CANBUS及其在橡胶硫化机组群控中的实际应用

1 引言 由于橡胶在硫化过程中，其硫化温度、时间以及压力三大因素极大影响着橡胶质量，且人为因素较大，为了提高橡胶加工厂的生产工艺执行率、强化工艺管理、便于现场检查工艺参数、利于企业贯彻ISO9000～9002质量标准和企业信息自动化改建，笔者为湖北大兴橡胶加工厂设计一套基于CAN总线的橡胶硫化过程的分布式计算机测控系统，整个计算机测控系统由1个班组监控站和4个现场控制站点组成，采用CAN总线网络结构，对其进行温度、时间和压力进行实时控制，取得了较好的控制效果，同时也产生了较好的经济效益。为了提高CAN总线数据传输的快捷性、避免数据通信冲突，在CAN实时通信中，采取了一系列的安全措施，以确保CAN总线控制系统的稳定、可靠性。 2 CANBUS特性 CAN总线是德国奔驰公司 80年代为解决汽车众多控制设备与仪器仪表之间的数据交换而开发的一种串行通信协议。由于具有极高的可靠性、数据传输速率高、传输距离较长、实时性强,特别适合工业现场监控设备的互连。与BITBUS和RS485相比，它具有以下特点: l 采用通信数据块编码，可实现多主工作方式，数据收发方式灵活，可实现点对点、一点对多点及全局广播等多种传输方式;可将DCS结构中主机的常规测试与控制功能分散到各个智能节点，节点控制器把采集到的数据通过CAN适配器发送到总线，或者向总线申请数据，主机便从原来繁重的底层设备监控任务中解放出来，进行更高层次的控制和管理功能，比如故障诊断、优化协调等; l 采用非破坏性基于优先权的总线仲裁技术，具有暂时错误和永久性故障节点的判别及故障节点的自动脱离功能，使系统其它节点的通信不受影响;同时CAN具有出错帧自动重发功能，可靠性高，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点可继续传输数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免总线冲突。 l 信号传输用短帧结构(8字节)，实时性好，因而传输时间短，受干扰的概率低，且具有极好的检错效果;当节点严重错误时，具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力; l 不关闭总线即可任意挂接或拆除节点，增强了系统的灵活性和可扩展性; l 采用统一的标准和规范，使各设备之间具有较好的互操作性和互换性，系统的通用性好; l 通信介质可采用双绞线，无特殊要求;现场布线和安装简单，易于维护，经济性好。 总之，CAN总线具有实时性强、可靠性高、结构简单、互操作性好、价格低廉等优点，克服了传统的工业总线的缺陷，是工业测控系统通信一种有效的解决方案。 3 系统组成与结构 橡胶硫化机组监控系统采用分布式计算机监控管理方式，各个现地控制单元可以独立按照硫化工艺控制参数与运行、并将采集到的温度、各种运行状态量以及电机、泵的运行健康状态等信息通过CANBUS总线上传到班组服务器，以备工作人员监视，监控操作人员可通过CANBUS将必要的控制参数下传到各个现地控制单元，调整控制和工艺参数。同时，为备现地操作，每个现地监控单元均有手动/自动按钮，实现现地和远控两种操作，以提高整个系统的可靠性、安全性以及运行的经济性。为便于与整个橡胶加工厂的监控系统进行系统互联，实现企业管控一体化，班组服务器还通过Ethernet经厂数据交换机与厂MIS系统互联。 现地单元监测与诊断单元系统采用MIC-2000工业控制计算机。MIC-2000是一种模块化工业控制计算机，它前端出线、抽取式设计、开放式ISA总线结构。主板采用MIC-2352，它板载低功耗贴片CPU，主频为266MHz、集成PCI CRT显示适配器和RealTek 8139B网络适配器接口，支持TCP/IP协议、含有2个串行端口和1个并行端口;现地监控系统配置如下: l 模拟量采集模块:MIC-2718，16通道模拟量输入模块、12位100kHz A/D转换、16路单端或8位差分输入、1K字数据缓冲器FIFO; l 数字量输入模块:MIC-2730，其特性为隔离16路数字量输入模块、2500V直流隔离保护;隔离或非隔离(干接点)两种模式; l 数字量输出模块:MIC-2730，其特性为16路光电隔离数字量输出/16路光电隔离数字量输入、2500V直流隔离保护; l Counter/Timer:PCL-836计数/定时卡，在实际应用过程中PCL-836要进行必要的改装。 监控系统配置如图1所示。其中:班组服务器采用Windows2000 Professional为操作平台，并安装Microsoft SQL6.5，配有不同配方条件下硫化工艺，以备随时调整硫化工艺参数。现地控制单元MIC2000采用Windows98为操作系统，主要完成对硫化机组的硫化温度、压力以及硫化时间、三相异步电机的启与停、变频器的控制、各种控制开关与行程等实时控制，并将控制参数通过CANBUS上传到班组服务器备考。 4 CANBUS具体使用方法 4.1 CAN波特率 (Baudrate)的设定 CANBUS的总线波特率是由两个总线定时寄存器BTR0以及BTR1决定的，寄存器内不同值的配合来改变总线波特率的大小。其中: (1) 总线定时寄存器0――BTR0: 总线定时寄存器0定义了波特率预设值BRP 和同步跳转宽度SJW 的值，总线定时寄存器0BTR0 的位功能说明如下:CAN 地址6 BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0 SJW.1 SJW.0 BRP.5 BRP.4 BRP.3 BRP.2 BRP.1 BRP.0 (2) 特率预设值BRP CAN系统时钟tCLK的周期是可编程的而且决定了相应的位时序CAN系统时钟由如下公式计算 TSCL=2 tCLK(32×BRP.5+16×BRP.4+8×BRP.3+4 BRP.2+2×BRP.1+BRP.0+1) 这里tCLK=XTAL的频率周期=1/fXTAL(fXTAL=16MHz) (3) 同步跳转宽度(SJW) 为了补偿在不同总线控制器的时钟振荡器之间的相位偏移,任何总线控制器必须在当前传送的相关信号边沿重新同步，同步跳转宽度定义了每一位周期可以被重新同步缩短或延长的时钟周期的最大数目 tSJW=TSCL (2 SJW.1+SJW.0+1) (4) 总线定时寄存器1 BTR1 总线定时寄存器1(BTR1)定义了每个位周期的长度采样点的位置和在每个采样点的采样数目，总线定时寄存器1的各位功能说明如下(Address7) BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0 SAM TSEG2.2 TSEG2.1 TSEG2.0 TSEG1.3 TSEG1.2 TSEG1.1 TSEG1.0 (5) 采样SAM 总线采样三次，在低/中速总线上使用，SAM设为1; 总线采样一次，使用在高速总线上，SAM设为0; (6) 时间段1 TSEG1 和时间段TSEG2 TSEG1 和TSEG2 决定了每一位的时钟数目和采样点的位置，这里 TSYNCSE=1 TSCL tTSEG1= TSCL(8×TSEG1.3+4×TSEG1.2+2×TSEG1.1+TSEG1.0+1) tTSEG2=TSCL(4×TSEG2.2+2×TSEG2.1+TSEG2.1+1) 经过上述计算，得到的CANBUS的波特率见表1所示。 4.2 CAN通信距离与线缆要求之间的关系 CAN通信时，通信电缆的线径极大影响着其通信质量。根据经验值，CAN通信距离与线缆要求之间的关系见表2所示。 4.3 CAN波特率与通信距离的关系列表 CANBUS通信时，其波特率与其通信距离有很大的关系，表3列举了通用的理论值。 4.4 PCL－841使用注意事项 (1) 为了提高PCL-841的数据传输速率，采用内存直接映射方式，因此，必须要检查PCL-841CANBUS适配卡是否与PC机其它卡内存地址冲突，如冲突通过ADDRS跳线改变PCL-841适配卡基地址避开冲突。同时检查PC机BIOS shadow项设置，确保PCL-841适配卡内存地址空间shadow为disable. (2) 通常高版本DOS和Windows9X操作系统需要使用EMM，从而使用高端内存区(C000H-DFFFH)，这时应使EMM保留PCL-841适配卡内存地址空间，即修改PC机配置文件config.sys, 在语句device=emm386.exe中添加x=ssss-eeee部分，ssss为占用高端内存起始段址, eeee为占用高端内存结束段址。如PCL-841适配卡内存地址空间为D0000H-D0FFFH则:device=c:dosemm386.exe x=d000-d0ff。 (3) 由于PCL－841板卡上有两个独立的CAN通信口，必须分别为其开辟高端内存，一个口占用20Byte的空间，因此，假如设定Port1的高端内存地址为DA00H，ID号设为1，则Port2的高端内存地址为DA20H，ID号设为2。 5 结束语 随着计算机技术和通信技术的高速发展，计算机技术尤其是网络技术与现代控制技术结合是现代测控技术发展的一个方向。CANBUS以其独有的总线特点，已成为国际标准:ISO1188，并为总多的总线生产与研制单位所响应，在汽车工业、楼宇自动化、控制领域等方面均被成功应用。