 这也是农业自动化发展的趋势。黑龙江省是农业大省, 也是国家重要商品粮生产基地之一, 减少粮食在各个环节中的损失, 增加农民收入, 促进社会主义新农村建设, 有着重要意义。
1控制系统的硬件组成
系统的硬件结构组成如图1所示。系统由EPCS - 500嵌入式工控机、输入/ 输出节点、CAN总线干燥机温度测量节点、CAN总线水分测量节点、CAN总线开关量节点、CAN总线变频器测控节点、CAN总线热风炉温度测量节点、键盘与鼠标、打印机和显示器构成。控制系统主要由上位机和下位机组成, 上位机由EPCS - 500嵌入式工控机完成现场监控管理部分, 也可以由2个EPCS - 500嵌入式工控机组成上位机冗余系统, 提高其可靠性; 下位机由单片机组成的测控节点完成测控任务。上位机和下位机之间通信采用CAN现场总线[2]。CAN现场总线是德国BOSCH公司为解决汽车上众多控制器和传感器之间的数据交换而开发的一种串行通信网络, 由于其具有精度高且抗干扰能力强、可靠性高、线路少且维修方便、价格低廉、实时性好和易于使用等特点[3], 已广泛应用于工业自动化控制、医疗仪器设备、农业自动化等多个领域, 是公认的、最有前途的现场总线技术之一, CAN总线在没有任何中继情况下的直接通信距离最远可达10km, 速率在5kbps以下, 通信速率最高可达1Mbps, 此时通信距离最长为40m[4], 非常适合分布式控制系统。由此构建的基于现场总线粮食干燥分布式控制系统具有上位机监控界面生动逼真、实时性能好、抗干扰性能强、系统成本低等特点。
1. 1干燥水分测量节点的研究与设计
水分含量是粮食干燥前后的关键指标。粮食含水量的多少不但决定了粮食贮藏的安全性, 也同样制约着诸多粮食加工工艺与流通过程, 粮食干燥前水分检测是粮食水分控制干燥的信息源, 粮食干燥后水分含量是粮食干燥是否完成的保证, 实时动态在线检测粮食含水量是粮食干燥过程自动化和连续化的保证, 分布式粮食水分测量以数据融合提高测量精确度, 具体采用多少水分测量节点视需要而定。电容法结构简单、成本低, 易于实现在线连续测量。因此, 选用电容法对粮食含水率进行检测, 8个圆筒形电容式传感器通过多路转换器CD4051及CAV414连接到单片机P1. 6ADC引脚。电容式粮食水分测量节点系统框图, 如图2所示[5]。
1. 2干燥机内温度测量节点的研究与设计
干燥机监控系统中温湿度测量是主要环节, 温度传感器种类很多, 主要分为模拟温度传感器和数字温度传感器, 模拟温度传感器又有线性好和线性差区别, 不同的传感器有各自的特点。在以往的干燥机内温度测量一般是以热敏电阻作为温度传感器, 其电阻参数分散较大, 存在着很大非线性问题, 测量过程中必须要对每一路传感器信号进行非线性补偿校正。 由此可见, 模拟温度传感器测量系统无论是在系统设计阶段还是在安装调试阶段工作量都很大。
最新数字式温度传感器DS18B20, 本身自带微处理器, 体积非常小, 三端结构, 芯片送出温度信号是处理完的数字信号, 因此省略了A /D转换, 提高了测量效率和精度, 可以在3根线上同时并联多个温度探测点, 使用时一定要注意温度传感器DS18B20的供电方式, 每个分机上可以连接多根电缆, 每根电缆上可以并联几十个点, 构成串行总线工作方式。CAN总线温度传感器节点硬件结构及外部接线示意框图, 如图3所示[6]。
2系统的软件组成
基于现场总线粮食干燥分布式控制系统的软件主要由上位机软件和下位机 ( 又称测控节点) 软件组成。
2. 1上位机的软件
在上位机上利用组态王6. 53设计开发了主界面[7]、各个分界面和下位机通讯等程序。主界面是针对每个粮食干燥机的具体情况而设计的粮食干燥监控示意图。分界面根据需要由某1个粮食干燥工艺或参数组成, 如粮食干燥经过6个烘干段、6个缓苏段和1个冷却段, 也可能是5个烘干段、5个缓苏段和1个冷却段[8], 根据具体情况具体设计, 根本出发点就是实时监测并形象生动表现粮食干燥工艺过程, 准确记录和显示各种参数、粮食干燥湿度实时曲线和历史曲线、粮食干燥温度实时曲线和历史曲线、热风炉炉温和热风管温度实时曲线和历史曲线以及各种数据报表打印界面等。
2. 2下位机 ( 又称测控节点) 的软件
在基于现场总线粮食干燥分布式控制系统中有输入/输出节点、CAN总线干燥机温度测量节点、CAN总线水分测量节点、CAN总线开关量节点、CAN总线变频器测控节点、CAN总线热风炉温度测量节点等CAN总线测控节点。各个节点由于功能不同软件略有差异, 但是每个节点的软件设计都必须有CAN节点的初始化、报文发送和报文接收程序[9]。当然, 如果要将CAN总线应用于通信任务比较复杂的系统中, 还需详细地了解有关CAN总线的错误处理、总线关闭处理、 验收滤波处理、波特率参数设置和自动检测以及CAN总线通信距离和节点数的计算等方面的内容[10]。由于CAN总线节点的软件较多, 不能一一例出, 仅给出CAN总线节点普遍性工作流程框图, 如图4所示。
3结束语
由于基于现场总线粮食干燥分布式控制系统中节点较多, 本文仅给出关键的干燥水分测量节点和干燥机内温度测量节点结构, 其它不再赘述。研究设计表明, 上位机采用EPCS - 500嵌入式工控机本身自有CAN总线接口, 并且体积小巧、通用性好、抗干扰性能强, 利用组态王6. 53开发界面, 使上位机界面设计简单、方便、生动、形象; 下位机采用带CAN总线控制器的单片机作为测控节点, 使下位机造价降低, 并可以根据不同的粮食品质更改控制参数及干燥工艺, 提高我国的粮食干燥技术水平。
摘要：根据目前粮食干燥控制系统存在的问题, 提出了一种基于现场总线粮食干燥分布式控制系统。上位监控计算机采用EPCS-500嵌入式工控机, 利用组态软件开发上位机界面, 下位机采用带CAN总线的P83C591单片机作为各个智能测控节点, 选用电容法对粮食含水率进行检测, 利用单总线数字温度传感器芯片DS18B20测量干燥温度。研究设计表明, 该分布式粮食干燥控制系统控制准确, 控制参数和干燥工艺调整方便, 线路少且维修方便, 精度高且抗干扰能力强, 价格低廉, 能满足了粮食干燥实时测控的要求。
关键词：CAN总线,粮食干燥,分布式,控制
参考文献
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分布式现场总线 篇2
随着城市规模的不断扩大和城市工业的高速发展, 城市用水量急剧增长。另一方面, 随着人们生活改善, 对水质的要求越来越高, 更希望自来水可以直接饮用。某水厂建于80年代, 经过多次建设, 现有供水规模为32×104 m3/d, 有3个车间使用国外早期的监控系统, 具有一定的自动化水平, 当前需要进行新一轮的扩 (改) 建, 并引入先进的工艺和设备, 以满足城市对供水量和水质的要求。扩建规模20×104 m3/d, 使其供水规模达到52×104 m3/d, 工程内容主要包括五个车间和两个清水池, 五个车间分别为配水泵房车间、V型滤池车间、预处理车间、加药车间、污泥处理车间。扩 (改) 建完成后水厂工艺流程如图1所示。
该厂原有三个车间使用的监控系统为国外早期产品, 由于采用了两种不同的工控产品, 并且通信网络落后、系统扩展性差、数据传输慢、维护成本高本文结合该厂扩 (改) 建对监控系统的建设需要, 介绍该厂分布式监控系统的集成设计方案、硬件配置和软件设计。
2 控制要求
老厂已建的三个子车间, 送水泵房和普通快滤池两个车间的底层控制器采用了日本三菱A系列PLC和FX系列PLC;V型滤池车间底层控制器采用了ABB公司的MODCELL PLC, 车间级监控平台采用澳洲CiT公司的Citect系统。上位机系统为澳大利亚LOGICA公司的MOSAIC系统, 这是一个运行在UNIX/Windows NT下的大型监控平台软件, 通过内部的SQL数据库来记录系统的有关数据和控制指令事件。
厂方要求, 为减少重复投资, 新厂监控系统和老厂监控系统要能够相互集成, 实现对全厂生产现场设备的状态 (设备的开、停、故障报警, 阀门的开、关、到位等) 、设备和仪表读数值 (泵电机电流、泵出口压力、流量计的流量读数、水质在线检测仪检测值等) 进行采集, 向设备发出控制指令 (设备开、停控制, 阀门开、关控制等) 和发出参数值指令 (变频器输出频率给定值、滤池出水调节阀开度等) , 同时还要与地方水务集团生产调度中心 (监控平台为澳洲LOGICA公司的MOSAIC系统) 实现双向数据通信。使扩 (改) 建后的新厂成为具有先进生产设施和较高自动化水平的现代化水厂。
3 系统组成及硬件结构
3.1 系统组成
本监控系统采用了西门子公司的中型PLC——S7-300系列PLC作为底层硬件, 该系列PLC是西门子公司为中大型应用场合 (I/O点数达65 536) 而设计的, 采用模块化设计, 可与其它的功能模块进行灵活的组合和扩展, 控制器内集成了Profibus-DP和RS422/RS485等多种通信接口, 可方便地与其它智能仪表和设备进行通信, 可加配SIMATIC内存卡以满足数据存储需要。监控中心采用功能完善、运行可靠的美国通用电气公司的 iFIX 3.0作监控软件。网络结构使用基于TCP/IP协议的光纤以太网 (监控中心系统和各车间子站之间) 和基于Profibus协议的工业现场总线网 (车间站内PLC之间、PLC与智能设备如变频器、智能仪表等之间) 。监控系统组成及网络结构如图2所示。
3.2 控制子站的硬件设计
根据集散控制系统集中管理、分散控制的特点, 在扩 (改) 建的5个生产车间设置监控子站, 各子站选用CPU315-2DP作为控制器, 配备通讯模块CP343-1。CPU 315/315-2DP 具有中到大规模程序容量, 可直接连接到Profibus网络作为分布式控制的单元;CP343-1为标准工业以太网处理器, 自动适应10 M/100 M的网络传输, 它的作用是把S7-300 PLC连接到Profibus网络, 并进行独立的通讯处理, 减轻主CPU的负担, 提高通讯的效率和可靠性。考虑到虑池车间各个滤格需要监控的设备和参数少、数据处理量不大, 选用CPU226作为控制器, 并通过通讯模块EM277连接Profibus网络。各子站配备西门子MP370 12寸或TP170B 6寸触摸屏作为HMI操作界面, 完成对各车间站内所有仪表设备的的现场操控, 同时为上位机提供数据备份, 使系统具备远程/就地、自动/手动的控制方式。
各子站根据需要扩展数字量输入模块SM321、数字量输出模块SM322、模拟量输入模块SM331、模拟量输出模块SM332。若模块数多于8个, 可通过接口模块IM360/361进行扩展, IM360/361连接的机架最远距离为10 m, 最多可扩展4个机架、32个模块。下面以配水泵房车间为例说明各子站的硬件配置和结构图, 如图3所示, S7-300 PLC通过Profibus-DP总线与远程变频器相连, 采用轮询的方式进行通讯;通过串口通信模块CP341和RS 485总线与相距较近的温度巡检仪、智能综保器等智能仪表相连, 采用Modbus协议进行通讯[1,2]。
3.3 监控集成方案
老厂已建成的三个自控系统的车间子站, 由于已具备了完善的监控功能, 因此仅需将三个车间子站与监控中心进行通信集成即可。具体解决方案为:在老厂配水泵房子站和普通快滤池子站, 将车间内主PLC控制器——三菱A系列 PLC配置以太网模块, 实现与新监控系统的联网;老厂V型滤池控制系统, 采用“ABB PLC + 监控计算机 (运行Citect软件) ”的结构, 该监控计算机已运行多年, 功能无法满足现在监控要求, 为此, 用带以太网接口的PC机进行升级, 用OPC方式实现该子站与监控中心的通信。在监控中心系统, 参照老厂原有的监控操作界面, 在iFIX上组态生成上述三个车间子站新的监控操作界面, 从而实现新老系统的监控集成。
原有上位机系统不再作为上位机监控服务器, 其监控任务将全部转移到新的监控中心iFIX服务器上, 由于运行与水务集团调度系统相同的MOSAIC系统, 可以通过广域网 (IP城域网) 进行内部的数据交换, 所以用作与水务集团调度系统的通信服务器, 从而实现监控系统与水务集团的通信集成。
4 配水泵的节能优化控制方案
据统计, 在自来水的制水成本中, 动力费用约占50%, 因此要降低成本、提高经济效益, 必须提高机泵设备的运行效率。本系统的配水泵房车间配置5台型号规格一样的大型离心泵, 其中3台调速泵和2台定速泵, 采取并联的组合运行方式, 为使并联后的水泵运行满足供水指标要求, 确保调速泵运行在最佳工作区, 并使耗能最省, 开发水泵能耗控制管理子系统[4,5]。
水泵能耗控制管理子系统根据对未来3 ～ 4天内给定时间段的用水量 (Qz) 和出口扬程 (He) 的预测, 采取以耗能最少为目标的最优控制策略, 对泵组进行最佳搭配, 自动调节调速泵的速度。本系统中对泵组的节能控制基于以下的数学模型实现[6,7,8]。
(1) 目标函数。
undefined
式中:Nmin, Nj, M——某一工况下的最小能耗、第 j 台水泵的轴功率和水泵总台数;ωj——运行状态因子, 表示第 j 台泵的工作状态, 状态 1 表示工作, 状态 0 表示不工作。
(2) 系统状态方程组。
由水泵的扬程、功率、效率和流量之间的关系, 即水泵特性曲线方程可得:
Hj=aj-bjQundefined (2)
undefined
undefined
式 (2) ～ 式 (4) 中:Qj, Hj——第j台水泵的工作流量、第j台水泵的扬程;aj, bj, Kmj , Kfj , Kzj , Kvj——第j台水泵的拟合系数, 通过实验测定, Kmj近似满足undefined的关系;nj——第j台水泵的转速;ρ, g, ηj——液体密度、自由落体加速度和第j台水泵的效率。
水泵工作点必须沿管路特性曲线移动, 管路特性曲线方程为:
Hj=Aj+KjQundefined (5)
式中:Aj, Kj——第j台水泵的管道特征曲线系数。
水泵转速由n1改变为n2时, 根据离心泵的比例定律可得:
undefined
undefined
undefined
(3) 运行约束条件。
约束条件的建立主要依据以下几个方面的因素, 并联运行的M台水泵要满足供水指标 (Qz、He) 要求, 即总出口扬程应与He相等, 总流量与Qz相等;水泵应运行在高效区附近, 此时其轴功率才会最小;为保证安全运行和比例定律公式的适用, 调速泵转速不能过高也不能过低, 应约束调速比的上下限[10,11]。由此可得下面约束条件式子:
undefined
H1=H2=···=HM=He (10)
ηmax≥ηj≥ηmin (11)
kmax≥kj≥kmin (12)
式 (11) 、式 (12) 中:ηmin, ηmax——水泵高效区左右临界条件;kj——第 j 台水泵的工作转速和额定转速之比。
除上述约束条件以外, 在实际运行中, 还要考虑最不利用水点要求的水压值、吸水井水位变化值、清水池水位变化值等因素的要求。通过求解上述方程, 求得定速泵和调速泵最佳台数组合和调速泵的最佳调速比, 经由生产监控系统控制泵组的启停和调节调速泵的变频器频率, 从而实现水泵能耗最低。
5 系统软件设计
5.1 下位机软件设计
下位机采用SIMATIC公司的STEP7进行软件编程, 根据PLC循环扫描的工作原理将复杂的自动化任务分解成可以反复使用的小任务, 采用梯形图法编制相应的控制程序来执行。程序运行时所需的大量数据和变量存储在数据块中, 通过组织块 (OB) 、功能块 (FB、FC) 、系统功能块 (SFB、SFC) 、数字块 (DB) 等模块之间的调用, 实现系统的数据采集、过程控制和保护等复杂的控制算法。根据现场设备及工艺流程的特点以及监控中心的远程指令, 对液位、流量、压力等模拟量信号编写采样子程序、滤波子程序、量程转换子程序;对现场的电机、调节阀以及变频器等, 根据其控制要求分别编写不同的控制子程序;根据需要编写自动/手动无扰切换和失电保护程序。以配水泵的控制为例, 控制程序流程如图4所示[2,12]。
5.2 监控中心软件设计
中心监控系统完成对整个水厂监控数据处理、报警、历史数据保存和分析、数据WEB处理、优化调度及水厂信息管理应用等功能, 并将数据以友好的图形界面提供给用户, 实现本地数据的备份以及生产数据的存储和共享。由SCADA模块、历史数据存储和接口模块、报警处理模块、WEB处理模块、客户端终端服务处理模块、通讯处理模块以及对外数据接口处理模块组成。其中, SCADA模块是整个中心站系统的核心软件, 采集水厂各个监控子站的实时生产数据, 生成实时数据库, 建立整个水厂的SCADA数据服务器。各模块软件的设计和实现使用的软件平台主要有iFIX 3.0、ASP.NET和SQL SERVER。iFIX具有强大的SCADA功能, 利用其强大的画面开发功能以及对VBA的支持, 可开发出符合用户操作习惯的监控界面[13,14,15]。图5所示为基于iFIX 3.0实现的监控运行界面。
6 结束语
分布式现场总线 篇3
关键词：分布式仿真,通信软件总线,软件复用
1 引言
分布式仿真系统需要由多台计算机协同完成仿真任务,仿真节点间的通信是关键问题之一。通常的“点点”通信方式,如果系统内有n个仿真程序需要通信,在极端情况下,需要有n(n-1)条逻辑通信链路。这种通信方式的不足之处在于通信链路多,数据拥塞,浪费网络带宽,造成通信效率下降;仿真程序紧密藕合,每一个仿真程序都需要知道与之通信的其它仿真程序的存在;通信方式不规范, 当系统内增加需要通信的仿真程序时,会导致对已存在的仿真程序通信代码的修改;通信数据分散,造成通信数据监控困难,不便于系统开发时的调式和系统运营后的状态监控。本文采用软件总线方法解决这些通讯问题。
2 通信总体结构
如图1所示是采用通信软件总线的分布式仿真系统的通信逻辑结构。分布式仿真系统由若干仿真节点和一个总线节点构成,各仿真节点和总线节点通过以太网络相联。仿真节点运行仿真程序,仿真程序是完成具体仿真任务或硬件驱动任务的程序。总线节点运行一个通信管理程序(以下称通信软件总线),该程序协调各仿真程序之间的通信。各仿真程序不能直接而是必须经过通信软件总线进行通信。各仿真程序向通信软件总线发送数据而不必关心这些数据发向哪个仿真程序,只需接收通信软件总线的数据而不必关心这些数据来自哪个仿真程序,数据的路由完全由通信软件总线根据外部配置文件确定,如图2所示,从而实现了各仿真程序间的通信解耦。总线节点(计算机)可配置一块或多块以太网网卡, 具体网卡数量根据具体仿真系统的通信节点数、通信流量和实时性的要求具体决定。
3 通信软件总线组成
通信软件总线由五个模块和两个外部配置文件组成,如图2所示。五个模块为外部配置解析模块、数据接收模块、数据发送模块、数据整合模块、数据监控模块;两个外部配置文件为数据包配置文件、通信路由配置文件。数据包配置文件用于定义通信数据包的结构、数据包之间的赋值关系;通信路由配置文件用于定义通信接入端口,通信发送路由。
数据包配置文件、通信路由配置文件存储于总线节点(计算机)硬磁盘上,将其从通信软件总线程序中分离出来,而不是与通信软件总线程序二为一,是为了实现通信软件总线的通用性问题。这两个配置文件为文本文件,可用任何一种文本编辑工具对其进行修改,如果需要产生一个新分布式仿真系统的通信系统,只要在这两个配置文件中填入新的内容即可,而通信软件总线程序不需做任何改变,可大大提高通信系统开发效率。
4 外部配置文件
4.1 数据包配置文件
数据包配置文件用于定义通信数据包的结构、数据包之间的赋值关系,其定义格式:
数据包配置文件:数据包列表数据包赋值列表;
数据包:struct数据包名{数据成员列表};
数据成员:成员类型成员名;
成员类型:float|double|char|short|int|long|
unsigned char| unsigned short| unsigned int|unsigned long|数据包名;
成员名:标识符|成员名[正整数];
数据包赋值:数据包名::成员标识符 = 数据包名::成员标识符;
成员标识符:标识符|成员标识符[非负整数]。
4.2 通信路由配置文件
通信路由配置文件用于定义通信接入端口,通信发送路由,其定义格式:
通信路由配置文件: 通信接入端口配置通信发送路由配置;
通信接入端 口配置 :[LinkIn Ports]= {接入端口列表};
通信发送路由配置:[Send Links]={发送路由列表};
接入端口:<packet= 数据包名,ip=IP地址, port= 端口号 >;
发送路由:<packet= 数据包名,
ip(from)=IP地址 , port(from )= 端口号 ,ip(to)=IP地址, port(to )= 端口号 >。
5 通信软件总线算法
外部配置解析模块解析数据包配置文件,在内存中建立通信数据包的结构(以下简称数据包结构)、数据包之间的赋值关系(以下简称赋值关系)、数据包存储区;外部配置解析模块还解析通信路由配置文件,在内存中建立通信接入端口(以下简称接入端口)、通信发送路由(以下简称发送路由);
数据接收模块按接入端口接收网络数据,存于数据包存储区;
数据整合模块按赋值关系对数据包存储区进行赋值操作,达到数据包整合目标;
数据发送模块按发送路由发送数据包存储区中的数据包;
数据监控模块按数据包结构显示数据包存储区,用于系统开发时的调试和系统运营时的状态监控;
通信软件总线完成通信的主要分为几个步骤。
步骤1(系统初始化):通信软件总线的外部配置解析模块解析外部配置文件的数据包配置文件,在内存中建立数据包结构、赋值关系、数据包存储区;外部配置解析模块还解析外部配置文件的通信路由配置文件,在内存中建立接入端口、发送路由。
步骤2(发送数据包):仿真程序以UDP协议经以太网络分别向通信软件总线发送数据包。
步骤3(接收数据包):通信软件总线的数据接收模块根据接入端口接收新的数据包存于数据包存储区。
步骤4(形成新的数据包):通信软件总线的数据整合模块根据赋值关系对接收到的已存入数据包存储区的数据包进行整合,形成新的数据包。
步骤5(发送新的数据包):通信软件总线的数据发送模块以UDP协议经经以太网络, 按发送路由向第一仿真程序发送新的数据包。
步骤6(显示数据包存储区):通信软件总线的的数据监控模块根据数据包结构显示数据包存储区,用于系统开发时的调试和系统运营时的状态监控。
步骤7(循环控制):继续通信,转步骤2;否则,转步骤8;
步骤8:通信结束。
6 结束语
分布式现场总线 篇4
1 系统结构的设计
1.1 CAN总线
主要是一些支持实时控制的串行通信局域网络的总线, 而且对消防报警系统的应用是非常合适的。它主要有如下几种特点:
(1) 节点可以分成不同的有线等级, 对不同的要求能够实时的满足;
(2) 能够组成对等的网络, 任何一个节点无论在什么时候都可以跟网络上的另外的节点主动的发送数据;
(3) 采用的是非破坏性的总线仲裁;
(4) 通信的最远距离能够达到10千米, 最高的速率能够达到1Mbps;
(5) CAN节点如果发生了严重的错误, 能够自动的跟总线切断联系, 这样能够使其它的操作不受影响;
(6) 每帧数据里面都有循环冗余的校对, 因而数据的出错率就会比较低。
1.2 分布式的结构
本系统所运用的设计主要是模块化结构, 是按照建筑物的特定需求以及规模, 进行相应功能模块的增减。主控制器可以直接的对一些消防报警设备进行一定规模的控制, 而且还可以利用区域的控制器进行一定的扩展, 在没有运用通讯中继器的情况下, 扩展的最远距离能够达到1500米。系统体系的结构如下图1所示:
1.3 主控制器的设计
主控制器主要是对系统里的所有节点以及设备的事件控制与数据管理负责, 能够实现跟数据管理的软件和监控中心之间的数据通信, 它是整个系统的核心内容。它的任务就是在线监控各个节点和分析处理各个节点所返回的信息, 并且能够对节点发出一些控制命令。主控制器还配备了LCD显示器、打印机以及声光报警装置等, 在接收其它的节点发送出来的动作信息和报警之后, 对其进行逻辑性的判断以及处理, 最后在彩色LCD上显示出来。
1.4 报警联动的设计
系统主要是在对报警信息进行处理的时候, 也能够同时对联动设备的动作进行控制。在处理联动上, 主要是引入了一个联动矩阵的概念, 当系统在发生报警之后, 如果控制器是在“自动”的状态下, 那么控制器就会自动地对联动控制完成输出。
整个系统的历史信息以及设备的配置数据等都是存放在主控制器里的。
2 CAN网络节点的设计
2.1 控制器的节点设计
mcf5282是集成v2核的32位微处理器, 它的最高频率能够达到66兆赫兹。内部所集成的CAN控制器主要是由CAN内核、控制寄存器、消息RAM以及消息处理单元所组成。mcf5282内部控制器的结构如图2所示:
2.2 回路卡CAN的节点
回路卡主要是对198个模块与探测器的控制以及处理负责的, 它的指标性能对整个系统的反应速度有着一定程度上的影响。它的处理器的主频能够达到40兆赫兹, 而且内部集成了CAN节点, 运用的是TJA1050高速CAN收发器。其芯片具有能够在没有电的情况下对总线不产生影响、电磁辐射低以及防短路等特点, 而且可以选择静音和高速两种模式。要增强CAN节点的抗干扰能力, 可以把CAN的引脚跟总线的收发器连起来, 这样做能够在各个节点之间实现电气隔离。
3 CAN通信系统的数据协议
3.1 系统CAN的通信控制的协议
控制器的节点主要采用的是Flex can协议, 而其它的节点主要采用的则是Pelican协议。控制器和扩展箱的节点在通讯的时候主要采用的是扩展帧格式, 其标识符是29位;其它的节点在通讯的时候主要采用的则是标准帧格式, 其标识符是11位。
对于在通信时所存在的某些数据丢失的问题, 本设计主要提出了一些通信协议, 其定义的规则如下:
(1) 计时处理的规则:就是发出数据包以后就开始计时;
(2) 过期作废的规则:就是指旧的数据还在, 但是被新的数据取而代之;
(3) 重新发送的规则:就是指超时没有回复的或者是回复有差异的, 都可以重新发送;
(4) 数据回复的优先规则:就是指回复可以优先处理的。以上这些规则都能够很好地解决数据丢失的问题。
3.2 令牌环的协议
跟控制器有着频繁交换信息的节点, 可以利用令牌环协议。就是指令牌携带的控制数据, 是由控制器发送出来的, 然后再按照系统里的节点顺序进行依次传递。在收到令牌以后, 节点再根据已经约定好的优先等级把这些数据包全都发回给控制器。
4 系统的软件设计
系统的主控制器的软件主要是在Metrowerks Codewarrior开发环境中开发的。为了能够把mcf5282的性能充分地发挥出来, 可以在控制器里运用实时的操作系统, 可以把其应用分解成多任务, 从而提高系统的可靠性、实时性以及稳定性, 并且把系统软件的设计应用进行一些简化。
运用了实时的操作系统以后, 系统中的任务结构基本上是呈现出多任务以及外加中断处理的结构。系统的软件主要运用的是模块化的设计方法。结构如图3所示:
系统被初始化以后, 即进入到了多任务的一个处理状态。其任务可以分成LCD刷新、导航键盘扫描、键盘扫描及其菜单操作、火警、故障等一些事件的打印、探测器的实时数据的查询以及联动操作的扫描。而且用中断机制处理的内容主要包括UART通信任务、电源的监视和管理、CAN通信以及QSPI通信。
5 结束语
分布式现场总线 篇5
相对于传统的柴油发电机,变速集成发电机(variable-speed-integrated-generator set,VSIG)具有体积小、效率高、对柴油机速度范围利用充分等优点,得到了越来越多的研究和应用[1,2]。
为减少对作业地的噪声污染,一般柴油发电机距离用户有一定的距离。由柴油发电机构成的多机供电是一个复杂的系统,为了方便对机组的统一管理、保证供电安全,需要对油门调速机构、输出电能等进行监测和调控。可用于分布式监控系统的总线类型很多,并各具特点。其中CAN总线通信技术与同类技术相比,在可靠性、实时性和灵活性方面具有独特的技术优势,被列入ISO国际标准,并成为现场数据通信的主流技术[3,4]。
本文针对VSIG远程监控的需求,设计了一种综合电子调速控制器,并以此为基础构建了分布式VSIG调速监控系统,实现了对柴油发电机组的远程统一监控管理,提高了系统的工作效率和自动化程度,为进一步的深入研究和工程应用提供了技术基础。
2 VISG系统结构
本文涉及的变速集成柴油发电机的结构如图1所示。柴油机作为原动机带动永磁同步发电机旋转,永磁同步发电机发出幅值和频率变化的交流电压,并送入逆变器中,逆变器通过电能变换产生幅值和频率符合指标要求的交流电。逆变器输出的电压和电流通过传感器的检测,一方面用来监测输出的电能质量;另一方面,用来确定相应的目标转速。工作时,调速器除了检测柴油机的转速外,还通过相应的传感器监测机油油压,燃油油量,工作环境温度,并通过RS485总线检测逆变器工作状态,以便提供完备的工作状态检测和故障保护。
与传统的柴油发电机不同,变速集成发电机可在宽运行速度范围内变速运行,运行速度的变化会影响输出电压的幅值和频率,为保证输出电压和频率的稳定,引入逆变器作为永磁同步发电机与负载的连接环节,本文采用分压电容式三相逆变结构[5,6],其结构如图2所示。逆变单元控制器实时检测逆变器输出端的电压、电流和频率,依据输出电压、输出电流和给定值之间的误差形成对逆变开关的双闭环控制。为了提高输出电能的质量,在输出端增加了一个EMI环节。此外,逆变单元控制器还通过RS485总线,将本模块的工作参数及状态信息实时传递给调速控制器,以保证调速控制器能对系统进行有效、完备的监控。
3 系统设计
3.1 系统总体结构设计
分布式VSIG监控系统结构如图3所示。系统主要由监控机、CAN网络及VSIG单元组成。
监控机通过CAN数据通信卡与各VSIG单元内部的调速控制器连接,构成CAN通讯网络,VSIG单元采用菊花链连接方式进行组网。
监控机主要用于实时监测各VSIG单元的运行转速、电能输出状况、故障状态信息等,并可根据实际工况控制各VSIG单元停机、怠速运行、定速运行、变速运行,并可以实时调整目标指令。
3.2 VSIG单元调速控制器设计
VSIG单元调速控制器设计如图4所示。控制器通过检测VSIG的转速与目标转速的误差,驱动作为油门调节执行机构的步进电机,调节柴油机的供油量,从而改变VSIG的转速。此外,单元控制器还具有系统工作参数监测、本地面板输入及显示、远程通信等功能。系统工作参数的监测主要是对保证系统正常运行的参数进行检测,如机油压力、燃油油量、工作温度、逆变器的工作状态等;本地控制输入主要接收控制面板的启动、停机等指令输入;显示功能是将相关运行信息显示于本地显示面板;远程通信功能即将本机的运行信息通过CAN总线传送到监控中心,并接受监控中心的相关控制指令。
3.3 CAN通信网络设计
VSIG分布式调速监控系统设计的核心内容之一是CAN通信网络的构建。本系统的CAN通信网络设计为总线结构,连接方式如图5所示。主控机作为一个终端,其中一个VSIG单元为另一个终端,其余VSIG单元作为节点以菊花链方式接入总线。
上位机CAN通信功能通过采用具有PCI接口的CAN通信适配卡实现,由于PC机性能高,运行速度快,可以对整个分布式系统进行实时监测和控制,并可以建立运行数据库,对运行数据进行保存。此外,PC机的可扩展性好,可以通过无线、以太网等方式与远程控制端进行数据交换。
VSIG单元控制器通过CAN接口模块接入CAN总线,模块电路的具体设计如图6所示。
CAN收发器PCA82C250的原边与微控制器的CAN模块接口相连,副边接入CAN总线中。由于PCA82C250的RS管脚用于选择工作模式(高速模式、斜率模式、准备模式)并确定通讯速率,本系统综合考虑实际工作现场对通讯速度和通信可靠性的要求,通过试验确定R5的阻值为20 kΩ,使收发器工作于斜率控制模式。此外为了增强通讯的可靠性,系统在CAN总线驱动器PCA82C250的原边加入了限流保护电阻R3,R4。
由于ds PIC30F4012的内置CAN模块与其程序下载管脚PGC复用一个管脚,因此在设计时采用跳线连接件CON进行连接。在程序在线调试及下载时,将CON断开,以保证程序调试及下载功能;在系统正常运行时,将CON进行短接以保证PCA82C250与控制器的正常通讯。
3.4 系统软件设计
整个VSIG分散控制系统的软件分为上位机监控软件及VSIG单元调速控制器软件。
3.4.1 VSIG单元调速控制软件设计
VSIG单元调速控制器软件主要完成VSIG发电机单元的调速控制,逆变器工作状态监测,相关传感器信息检测,输出电量检测及控制,本地控制面板输入,本地显示屏信息输出,CAN通信等,包括主函数、捕获中断函数、PWM中断函数、定时器中断函数、CAN接收中断函数、UART(RS485)接收中断函数等。其软件主要模块流程图如图7所示。
3.4.2 系统监控软件设计
系统上位机监控软件采用LABWINDOWS CVI为开发软件进行编制,它是NI公司开发的以标准C语言为基础面向测控领域的软件开发平台,它的交互式编程方式、丰富的功能面板和库函数大大增强了C语言的功能,并且包含了GBIP,RS232,VXI,PCI等总线类型的数据采集和分析库等[7,8]。
监控软件设计主要包括界面设计和C程序设计两方面内容。用户界面设计主要是根据系统功能要求和用户使用需求对控件的一种布局设计;C程序设计是整个程序的核心内容,主要完成以下功能:一是对单元控制器控制参数设置,以实现分布式VSIG调速控制的实时设置;二是实现各VSIG有关运行参数的实时采集并进行显示和存储。上位机按功能划分为通讯监控、设备运行监控、监控数据管理3部分,其结构如图8所示。
4 系统实验
为了验证分布式VSIG系统的功能和性能,由4台VSIG组成了分布式发电机网络。VSIG中的柴油机标定转速nN=3 200 r/min,标定功率PN=3 k W,运行阶段的速度范围为2 250~3 200r/min。设定CAN通讯网络的通信传输速度为500 kb/s。
单台VSIG运行时,上位机监控软件界面如图9所示。1#VSIG启动后进入定速运行模式下的空载曲线图见图9。其中横轴为软件运行时间,纵轴为VSIG的实时运行转速。此时单元VSIG调速器的控制参数由远程监控机进行调节。由试验曲线可以看出,1#VSIG启动过程速度快,过冲小,调节阶段时间短,空载稳定转速误差小,启动性能良好。
4台VSIG同时运行的远程调速监控曲线如图10所示。实验工况如下:1#VSIG处于变速运行模式下,对其突加载和突卸除150%的阻感负载;2#VSIG处于定速运行模式,对其突加载和突卸除120%的阻感负载;3#VSIG处于定速运行模式下的空载状态;4#VSIG处于变速运行模式,对其连续突加阻感负载和连续卸除负载。
对实验曲线及实验数据进行分析后,可得出表1所示结果。
由实验数据和实验波形可见,分布式VSIG在不同工作模式下,不同工况下,对负载的变化响应速度快,转速调节过程平滑,调节时间短,具有良好的稳态和动态调速特性。分布式VSIG可在上位机监控软件的控制下,实现工作模式、调速参数等内容的实时调整,并可监控各VSIG的工作状态。
5 结论
本文根据VSIG对远程监控的需求,提出了一种基于CAN总线的分布式VSIG的监控系统,并根据系统需求,设计了相应的单元VSIG的调速控制器及相关应用软件。单元VSIG调速控制器功能齐全,可实现对VSIG的故障检测和保护、本地调速控制、远程通信等功能。整个分布式调速监控系统结构简单、易于实现、扩展性好,实时性高。系统实验证明本文研制的单元调速控制器可靠性高,调速性能好,功能较全;构建的分布式VSIG监控系统通信可靠,实时性好,能够实现多机组的统一监控管理,具有广阔的工程应用前景。
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分布式现场总线 篇6
为了保证大型机械设备的正常运行和延长其使用寿命,需要配置润滑系统为各个润滑点定期提供润滑油或润滑脂。传统的集中润滑系统包括双线式润滑系统和递进式润滑系统。双线式润滑系统采用多个分配器以并联方式连接在主供油管路上,各润滑点的供油量可以通过调节分配器供油活塞的限位螺母实现,差压开关可以检测系统是否存在漏油故障,但是双线式润滑系统不能检测某个润滑点出现的堵塞故障。递进式润滑系统采用单线供油,供油动作按顺序进行,系统结构简单、维护量小,但一个润滑点出现故障将造成整个润滑系统瘫痪[1,2]。因此,传统的集中润滑系统不能保证每一个润滑点都能得到合理的润滑。采用分布式集中润滑系统可以有效地克服传统的集中润滑系统存在的问题。在分布式集中润滑系统中,上位机通过通信总线与各个供油终端组成分布式网络,供油终端根据主控制柜发出的指令完成润滑、现场参数检测等任务。
在钢铁、冶金、电力等企业,大型机械设备多,需要的供油终端数量多、分布位置跨度大、工作环境干扰严重,对润滑系统的通信节点数、传输距离和可靠性提出了较高的要求。RS485总线通信具有结构简单、价格低廉、通信距离和传输速率适当等特点,因而被广泛应用于工业控制及测量领域[3]。
本文将从通信协议制定、硬件设计、软件设计等方面讨论RS485总线在分布式集中润滑系统中的应用。
1 分布式集中润滑系统的总体结构
分布式集中润滑系统由监控主机、主控制柜、供油终端、润滑泵等组成,结构简单,易于扩展,可以真正实现逐点供油与逐点检测功能。该系统总体结构如图1所示。
监控主机采用工控机,运行组态控制软件,具有参数设置、润滑调度、实时监控、故障处理等功能。主控制柜采用PLC作为控制器, 全面协调系统各个部分的工作,具有运行控制、检修、工况查询等功能。主控制柜通过RS485总线与各个供油终端构成分布式网络。供油终端采用单片机作为控制核心,其结构如图2所示。
供油终端可以控制若干个继电器的通断,从而控制供油电磁阀的开闭或润滑泵的启停;根据主控制柜发出的润滑指令对所辖的润滑点进行润滑,同时还要检测流量、压力、温度等参数;设置有人机接口,用于设定润滑点的编号和显示润滑点的工作状况;所有供油终端下的润滑点采用统一编号,主控制柜可以不受限制地控制任何一个、一组、一段或者全部的润滑点(为了保存编号等设定的参数,系统要扩展EEPROM存储器)。供油终端承担了大部分的现场测控任务,减轻了主控制柜的这算负担,提高了系统的可靠性。2台电动高压润滑泵作为特殊润滑点接于供油终端上,其中一台备用。主控制柜通过供油终端获取油压信号,当油压正常时才能发送润滑指令。实际运行中,一个供油终端下的润滑点不会同时工作,因此,在供油终端的进油口装设一个流量传感器便可实现定量润滑功能。准确的流量信息为检测漏油、堵管故障提供了条件。
2 RS485总线接口的硬件设计
供油终端的RS485总线接口电路如图3所示。
图3中,接口芯片采用TI公司生产的SN65LBC184,该芯片内置高能量瞬变噪声保护装置,能够承受峰值为400 W的过压瞬变,可抵抗雷电冲击和高达8 kV的静电放电冲击;输入端开路时提供高电平输出失效保护;接收器输入电阻高,允许在总线上挂接128个类似器件[4];自然通风条件下的工作温度为-40~85 ℃,完全满足润滑系统要求。为了提高抗干扰能力,单片机控制口通过光耦与SN65LBC184相连。单片机I/O口P3.6输出高电平时选中DE端,允许发送,输出低电平时选中RE端,允许接收。由于51单片机复位时各I/O口输出高电平,这种反逻辑驱动使SN65LBC184在系统异常复位时始终处于接收状态,避免了各供油终端同时向总线发送数据而引起的总线冲突问题。供油终端控制电路中还配置了看门狗芯片MAX813L,当供油终端控制程序出现故障不能及时对MAX813L的WDI端口(6脚)进行“喂狗”操作时,单片机被硬件复位,SN65LBC184转入接收状态,交出总线控制权。单片机的RxD(P3.0)、TxD(P3.1)也通过光耦与SN65LBC184的RO、DI端相连。为了减少由于总线不匹配引起的反射,在传输线的末端应接一个匹配电阻(双绞线选择120 Ω),即在主控制柜中PLC的串口输出端并联接入120 Ω电阻。某一供油终端的接口芯片如被击穿短路,将造成其它供油终端无法通信,为此,在SN65LBC184的2个输出端各串联了1个20 Ω电阻。RS485标准规定接收器门限电压为±200 mV,当总线空闲时,AB端之间的电压在±200 mV 中间,接收器输出状态不确定,容易受干扰信号的影响。如果接收器的输出为0 V,网络中从机将其解释为通信的起始信号0,错误地接收一些数据。为此,在+5 V电源、A端、B端和电源地之间接入3个10 kΩ电阻, 当总线空闲时,A端电平为3.2 V左右,B端电平为1.6 V左右,在干扰信号的作用下很难产生串行通信的起始信号0,可增强总线的抗干扰能力[5,6]。
3 通信协议构建
(1) 通信方式
该分布式集中润滑系统以基于PLC的主控制柜为主站、各供油终端为从站,通信链路的建立与解除均由主站发出的信息帧控制,即采用主从结构的半双工通信方式。供油终端根据主控制柜的润滑指令可永久、定时或定量打开本终端内的任意润滑点,还可响应主控制柜的状态读取指令上传开关状态、压力、温度等信息。
(2) 传输时序要求
为了保证分布式集中润滑系统安全可靠运行,对通信的传输时序有特殊要求:每次通信均由主站发起,被请求的从站根据命令帧中控制码的要求做出响应;波特率采用9.6 kbit/s;字节之间的停顿时间应小于5 ms,主站发送的信息包间隔应大于400 ms, 如果主站发完信息后300 ms内从站没有响应,则认为本次通信失败;当没有工作指令时,主站应周期性地向从站发送“喂狗”指令,通信总线如果在1.5 s内没有出现通信指令,从站认为主站出现故障,将复位所有正在进行的控制任务。
(3) 信息格式与差错控制
信息包为传送信息的基本单元,其组成如表1所示,由预同步字和信息帧组成。约定主站发送信息包的预同步字为0x35,个数不限,从站发送信息包的预同步字为0x53,个数为3个。主站和从站发送的帧均为11 B的定长帧,依次为帧头(1 B)、控制字(1 B)、数据域(8 B)和检验码(1 B)。数据域的前4 B为润滑点的起始编号和结束编号,后4 B根据控制字不同而取不同的数值。校验码为帧头到数据域之间10 B的算术和,不计溢出值。
根据现场机械设备的润滑需求,制定了完备的润滑方案,主站与从站的控制字约定如表2所示(其中从站的前5个控制字(0x01~0x00)为回复主站读命令)。串口工作于方式3,字符帧由11位组成,包括1个起始位(0)、8个数据位、1个偶校验位和1个停止位(1)。
润滑点编号设定范围为0000~9999,每个从站的起始地址可以任意设置,但必须连续编号。数据域中的润滑点编号为16进制,如要对2001~2005号润滑点进行操作,数据域的前4 B应为0x07、0xD1、0x07、0xD5。一组润滑点的编号可以是跨终端的,为避免总线冲突,只有起始点所在从站负责对主站进行回复。主站对从站的请求指令(如检修开始、检修结束)不回复,从站对主站的通信喂狗指令不回复。从站检测到偶校验出错或累加校验和出错时,均放弃该帧信息并不予响应。主站未接收到应有的回复信息或接收到的信息出现错误,应重新发送指令。
4 通信程序设计
该分布式集中润滑系统的通信程序包括2个部分:PLC主站通信程序和供油终端通信程序,这里只讨论供油终端通信程序的设计。根据供油终端的运行特点,单片机串口采用中断方式接收数据,查询方式发送数据。为方便编程,建立数据接收缓冲区和数据发送缓冲区,各为10 B(不包含帧头)。供油终端通信程序主要的子程序包括串口接收中断服务程序、帧数据发送程序、单字节发送程序。
串口接收中断服务程序流程如图4所示。该程序中设有2个标志位:帧接收状态标志S_R (1表示已进入帧接收,0表示未开始帧接收),帧接收结束标志S_Over(1表示帧接收完未处理,0表示上一帧已处理完可接收新帧)。首先关串口中断,禁止串行口接收,清接收中断标志,接着通过S_Over标志判断上一帧数据是否已经处理完毕,如未处理完则不接收新的数据。如果前一数据为0x35,当前数据为0x95,则可判定数据帧开始,标志位S_R置1,只有当S_R为1时,才将接收的数据依次存入接收数据缓冲区, 10 B数据接收完毕后标志位S_Over置1,帧处理程序完成相应处理后对S_Over清零。在接收过程中,如果某一字节的偶校验出错, 则对S_R清零,相当于放弃该帧信息,重新开始接收。
帧数据发送流程如图5所示,首先生成校验和,然后发送3个预同步字节(0x53)和帧头(0x59), 最后调用单字节发送程序依次发出10 B数据。
单字节发送程序流程如图6所示,串口发送采用查询方式。系统启动后RS485端口默认处于接收状态,需要发送数据时,单片机I/O口P3.6置低
电平选中RE端, 允许RS485发送数据。一个字发送完毕后P3.6置高电平选中DE端,使RS485转入接收状态。
5 结语
基于RS485的分布式集中润滑系统能够满足“按需供油,相互独立,集中监控,易于扩展”的合理润滑要求,代表了集中润滑系统的发展方向,已成功应用于钢铁、冶金等行业,主控制柜与供油终端之间的通信稳定可靠。涉及的通信接口硬件设计、通信协议规划和通信程序设计对于开发类似分布式系统具有一定的参考价值。
摘要：提出了一种基于RS485总线的分布式集中润滑系统的设计方案,给出了分布式集中润滑系统的总体结构,详细介绍了供油终端的RS485总线接口电路、主控制柜与供油终端之间通信协议和通信程序的设计。实际应用表明,该系统能够满足按需供油,相互独立,集中监控,易于扩展的要求。
关键词：润滑系统,分布式,RS485,串口通信,通信协议
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分布式现场总线 篇7
数控切割机的控制系统结构形式分为集中式和分布式, 集中式是把所有运动的控制功能集中到一块板卡或芯片上, 分布式则是一个运动轴由一个运动控制芯片控制, 多个运动轴构成分布式网络结构。分布式的优点是单个节点的处理任务简化, 多个节点可以并行执行任务, 单个节点的故障不影响其他节点的工作。本文中设计的分布式多轴运动控制系统已经成功的应用在实际工业生产中。
1 控制系统总体结构设计
整个分布式多轴运动控制系统由计算机和多个单片机组成。工业计算机PC104做上位机, 完成显示、操作等人机交互功能, CAN总线数据接收、发送和监听功能, 理论数据和测量数据转化为运动数据的功能, 流程控制功能。多个单片机做下位机, 有多个运动控制节点, 一个IO控制节点, 一个手操器控制节点。下位机完成单轴运动控制功能, 多轴运动协调功能, 数据存储功能, CAN通信功能, IO输入输出功能, 手动控制功能, 示教功能。
2 CAN应用层协议的制定
本系统使用CAN总线连接各个节点, 并在上一代系统上进行改进和升级, 使用Peli CAN模式, Peli CAN支持标准帧格式和扩展帧格式;滤波方式有单滤波和双滤波。本系统采用扩展帧和双滤波方式。扩展帧优点:有29位的标识码。命令内容可以更加丰富, 可以给不同的位赋予不同的意义而不相互冲突。双滤波优点:可以有广播模式, 同一条命令可以让不同的轴都收到。而单滤波方式, 必须改变标识码以通过不同的滤波器, 向多个轴发送同一命令需发送多次, 在多轴插补中, 时间的不一致会带来运动的不协调。
经过反复验证, 确定了一套完善的CAN应用层协议。扩展帧格式下的双滤波配置, ACR0、ACR1和AMR0、AMR1组成滤波器1, ACR2、ACR3和AMR2、AMR3组成滤波器2, 两个滤波器都只比较扩展标识码得前两个字节。报文必须通过至少一个滤波器才能被接收。节点0的滤波器配置代码如下:
AMR0=0X8F;AMR1=0XFF;AMR2=0X7F;AMR3=0XFF;ACR0=0X00;ACR1=0X00;ACR2=0X80;ACR3=0X00;
而节点1的滤波器配置代码只需将ACR0设置为0X01, 其余不变。同理, 可得出其他节点的配置方法。
非广播类信息通过滤波器1, 广播类信息通过滤波器2, 实现了双滤波。
3 硬件电路的设计
下位机由多个单片机组成, 有多个运动控制节点, 一个IO控制节点, 一个手操器控制节点。功能模块包含处理器模块、CAN通信模块、数据存储模块、运动控制模块、键盘输入模块和IO控制模块。
3.1 微处理器模块
MCU微处理器选择飞利浦的P89V51RN2FN, 本系统选用该芯片因为看重其以下特性:包含64k B Flash;Flash支持在系统编程 (ISP) , 允许对成品中的器件进行重复编程;有可编程计数器阵列, 具有PWM和捕获/比较功能;有3个16位定时器/计数器;有可编程看门狗定时器 (WDT) ;温度范围-40°C~+85°C, 适应工业现场。
3.2 CAN通信模块
CAN控制器选择SJA1000, CAN收发器选择CTM1040T。SJA1000是一种独立的CAN控制器。它是philips的新一代产品, 增加了一种新的操作模式PeliCAN。SJA1000具有以下特性:64字节接收缓冲器, 先进先出 (FIFO) ;支持CAN2.0A和CAN2.0B协议;支持11位和29位标识码;通信位速率可达1Mbps;温度适应范围大 (-40°C～+125°C) 。
CTM1040T是一款带隔离的高速CAN收发器芯片, 该芯片内部集成了所有必需的CAN隔离及CAN收、发器件。芯片的主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平并且具有DC2500V的隔离功能及ESD保护作用。使用该芯片简化了CAN通信模块的电路设计。
3.3 数据存储模块
数据存储模块选择AT24C256。为了减少对单片机引脚的占用, 采用具有I2C总线接口的串行E2PROM芯片AT24C256作为数据存储器, 其容量为256KB, 本系统在实际应用中所需要的数据容量通常为100KB, 最多不超过180KB, 此芯片完全满足本系统的数据存储要求。
3.4 运动控制模块
为了控制步进电机的脉冲和方向, 选用定时器计数器芯片8254和高压驱动器7407, 脉冲信号由单片机IO口产生, 脉冲信号由8254产生, 7407起信号放大作用。
由于89V51RD2FN和82C54的引脚驱动电流都很小, 约为10m A, 电压也仅有5V, 不能达到电机驱动器所需的水平, 所以加入了低功耗集电极开路六正相高压驱动器74LS07芯片, 信号经放大后再输入到电机驱动器。
3.5 键盘输入模块
为了使工人远程也能方便的完成一些操作, 本系统设计了手操器, 为了不占用单片机的系统资源, 需要有接口芯片独立完成键盘扫描, 并以中断的方式给出键值的编码, 因此选用8279芯片。
3.6 IO控制模块
本系统中有多个接近位置传感器, 会产生开关量输入信号;同时还需要对多个电磁阀进行控制, 所以也需要有开关量输出信号控制。TLP521-4是一款四通道光电隔离器, 传感器输入信号通过它转换为数字信号进入单片机, 从而使单片机获得传感器状态。单片机的输出信号通过它转换为对电磁阀的控制信号, 控制点火阀门的开关。
4 下位机软件设计
4.1 软件的流程和层次
按照实际应用的需要, 流程步骤的控制由上位机发送的CAN总线命令主导。系统每正确的完成一个步骤之后才能进行下一个步骤, 如果错误则退出, 进行错误诊断之后再重新进入系统。
4.2 多轴插补策略
4.2.1将各个轴的运动路径分割为小直线段, 以小直线段逼近原路径。分割原则为直线路径与原路径误差不超过1mm。
4.2.2将各轴每份的相对位移量和运动速度存储在存储器中, 在单片机中设定一个数据缓冲区, 预读取5份运动数据, 运动时单片机将下一份运动数据发送至8254, 驱动电机。
4.2.3以CAN总线命令控制各份的启停, 保证各轴每份都是同时启停的, 多轴合成路径为预先设定的路径。
4.2.4各轴之前比较当前位置, 若误差大于1份, 则进行速度调整, 恢复同步。
4.2.5下位机实时上传运动位置, 如果误差超过5份, 则急停, 检查故障。
通过制定合理的协调策略, 完善的通信协议, 保证信息传递的实时性, 实现了多轴运动的插补, 达到了误差小于1mm的目标。
5 结论