摘? 要: 介紹了基于CAN總線的分布式鋁電解控制系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)方法,給出了CAN總線的硬件接口電路設計和槽控機邏輯電路結(jié)構圖。
關鍵詞: CAN總線? 電解槽? 槽控機
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鋁電解生產(chǎn)計算機監(jiān)控系統(tǒng)的形成和發(fā)展,已由早期的集中型發(fā)展到集散型,又進一步發(fā)展到了分布式系統(tǒng)。集中控制采用單機群控技術,比較成功地解決了鋁電解生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)的設計和應用問題。為了對每臺鋁電解槽比較復雜的控制進行解析、響應現(xiàn)場實時性強的多種操作、控制程序多任務調(diào)度等,同時也為了解決集中控制的脆弱性、實時性差等問題,需要對鋁電解槽實施分布式控制方案?，F(xiàn)在分布式控制已成為鋁行業(yè)計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。為此,本文介紹鋁行業(yè)比較先進的基于CAN總線的分布式鋁電解控制系統(tǒng)。
1 鋁電解生產(chǎn)工藝控制要求
鋁電解生產(chǎn)系列是由多臺串聯(lián)式直流鋁電解槽組成。計算機數(shù)據(jù)采集信號為每臺電解槽槽電壓和系列電流,對電解槽的監(jiān)控主要是槽電壓和氧化鋁濃度。槽電壓控制是采用帶電流補償?shù)牟垭娮钄?shù)學模型控制算法,即調(diào)節(jié)槽電壓,主要控制槽內(nèi)的能量平衡;對于氧化鋁濃度的控制,由于該濃度無法直接測定而無法建立精確的數(shù)學模型。但是它和槽電阻的變化有一定的對應關系,為此采用模糊控制算法控制氧化鋁濃度,即打殼下料,主要控制槽內(nèi)的物料平衡。
2 CAN總線簡述
CAN總線即控制器局域網(wǎng)絡,是由德國Bosch公司為汽車的監(jiān)測和控制系統(tǒng)而設計的總線式串行通訊網(wǎng)絡,適用于工業(yè)過程控制設備和監(jiān)控設備之間的互聯(lián)。CAN可以多主方式工作,網(wǎng)絡上任意節(jié)點均可主動向其它節(jié)點發(fā)送信息;網(wǎng)絡節(jié)點可按系統(tǒng)實時性要求分成不同的優(yōu)先級,一旦發(fā)生總線沖突,會減少總線仲裁時間。CAN采用短幀結(jié)構，每一幀為8個字節(jié),保證了數(shù)據(jù)的出錯率極低,被公認為最有發(fā)展前途的現(xiàn)場總線之一。其傳輸介質(zhì)可用雙絞線、同軸電纜或光纖,通訊速率最高達1Mbps，傳輸距離可達10km。
3 系統(tǒng)結(jié)構
本系統(tǒng)由智能槽控機、監(jiān)控計算機和CAN總線三部分構成。其系統(tǒng)結(jié)構圖見圖1。其中智能槽控機是直接面向生產(chǎn)過程的,主要功能是采集和控制現(xiàn)場數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)交換是通過CAN總線網(wǎng)絡送到監(jiān)控計算機,監(jiān)控計算機由一臺工業(yè)控制PC機構成,主要功能是對現(xiàn)場槽控機參數(shù)進行設置;通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡實時獲取現(xiàn)場槽控機的數(shù)據(jù);監(jiān)測系統(tǒng)異常和完成報表輸出等功能。CAN總線部分主要由智能CAN-PC總線適配卡PC CAN、通訊介質(zhì)以及相應通訊軟件組成。CAN接口卡是具有高性能價格比的智能通訊適配卡PCCAN,它使監(jiān)控計算機方便地連接到CAN總線上。PCCAN上高性能的嵌入式微處理器80C188(12MHz)極大地減輕了主機PC 的負擔,而且可以完成用戶復雜的通訊任務?？ㄉ嫌?KB或2KB高速雙口RAM,直接映射到主機內(nèi)存空間,實現(xiàn)CAN與主機PC的高速數(shù)據(jù)交換。PCCAN上帶有光電隔離,使其避免由于地環(huán)流而導致?lián)p壞,增強系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使用的可靠性。PCCAN上帶有可配置的Hilon協(xié)議及DOS、Windows驅(qū)動程序。
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該系統(tǒng)采用的傳輸介質(zhì)為雙絞線,負載連接在CAN-H和CAN-L之間,終端匹配阻抗的值應該等于信號線的特性阻抗值(約120Ω)。如果電阻不匹配,有可能降低數(shù)據(jù)的有效傳輸。
3.1 智能槽控機的設計
槽控機以LG公司的GMS90C32單片機為核心而設計。該單片機為90年代產(chǎn)品,與Intel MCS-51系列單片機兼容。每臺槽控機由兩個機箱組成,分別為動力箱和邏輯箱。動力箱主要由常規(guī)控制電路和信號采集板組成,是槽控機的供電部分和控制執(zhí)行機構。邏輯箱是槽控機的核心部分,其本質(zhì)是一臺功能復雜的專用計算機。邏輯箱的硬件結(jié)構示意圖見圖2。它主要由5塊均帶CPU的功能相對獨立的智能模板組成。通過CAN總線聯(lián)接起來組成先進的多CPU網(wǎng)絡體系。內(nèi)、外數(shù)據(jù)交換均基于CAN總線。各模板功能如下:
主板:主要對過程控制進行解析
采樣模板:主要完成槽電壓、系列電流的采樣
通訊模板:實現(xiàn)與上位機的數(shù)據(jù)交換
操作模板:完成所有輸入/輸出操作
顯示模板:接受觸摸開關的輸入信號,輸出運行信息
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采用軟件模擬方式完成原來靠硬件電路實現(xiàn)的組合邏輯關系。其輸入手動信號采用無機械觸點和機械運動的觸摸式開關。
3.2 智能模板接口電路的設計
上述5塊智能模板,除通信模塊需增加CAN收發(fā)器(型號 PCA82C250)以及其它模板有一些常規(guī)電路外,其核心主要由5部分組成。槽控機智能模板結(jié)構圖見圖3。GMS90C32為單片機,屬總線型結(jié)構,可以根據(jù)應用需要擴展不同功能。X25045為監(jiān)測電路,它把常用的三種功能即看門狗定時器、電壓監(jiān)控和EEPROM組合在單個封裝之內(nèi)。這種組合降低了系統(tǒng)成本并減小了電路板面積。看門狗定時器對單片機提供保護作用。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,在選定的超時時間之后,X25045的看門狗將以RESET信號做出響應。利用X25045低Vcc檢測電路,可以保護系統(tǒng)使之免受低電壓的影響。當Vcc降到最小Vcc轉(zhuǎn)換點以下時,系統(tǒng)復位。復位一直到Vcc返回規(guī)定值且穩(wěn)定為止。X25045的存儲器是CMOS的4K位EEPROM。PSD311為可編程單片機通用外圍接口芯片,該芯片將EPROM、RAM、PAD、地址鎖存器和I/O口集成在單一的芯片上,取代了傳統(tǒng)的分散器件,使設計者不再考慮由離散器件構成所需的存儲器譯碼電路、端口和地址鎖存器。SJA1000為CAN通信控制器,是CAN總線接口電路的核心,主要完成CAN的通訊協(xié)議。SJA1000的復位/RST和中斷/INT分別由GMS90C32的P13、/INT0引腳控制;與CAN總線接口主要由TX0和RX0引腳實現(xiàn);片選信號/CS由PSD311 PC0口控制。PCA82C250為CAN收發(fā)器,主要功能是提高CAN總線的保護和驅(qū)動功能;TXD和RXD引腳分別用于發(fā)送和接收信號。
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3.3 CAN通訊軟件設計
CAN設計的三層結(jié)構模型為:物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。網(wǎng)絡物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能由CAN接口器件完成,包括硬件電路和通訊協(xié)議兩部分。CAN通訊協(xié)議規(guī)定了四種不同用處的網(wǎng)絡通訊幀,即數(shù)據(jù)幀、遠程幀、錯誤指示幀和超載幀。CAN通訊協(xié)議的實現(xiàn),包括各種通訊幀的組織和發(fā)送,均是由集成在SJA1000通訊控制器中的電路實現(xiàn)的,因此系統(tǒng)的開發(fā)主要在應用層軟件的設計上。應用層軟件的核心部分是CPU與SJA1000通訊控制器之間的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送程序,即CPU把待發(fā)的數(shù)據(jù)發(fā)給SJA1000通訊控制器,再由SJA1000通訊控制器發(fā)到總線上;當SJA1000通訊控制器從總線接收到數(shù)據(jù)后,CPU再把數(shù)據(jù)取走。首先,應對SJA1000中的有關控制寄存器寫入控制字,進行初始化。之后,CPU即可通過SJA1000接收/發(fā)送緩存區(qū)向物理總線接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用中斷方式實現(xiàn)CAN的通訊過程,其中斷服務程序流程圖見圖4。
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??? 在程序設計中,設置了DW、XW兩個標志,這樣CPU不通過SJA1000即可知道當前數(shù)據(jù)收發(fā)情況,提高程序的執(zhí)行速度。?
基于CAN總線的分布式鋁電解控制系統(tǒng),可實現(xiàn)對電解槽生產(chǎn)的高效控制,保證電解槽在新型工藝技術條件下的平穩(wěn)運行。該系統(tǒng)結(jié)構簡潔,集成度、智能化程度高,安全可靠性高,結(jié)構與功能可擴展性好,且易于操作與維護。CAN總線性能優(yōu)越,可廣泛應用于分布式控制系統(tǒng)。
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參考文獻
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