基于CAN總線(xiàn)的閥門(mén)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)方案

1、. . . . 基于CAN總線(xiàn)的閥門(mén)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng) 0 引言 普通電動(dòng)閥門(mén)是一種通用的執(zhí)行單元，它作為一種重要的執(zhí)行器件廣泛地用于工業(yè)流程控制領(lǐng)域，具有不可替代的作用。閥門(mén)電動(dòng)裝置是以電機(jī)為動(dòng)力，帶動(dòng)機(jī)械減速裝置將動(dòng)力傳給閥門(mén)，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉的最終部件，它是電動(dòng)閥門(mén)中的核心部分。近年來(lái)，國(guó)生產(chǎn)電動(dòng)閥門(mén)的廠(chǎng)商通過(guò)對(duì)國(guó)際先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)和吸收，以與與Limitorque、Rotork等國(guó)際著名企業(yè)的合作，已經(jīng)逐步掌握了機(jī)械傳動(dòng)、制造等一些核心技術(shù)，加之價(jià)格方面的優(yōu)勢(shì)，取得了國(guó)市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的提高，尤其是現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的出現(xiàn)，僅有現(xiàn)場(chǎng)操作以與簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制功能的電動(dòng)閥門(mén)越來(lái)越難以

2、滿(mǎn)足市場(chǎng)需要，國(guó)外各大公司紛紛推出現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)電動(dòng)閥門(mén)產(chǎn)品，但價(jià)格高昂。因此，提高我國(guó)電動(dòng)閥門(mén)的自動(dòng)化水平，對(duì)國(guó)的電動(dòng)閥門(mén)產(chǎn)品加以改造，推出自己的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，鞏固國(guó)市場(chǎng)并能逐步參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)對(duì)于加入WTO的今天有著重要的意義。 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是應(yīng)用在制造或過(guò)程區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線(xiàn)。它也被稱(chēng)為開(kāi)放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的出現(xiàn)為工業(yè)自動(dòng)化提供了全分布的解決方案，提高了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能和自治水平，便于系統(tǒng)的安裝和維護(hù)。現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的種類(lèi)很多，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)就有13種之多，其中CAN總線(xiàn)以其支持多主方式，卓越的短幀傳輸性能，

3、極高的可靠性，非破壞性總線(xiàn)先級(jí)仲裁方式，Intel、Philips、Motorola等眾多半導(dǎo)體生產(chǎn)廠(chǎng)商的芯片支持，以與相對(duì)簡(jiǎn)單的開(kāi)發(fā)手段和低廉的開(kāi)發(fā)成本，使其成為國(guó)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。本文研究的基于CAN總線(xiàn)的閥門(mén)控制系統(tǒng)就是將微控制器技術(shù)、CAN技術(shù)應(yīng)用于國(guó)產(chǎn)通用型電動(dòng)閥門(mén)中，同工業(yè)控制計(jì)算機(jī)一同構(gòu)成的閥門(mén)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。 1 閥門(mén)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 通用型閥門(mén)對(duì)控制精度要求不高，操作也較簡(jiǎn)單，僅有開(kāi)、關(guān)、停三種狀態(tài)。通常情況下，操作人員在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)對(duì)閥門(mén)上控制器的操作來(lái)控制閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉，閥門(mén)的開(kāi)度通過(guò)閥門(mén)上的指針式儀表指示。出于保護(hù)的需要，控制器在電氣控制上實(shí)現(xiàn)了閥門(mén)故障狀態(tài)下的停機(jī)

4、功能，但是對(duì)故障的診斷只能依靠操作人員的經(jīng)驗(yàn)，甚至需要開(kāi)蓋檢查，給維護(hù)帶來(lái)不便。 本文提出的遠(yuǎn)程閥門(mén)控制系統(tǒng)包括上、下位兩級(jí)控制，除了保留原有的現(xiàn)場(chǎng)操作功能外，操作人員還可以通過(guò)上位機(jī)對(duì)閥門(mén)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。上位機(jī)提供操作方便的人機(jī)交互界面，支持對(duì)系統(tǒng)中不同閥門(mén)的簡(jiǎn)單組態(tài)，并采用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行中各閥門(mén)的狀態(tài)信息和故障信息的管理，便于系統(tǒng)的維護(hù)，上位機(jī)除了具有與下位機(jī)通信的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接口外，還應(yīng)具有以太網(wǎng)接口以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與外部的信息交互。下位機(jī)在盡量保留原有的電動(dòng)裝置電氣結(jié)構(gòu)的前提下，引入了微控制器技術(shù)，構(gòu)成嵌入式控制系統(tǒng)，既支持現(xiàn)場(chǎng)的操作，也支持上位機(jī)的遠(yuǎn)程控制，二者可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換

5、。下位機(jī)控制系統(tǒng)中增加了檢測(cè)電路和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接口，實(shí)現(xiàn)了閥門(mén)運(yùn)行量故障信息的采集。 微控制器一方面能按現(xiàn)場(chǎng)或上位機(jī)設(shè)置的閥門(mén)開(kāi)度值控制閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉，另一方面可以響應(yīng)上位機(jī)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，將閥門(mén)的運(yùn)行信息上傳給上位機(jī)。上位機(jī)、下位機(jī)之間通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)連接，二者分工明確，構(gòu)成真正的全分布現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)(FCS)。根據(jù)以上分析，本文采用了集中管理、分散控制的上、下位機(jī)兩級(jí)控制的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖1CAN總線(xiàn)閥門(mén)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 上位機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，除上面提到的功能外，還設(shè)計(jì)了運(yùn)行信息統(tǒng)計(jì)打印以與系統(tǒng)報(bào)警等功能;下位機(jī)是以微控制器為核心的控制單元，并嵌入到閥門(mén)中，與閥門(mén)的電氣控制部分一同

6、實(shí)現(xiàn)控制功能。系統(tǒng)通信選用的是CAN總線(xiàn)，CAN總線(xiàn)協(xié)議簡(jiǎn)單，僅包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，用戶(hù)可以自己定義應(yīng)用層，傳輸介質(zhì)可以采用屏蔽的雙絞線(xiàn)，信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低?？偩€(xiàn)通信速率最高可達(dá)1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km/5Kbps，總線(xiàn)上可掛接設(shè)備數(shù)最多可達(dá)110個(gè)。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，能夠自動(dòng)脫離總線(xiàn)，有關(guān)CAN總線(xiàn)技術(shù)的文獻(xiàn)較多，在此不作詳述。在本文提到的遠(yuǎn)程閥門(mén)控制系統(tǒng)中采用CAN總線(xiàn)是因?yàn)殚y門(mén)控制功能邏輯簡(jiǎn)單、信息量小，并結(jié)合CAN總線(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸速度、開(kāi)發(fā)的難易程度、技術(shù)支持和成本等多方面的考慮。 2 上位機(jī)設(shè)計(jì) 系

7、統(tǒng)上位機(jī)硬件選用研華工控機(jī)IPC-6718V，配以研華的雙端口CAN接口卡PCL-841，性能穩(wěn)定，大大縮短了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期。上位機(jī)軟件采用VB610來(lái)設(shè)計(jì)，便于實(shí)現(xiàn)用戶(hù)需要的各種監(jiān)控功能。 上位機(jī)軟件包括系統(tǒng)安全模塊、系統(tǒng)通信參數(shù)設(shè)定模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊和閥門(mén)控制模塊等幾個(gè)部分。圖2給出了上位機(jī)各個(gè)軟件模塊之間的關(guān)系，從圖可以看出上位機(jī)軟件不僅實(shí)現(xiàn)了閥門(mén)控制功能，而且充分考慮了作為一個(gè)控制軟件所需要的系統(tǒng)安全以與數(shù)據(jù)庫(kù)操作。其中，閥門(mén)控制模塊是上位機(jī)軟件的核心。圖2上位機(jī)軟件模塊關(guān)系圖 上位機(jī)軟件的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)各閥門(mén)狀態(tài)的監(jiān)控以與提供用戶(hù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)的遠(yuǎn)程控制操作。上位機(jī)軟件啟動(dòng)后，首

8、先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，之后進(jìn)入系統(tǒng)監(jiān)控運(yùn)行模式，如果是初次應(yīng)用，初始化后還要根據(jù)系統(tǒng)的具體情況進(jìn)行組態(tài)。在運(yùn)行模式下，上位機(jī)與下位閥門(mén)控制單元采用一問(wèn)一答的方式進(jìn)行信息交換，上位機(jī)對(duì)每臺(tái)閥門(mén)返回的各種狀態(tài)和故障信息進(jìn)行分析后刷新數(shù)據(jù)庫(kù)中的相應(yīng)數(shù)據(jù)，并刷新主監(jiān)控界面上的相應(yīng)部分。由于主監(jiān)控界面上的閥門(mén)較多，僅能簡(jiǎn)單地示出每個(gè)閥門(mén)的基本運(yùn)行狀態(tài)(啟動(dòng)、停止、故障)和開(kāi)度，如果要查看某個(gè)閥門(mén)的詳細(xì)運(yùn)行信息，可以通過(guò)點(diǎn)擊界面上的閥門(mén)圖標(biāo)切換到該閥門(mén)的單臺(tái)監(jiān)測(cè)界面，這時(shí)除了可以給出閥門(mén)當(dāng)前的開(kāi)度、開(kāi)關(guān)停狀態(tài)等基本信息外，還可以示出電機(jī)缺相、轉(zhuǎn)越限、電機(jī)過(guò)熱等報(bào)警、故障信息。圖3給出了這一過(guò)程的軟件流程。

9、為了提高遠(yuǎn)程控制時(shí)的響應(yīng)速度，上位機(jī)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)中單臺(tái)閥門(mén)的遠(yuǎn)程控制功能，這種工作模式下，用戶(hù)將要求的閥門(mén)開(kāi)度通過(guò)CAN總線(xiàn)下傳給相應(yīng)閥門(mén)中的下位機(jī)，由下位機(jī)控制閥門(mén)的啟動(dòng)和停止，并將整個(gè)過(guò)程的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)傳給上位機(jī)。在實(shí)際應(yīng)用中，如果系統(tǒng)中不同的閥門(mén)有聯(lián)動(dòng)要求，也可以通過(guò)上位機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。 3 下位機(jī)設(shè)計(jì) 閥門(mén)的動(dòng)作是由嵌入到閥門(mén)中的下位機(jī)控制的，下位機(jī)在接收到指定開(kāi)度的命令后將分析此時(shí)閥門(mén)的運(yùn)行情況和各種狀態(tài)，如果此時(shí)閥門(mén)處于允許動(dòng)作的狀態(tài)，下位機(jī)則發(fā)出分析后的指令(開(kāi)或關(guān))，待閥門(mén)開(kāi)度到達(dá)指定開(kāi)度時(shí)，執(zhí)行停機(jī)操作。下面將從硬件、軟件兩個(gè)方面對(duì)下位機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行較詳細(xì)的說(shuō)明。 3.1 下位機(jī)硬件設(shè)

10、計(jì) 下位機(jī)是具有“自治”功能的單片機(jī)控制系統(tǒng)，在原有的電氣控制電路基礎(chǔ)上增加了故障信號(hào)的采集和對(duì)外通信的CAN總線(xiàn)接口。下位機(jī)電路從結(jié)構(gòu)和功能上可以分為主控單元模塊、電源監(jiān)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)采集與控制接口模塊、人機(jī)接口模塊、總線(xiàn)通信模塊。它們之間的關(guān)系如圖4所示。 主控單元模塊 主控制模塊是整個(gè)下位機(jī)的核心，由單片機(jī)的最小系統(tǒng)構(gòu)成，協(xié)調(diào)其他四個(gè)模塊工作，完成下位機(jī)的控制功能?？紤]到閥門(mén)的運(yùn)行信息采集點(diǎn)和故障信息采集點(diǎn)的數(shù)量和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的難易程度，本系統(tǒng)選擇了PHILIP公司MCS51系列單片機(jī)80C552，它具有256字節(jié)可讀寫(xiě)的RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、5個(gè)8位I/O口、1個(gè)8位輸入口、2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)

11、數(shù)器、1個(gè)配置捕捉/比較模塊的16位定時(shí)器、15個(gè)中斷源、2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)、8路10位的A/D轉(zhuǎn)換器、2路脈沖寬度調(diào)制輸出、2個(gè)串行口(異步串行口和I2C總線(xiàn)口)，還集成了看門(mén)狗定時(shí)器。 電源監(jiān)測(cè)模塊 閥門(mén)在工作過(guò)程中會(huì)因?yàn)槟承┰虺霈F(xiàn)主電源回路掉電的情況，用戶(hù)要求在這種情況下，下位機(jī)系統(tǒng)的監(jiān)控部分仍能短期工作，并把這種故障與時(shí)上傳到上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，以便操作人員與早發(fā)現(xiàn)、與時(shí)排除。為此，本文在下位機(jī)控制機(jī)中設(shè)計(jì)了電源監(jiān)測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門(mén)供電情況的監(jiān)測(cè)，并能實(shí)現(xiàn)主電源與備用電源間的切換，電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。由于主電源回路掉電時(shí)，備用電源僅為單片機(jī)系統(tǒng)供電，加之這時(shí)的單片機(jī)系統(tǒng)工作于節(jié)電運(yùn)行方式，功

12、耗較低，所以備用電源采用普通干電池或充電電池。實(shí)驗(yàn)證明，在主電源回路掉電的情況下，備用電源可以工作12h以上，完全可以滿(mǎn)足維修的需要。數(shù)據(jù)采集與控制接口模塊 這部分是下位機(jī)控制系統(tǒng)的輸入、輸出部分，主要完成閥門(mén)各種報(bào)警信號(hào)、開(kāi)度的采集，對(duì)閥門(mén)開(kāi)、關(guān)、停的控制等，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。在數(shù)據(jù)采集電路中，除了采集基本的運(yùn)行狀態(tài)外，還增加了電機(jī)缺相、轉(zhuǎn)矩越限、電機(jī)過(guò)熱、熔斷器損壞、行程開(kāi)關(guān)到位、緊急制動(dòng)狀態(tài)等大量的信號(hào)采集點(diǎn)，提高了下位機(jī)的監(jiān)控能力。閥門(mén)中的采集信號(hào)和控制信號(hào)多數(shù)為強(qiáng)電信號(hào)，為了使單片機(jī)系統(tǒng)免受影響，在電路中采用了隔離設(shè)計(jì)，增加了系統(tǒng)的可靠性。圖6 輸入/輸出電路結(jié)構(gòu)人機(jī)接口模塊 對(duì)閥門(mén)

13、的運(yùn)行除了可通過(guò)上位機(jī)遠(yuǎn)程控制外，還保留了現(xiàn)場(chǎng)控制功能，這主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)手操器完成，它是下位機(jī)中的人機(jī)接口模塊。手操器由鍵盤(pán)和數(shù)碼管顯示電路組成。在手操器的設(shè)計(jì)中采用了I2C總線(xiàn)技術(shù)，鍵盤(pán)電路采用了具有I2C接口的輸入輸出擴(kuò)展芯片PCF8574，顯示電路采用了具有I2C接口的數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)芯片SAA1064，單片機(jī)80C552本身就集成有I2C總線(xiàn)接口，為系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)提供了方便。手操器的硬件結(jié)構(gòu)如圖7所示。另外，I2C總線(xiàn)支持帶電插拔，給手操器的使用帶來(lái)了極大的方便，使用者可以在不妨礙閥門(mén)正常工作的情況下，拆裝手操器。圖7 人機(jī)接口電路原理 通信功能模塊 通信電路是下位機(jī)中的CAN總線(xiàn)接口部

14、分，是提供閥門(mén)遠(yuǎn)程控制功能的核心部分。它由CAN控制器SJA1000、CAN驅(qū)動(dòng)器82C250以與光電隔離電路構(gòu)成，電路結(jié)構(gòu)如圖8所示。由于光電隔離的需要，模塊使用了DC-DC電源模塊。為了提高通信模塊的通用性，滿(mǎn)足不同使用的需要，在下位機(jī)中還設(shè)計(jì)了微動(dòng)開(kāi)關(guān)，用于設(shè)置不同的通信波特率和不同閥門(mén)的地址選擇。圖8 通信功能電路結(jié)構(gòu) 3.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 下位機(jī)軟件用C51語(yǔ)言編寫(xiě)，程序的可讀性、可移植性大大提高。下位機(jī)軟件主要完成閥門(mén)的狀態(tài)和故障的采集、閥門(mén)開(kāi)度采集、執(zhí)行開(kāi)關(guān)停閥門(mén)的動(dòng)作和通信功能。由于篇幅的關(guān)系，下面僅介紹主控制程序和CAN總線(xiàn)通信中斷服務(wù)程序。主程序的設(shè)計(jì) 下位機(jī)軟件的主要工

15、作是采集閥門(mén)的信號(hào)、控制閥門(mén)運(yùn)動(dòng)以與響應(yīng)上位機(jī)的請(qǐng)求或命令。下位機(jī)系統(tǒng)初始化后進(jìn)入主程序循環(huán)，為了準(zhǔn)確采集閥門(mén)開(kāi)度和避免誤報(bào)警，對(duì)輸入信號(hào)都進(jìn)行了簡(jiǎn)單的數(shù)字濾波，下位機(jī)對(duì)這些信號(hào)綜合分析后，根據(jù)開(kāi)度要求控制閥門(mén)的開(kāi)、關(guān)、停動(dòng)作。下位機(jī)具有現(xiàn)場(chǎng)控制、遠(yuǎn)程控制兩種控制方式，可由現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)來(lái)區(qū)分，在這兩種控制方式下，下位機(jī)都可以根據(jù)上位機(jī)的要求進(jìn)行運(yùn)行數(shù)據(jù)的上傳。所不同的是，在現(xiàn)場(chǎng)控制時(shí)，操作者在現(xiàn)場(chǎng)用手操器進(jìn)行控制，這時(shí)上位機(jī)對(duì)下位機(jī)只能監(jiān)視，不能控制；遠(yuǎn)程控制時(shí)，下位機(jī)通過(guò)分析上位機(jī)命令來(lái)對(duì)閥門(mén)進(jìn)行控制。下位機(jī)主程序軟件流程如圖9所示。圖9 下位機(jī)軟件流程圖 CAN中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì) 當(dāng)上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求或命令時(shí)，下位機(jī)就會(huì)進(jìn)入CAN中斷服務(wù)程序。在進(jìn)入CAN中斷服務(wù)程序后，首先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)，然后讀取SJA1000的中斷寄存器，分析是哪種中斷并置相應(yīng)的標(biāo)志位，如果是接收中斷，則置接收數(shù)據(jù)標(biāo)志并讀取數(shù)據(jù)，然后釋放緩存，最后恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，中斷返回。CAN中斷服務(wù)程序如圖10所示。圖10 CAN中斷服務(wù)子程序流程圖 由于下位機(jī)要嵌入到閥門(mén)電裝的腔體中，電磁干擾嚴(yán)重，在設(shè)計(jì)中采用了多種