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基于CAN總線的橡膠加工分布式計算機測控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)
摘要: 為了提高橡膠加工廠的生產(chǎn)工藝執(zhí)行率,強化工藝管理,便于現(xiàn)場檢查工藝參數(shù),利于企業(yè)推行企業(yè)計算機集成制造系統(tǒng)CIMS、企業(yè)管理信息系統(tǒng)MIS和貫徹ISO9000~9002質(zhì)量標準,我們?yōu)槟诚鹉z加工廠設計一套基于CAN總線的橡膠加工過程的分布式計算機測控系統(tǒng)。整個計算機測控系統(tǒng)由4個工程師站和13個現(xiàn)場控制站點組成,整個測控系統(tǒng)以Windows9x為操作平臺,采用CAN總線網(wǎng)絡結(jié)構。整個系統(tǒng)已平穩(wěn)運行一年,運行良好。   
Abstract:
Key words :

為了提高橡膠加工廠的生產(chǎn)工藝執(zhí)行率,強化工藝管理,便于現(xiàn)場檢查工藝參數(shù),利于企業(yè)推行企業(yè)計算機集成制造系統(tǒng)CIMS、企業(yè)管理信息系統(tǒng)MIS和貫徹ISO9000~9002質(zhì)量標準,我們?yōu)槟诚鹉z加工廠設計一套基于CAN總線的橡膠加工過程的分布式計算機測控系統(tǒng)。整個計算機測控系統(tǒng)由4個工程師站和13個現(xiàn)場控制站點組成,整個測控系統(tǒng)以Windows9x為操作平臺,采用CAN總線網(wǎng)絡結(jié)構。整個系統(tǒng)已平穩(wěn)運行一年,運行良好。
  
橡膠加工廠一般均設有:配合劑稱量、混煉、硫化、修補等工段,其中最為關鍵的兩個工段為稱量和硫化工段?,F(xiàn)在,我國的一些橡膠加工廠的稱重配料和硫化為人工操作、控制,人為因素極大地影響了橡膠制品的加工質(zhì)量和硫化性能。為了減少人為的因素的影響,配料稱量、橡膠硫化生產(chǎn)過程采用計算機控制是十分必要的。整個計算機控制過程主要是硫化溫度的采集、控制,在溫度控制時,加入數(shù)字增量PID調(diào)節(jié)功能。
  
根據(jù)橡膠加工廠的特點,整個系統(tǒng)應具有工藝流程畫面顯示、曲線趨勢圖顯示、數(shù)據(jù)存儲、實時故障報警及報表打印、歷史數(shù)據(jù)查詢、配方更改、工藝流程更改等功能。為了使整個分布式測控系統(tǒng)能安全、可靠、高性能地運行,同時考慮用戶將來的擴展需要,整個系統(tǒng)采用如下設計思路:
  
(1)系統(tǒng)采用三級分布式結(jié)構網(wǎng)絡,由工程師管理站和現(xiàn)場測控站點構成。工程師管理站對其所監(jiān)控的分現(xiàn)場測控站進行管理和調(diào)度,通過熱鍵切換,也可對整個分布式測控系統(tǒng)中的各個現(xiàn)場測控站進行統(tǒng)一管理和調(diào)度。各個現(xiàn)場測控站分管若干個現(xiàn)場輸入/輸出(I/O)單元,且相互之間獨立,共同完成各個現(xiàn)場測控站點的數(shù)據(jù)采集、控制及通信功能,從而可以保證系統(tǒng)在某一個現(xiàn)場I/O單元或某一現(xiàn)場測控站出現(xiàn)故障時不出現(xiàn)失控現(xiàn)象。
  
(2)現(xiàn)場工程師站向上與廠信息處理工作站、總工程師等組成快速以太網(wǎng)(Ethernet),以備將來與Internet網(wǎng)互聯(lián)。
  
(3)系統(tǒng)采用總線式的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡,它具備多主協(xié)議、通信速率高、實時能力、錯誤糾正、強噪聲抑制能力,同時,系統(tǒng)具備一定的擴充能力。
  
(4)硬件采用模塊化結(jié)構:現(xiàn)場單元全部采用智能化的測控模塊,且全為插拔式或插入螺絲端子接線,以使現(xiàn)場若發(fā)生故障時維修人員可以方便、快速地進行更換,而不影響正常的生產(chǎn)。
  
根據(jù)用戶需求,系統(tǒng)正常運行時,從信號采集和控制流程看,本系統(tǒng)分為4個獨立的部分:配合劑稱量工段分站;橡膠混合工段分站;橡膠硫化工段分站;成品修補工段分站。其中每個部分設1臺工程師站對本站進行數(shù)據(jù)采集和控制。同時要求四部分的工程師站能互為備份,當某一臺工程師站出現(xiàn)故障時,通過熱鍵切換,系統(tǒng)進入應急托管狀態(tài),由其他3臺工程師站進行臨時托管。從適用性、先進性和系統(tǒng)低成本考慮,現(xiàn)場總線采用CAN(控制器區(qū)域網(wǎng))總線[2] [3],它是一種廣泛應用于工業(yè)自動化領域的先進的現(xiàn)場總線,具有以下顯著特性:
  
它是一種高速串行總線,具備多主協(xié)議,網(wǎng)上任意兩個接點都可以直接交換數(shù)據(jù)。
  
具備實時能力。CAN網(wǎng)通過非破壞性的位總線仲裁技術來處理多接點同時訪問網(wǎng)絡的沖突,從而滿足實時性的需要,也保證不丟失數(shù)據(jù)和損失帶寬。
  
廣播式數(shù)據(jù)通訊。采用CSMA/CD協(xié)議進行總線控制及數(shù)據(jù)通信,當節(jié)點往網(wǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)時,其他所有節(jié)點都同時收到數(shù)據(jù)。
  
高傳輸可靠性
  
CAN特別適合于網(wǎng)絡化智能設備,滿足ISO11898,傳輸速率可達1Mbps,傳輸距離1000m,傳輸方式和介質(zhì)為差分電壓和雙絞線。驅(qū)動器/接受器為64/64,經(jīng)CAN總線擴展器可擴充到256個。
  
工程師站
  
根據(jù)用戶的需求,本方案選用臺灣研華公司的工控機IPC610P,其主頻為233MHz。為適應總線需求,在工控機內(nèi)配置一塊研華PCL841雙通道隔離式CAN總線卡。它支持工控機與CAN網(wǎng)的聯(lián)接及通訊,傳輸速率最大為1Mbps。比工控機通過RS-232經(jīng)ADAM4525再上CAN網(wǎng)的通訊速率大大提高。 現(xiàn)場智能單元
  
現(xiàn)場智能單元采用研華產(chǎn)品ADAM5000/CAN,它主要用來做獨立的數(shù)據(jù)采集控制,可通過其CAN網(wǎng)接口與上位機通信,特別適合應用于現(xiàn)場總線式的數(shù)據(jù)采集場合。ADAM5000/CAN內(nèi)置16位微處理器,具有4個模塊插槽(支持64個I/O點),內(nèi)置CAN口。具有足夠的現(xiàn)場響應能力和I/O 處理能力。同時支持現(xiàn)場站點直接與CAN接口(可選DeviceNET或CANopen協(xié)議),且自帶軟硬件自檢和看門狗。
  
ADAM5000/CAN使用中斷方法完成狀態(tài)改變功能,在狀態(tài)改變功能時,僅當數(shù)據(jù)改變時才產(chǎn)生數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)然后廣播到網(wǎng)上的所有設備,計算機或控制器在事件發(fā)生的同時接收數(shù)據(jù)。
  
現(xiàn)場I/O模塊
  
現(xiàn)場I/O模塊采用ADAM5000系列,它具有體積緊湊、符合現(xiàn)場總線的趨勢,其數(shù)據(jù)采集、模擬輸出以及數(shù)字I/O等3種不同的數(shù)據(jù)采集,使現(xiàn)場I/O設備容易構成計算機應用網(wǎng)絡。具有系統(tǒng)設計靈活、易于安裝和組網(wǎng)、適合于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境、支持的軟件豐富等特點。
  
現(xiàn)場I/O 模塊根據(jù)現(xiàn)場的實際控制需要,分為模擬輸出模塊、模擬輸入模塊、數(shù)字輸入模塊、數(shù)字輸出模塊以及熱電偶(RTD)輸入模塊,所用的幾種主要功能模塊如下:
  
模擬量采集:ADAM5017(8通道),模擬量輸出:ADAM5024(4通道),數(shù)字量輸出:ADAM5056(16通道),數(shù)字量輸入:ADAM5052(隔離、8通道),熱電偶輸入:ADAM50(3通道),繼電器輸入:ADAM5068(8通道)。
  
過程控制流程
  
現(xiàn)場過程信號采集及監(jiān)控流程由4部分組成:配合劑稱量工段控制流程、橡膠混合工段分站控制流程、橡膠硫化工段分站控制流程、成品修補工段分站控制流程,4個工段由相應的工程師站管理。每個工段又分為若干個現(xiàn)場站點,每個現(xiàn)場站點又實時監(jiān)控若干個現(xiàn)場I/O單元,形成四級管理。
  
數(shù)據(jù)采集監(jiān)控流程為:每個現(xiàn)場I/O單元實時變送相應的現(xiàn)場環(huán)境參數(shù),現(xiàn)場測控站點ADAM5000/CAN實時采集所屬的現(xiàn)場I/O單元的數(shù)值,然后ADAM5000/CAN將一些重要的數(shù)據(jù)通過CAN總線上報到工程師站,工程師站根據(jù)實時監(jiān)測到的各種模擬信號以及數(shù)字量進行邏輯判斷、實時處理后,形成歷史數(shù)據(jù),實時報警、實時顯示各現(xiàn)場測控站點的運行狀態(tài),同時,產(chǎn)生必要的控制參數(shù),再通過CAN總線傳輸?shù)浆F(xiàn)場站點ADAM5000/CAN,現(xiàn)場站點ADAM5000/CAN再分別通過數(shù)字輸出模塊和模擬輸出模塊實時控制相應的現(xiàn)場執(zhí)行機構,以調(diào)整現(xiàn)場的工作環(huán)境。
  
為了用戶操作方便,需要畫面顯示、曲線趨勢圖顯示、數(shù)據(jù)存儲、實時故障報警及報表打印等功能,因此,在軟件設計時,采用組態(tài)式設計方法。應用軟件采用Windows視窗技術,且為全新的中文瀏覽器界面,操作界面圖形化,使操作更為直觀、方便、靈活,視窗界面更為友好。應用軟件采用現(xiàn)場總線的通信協(xié)議,具有多主、實時、高可靠性、較低的系統(tǒng)硬件成本等優(yōu)點,使應用軟件可在環(huán)境較為惡劣的工作現(xiàn)場中穩(wěn)定運行,降低了整個網(wǎng)絡的風險性。
  
軟件功能
  
工程師站完成相應工段分網(wǎng)的檢測、控制及管理任務,作為工程師的工具,使分網(wǎng)能夠低耗、安全運行,其主要功能有:(1)巡檢、存儲并實時顯示分網(wǎng)的運行參數(shù),使工程師能夠隨時查看到分網(wǎng)的實時和歷史數(shù)據(jù),從而對分網(wǎng)進行統(tǒng)一的檢測和管理。(2)根據(jù)分網(wǎng)實時參數(shù),分析運行工況、及時發(fā)現(xiàn)分網(wǎng)出現(xiàn)的各種異?,F(xiàn)象,分析系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障,并及時顯示報警。(3)隨時打印各種報表和記錄,包括:報警打印、報表定時打印、操作記錄打印。(4)各種信息顯示,包括:日期、時間顯示,流程畫面顯示,分組控制顯示,趨勢顯示,操作指示顯示等。(5)配方管理、簡單實用的報表處理系統(tǒng);(6)各種先進控制算法及其參數(shù)的自整定。
  
現(xiàn)場站點的功能包括:
  
數(shù)據(jù)實時采集、處理、顯示;
  
故障實時報警、顯示;
  
現(xiàn)場設備實時監(jiān)控;
  
軟件模塊

為了使系統(tǒng)具有畫面顯示、曲線趨勢圖、數(shù)據(jù)存儲、實時故障報警及報表打印的功能,軟件分為,二級工程師站的應用程序和現(xiàn)場站點的應用程序,其中:二級工程師站的應用程序有以下幾個大的功能模塊:(1)初始化模塊;(2)控制參數(shù)設定模塊;(3)通信模塊;(4)數(shù)據(jù)采集模塊;(5)現(xiàn)場/遠程控制模塊;(6)數(shù)據(jù)記錄、查詢以及報表打印模塊;(7)故障診斷報警模塊;(8)生產(chǎn)工藝流程畫面顯示模塊。
  
現(xiàn)場站點的應用程序有以下幾個大的功能模塊:(1)初始化模塊;(2)控制參數(shù)設定模塊;(3)控制參數(shù)設定模塊;(4)數(shù)據(jù)采集與顯示模塊;(5)故障監(jiān)測和報警模塊。
  
為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行,系統(tǒng)采取了如下幾點重要的措施:(1)網(wǎng)絡采用非破壞性的總線仲裁,避免了各通信設備爭用總線而導致通信失敗和數(shù)據(jù)丟失的弊端。(2)采用CRC校驗方式,使通信系統(tǒng)具有強有力的錯誤偵測和糾正功能。(3)在線分網(wǎng)監(jiān)控,且互為備份。(4)采用“Watchdog(看門狗)”技術,保證系統(tǒng)在強干擾下不會出現(xiàn)死機現(xiàn)象。(5)軟件中采用了數(shù)字濾波技術。
  
該系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線控制技術,并選用CAN式的網(wǎng)絡結(jié)構,極大地提高了整個測控系統(tǒng)的可靠性、實時性。整個系統(tǒng)采用先進的設計思想,保證了系統(tǒng)的先進性。整個系統(tǒng)運行一年來,性能穩(wěn)定,運行可靠,并為該企業(yè)創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟和社會效益。

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