如何设计CAN总线分布式生产控制系统？

近来，由于环保意识与动物保护主义盛行，优质人造皮革在国际市场上受到了广泛的欢迎。因此制革机械近几年来得到了新的发展。尤其是湿法皮革生产线，为提高系统的精度和可靠性，目前大多厂商放弃以同步控制器，温度控制仪为主的传统实现方式。转而纷纷进入PLC 加触摸屏方式，或工控机加PLC 控制方式的格局。该生产线有100 - 150M 的长度。同时存在60 - 70 模拟信号。

因此为了降低成本，增加系统的可靠性。我们采用了PCC（计算机控制中心），加CAN 总线分布采集模块，触摸屏构成湿法皮革生产线的自动控制系统。

刘双喜

2019-8-13 16:58:18

1. PCC 的概述

B&R 的PCC 控制器采用分时多任务操作系统，因此可将控制要求分成多个任务（ task），并且在一个扫描周期内同时执行；Windows 下编程环境Automatoin Studio 支持标准的C、Basic、梯形图、指令表、顺序结构图等六种标准的开发语言；根据需要可以在同一个项目中采用多种语言进行编程。同时，编程环境中包含丰富的函数库及功能块（Functionblock），大幅度减轻了开发人员的工作量。在本套控制系统中PCC的软件的开发中，我们主要采用了以C语言为主，梯形图为辅的编程方式。

2. CAN 总线的概述

CAN ，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。起先，CAN被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如：发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入CAN 控制装置。CAN 是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10Km 时，CAN 仍可提供高达50Kbit/ s 的数据传输速率。

3. 系统的总介绍

本系统由触摸控制屏、PCC、CAN 总线模块三部分构成。具体结构参见图1 。其中触摸屏主要完成工艺参数的设定，如轧辊的温度，系统的走布速率等；显示各轧辊的张力以及历史参数，显示系统的运行状态。包括变频器的电流，故障代码等。触摸屏RS232口与PCC的RS232 建立点与点的通讯。由PCC 拥有独创FARAME - DRIVE功能。因此，它几乎可以与所有RS232 的设备进行相互通讯。PCC 是生产过程的控制核心。主要功能是完成对各CAN 总线模块扫描，获得现场的温度及张力轧辊位置信号。并根据工艺参数的要求进行各种PID 运算后输出控制信号到CAV 总线输出功能块。其系统结构框图如图2.

　　

　　4. 同步控制原理

　　（1）系统的传动线路图：系统放卷与收卷用力矩电机单独控制。整个系统的速度跟随主凝固机运动。主凝固机由一台5. 7KW 的矢量型变频器拖动。其给定信号采自于触摸屏的设定。其他各扎机分别31 台主频机拖动。每台扎机的速度保证与主凝固机同步。其结构框图如图3 所示。在保证张力恒定的情况下能保证系统转速的同步。为了加快调节时间加入前馈控制量速度设定，使系统在起动和速度升降过程中张力波动减少，在张力控制过程中一旦出现了张力过载，PCC 输出控制气阀抬起了压辊。张力恢复正常后又自动压上压辊，其控制策略采用双位控制。

　　

　　（2）温度控制：温度采用C 语言使用PID 函数，可以控制无限路温度调节。在该系统中，一般控制8 到10 路温控。由于采用的是C 语言，可以动态的定义当前有几路温控，普通温控表或PID 调节器难以进行准确温控；而B &R 公司智能温度PID 软件可以自动计算出不同温控所需要的PID 参数，使温度控制精确到±1 ℃。

　

倪梁靓

2019-8-13 16:58:21

　5. PCC 的CAN 总线的特点与下位CAN 模块的通讯

　　（1） PCC 的CAN 总线的使用

　　PCC 的CAN 帧最多可用8 个字节的信息进行读写。这部从通过调用CAN 函数库来实现。其中包括CONOPEN ， CANWRITE ， CANREAD ，以及SANTAB 和CANRWTAB.CANOPEN 函数包括完成对CAN 总线的初始化，需要注意的是CAN 总线的初始化必须包含在初始化例程INTI SP 中。CANOPEN （ 1 ，BAND - RATE ，COB - ANT ，ADR （ ERRO - ADR）， 0. ， 0 US - IDENT ，STAFUS）其中BAND - rate = 25 ，即代表波特功率为250K.US - IDENT 是调用CAN 初始化得到的到PCC 的CAN的ID ，在CAN 总线的读写过程都将用到该参数。CAN 总线的写信息通过在优先级较高的进程中采用CAN2WRITE函数，其函数参数定义如下：CANWRITE（BAND -RATE ，COB - ANT ，ADR ERRO - ADR ，0 ，0 ，US - IDENT ，STATUS ），enable = 1 ，us - idenf 为在CANopen （）初始化中建立的us - idenf .CAN - id 为数据目标CAN 模块有关的CAN 数据桢的ID.DATE - ADR 为发送数据模块的首地址。Date - iog 为发送的数据长度。其最大值为8.如果以CAN - id 为帧地址数据被成功发送则status = 0 ，反之status= 错误代码。其发送数据的流程如下：

　　

写PCCD 的CAN 总线代码：

　　INIT SP for the task

　　enable = 1

　　baud- rate = 25

　　cob-anz = 35

　　CAN-open （enable ，baud- rate ，cob-ant ，adr （erro-adr），0 ，0 ，us-ident ，rc-open）

　　;Cyclic section of tark

　　if （rc-open = 0） then

　　CANwrite （enble ， us-ident ，＄ # # ， adr （ data-adr）， 8 ， rcwrite）

　　If （rc-write > < 1then） ;错误处理

　　endif

　　enfif

　　（2） PCC CAN 总线的读数据

　　在PCC 中设置一较高优先级的task 来处理轮寻采集模块的数据。为降低系统成本和提高采样的速率。本系统根据轧辊的分布情况采用8 块张力，2 块热电偶采集模块。每块模块可采集6 路信号。实际使用4 路输入，另外2 路作为备用。采样精度为10 位。这样需求20 个CAN- id.其采样周T = 20 ×task 的（时间片= 1ms）。其初始化，及函数参数表同CANwrite 其读过程应限于篇幅也从略。

　　（3）现场采集模块的构成

　　如上所述，湿法皮革生产线现场环境恶劣。因此设计高可靠的CAN 总线模块是生产线正常运行必要保障。其结构框图如图4 所示。威廉希尔官方网站中采用了89C51 芯片。该芯片集成mcs - 51 内核。具有威廉希尔官方网站 10 位A/ D.内建兼容CAN 2. 0B 的CAN 总线控制器。取代系统的分散元件，提高了系统的可靠性。考虑到现场的干扰及PCC 的设备安全，在CAN 总线与CAN 控制的输出之间采用光电隔离。为CAN 总线的驱动器P82C250.P82C250 是专门用于CAN 总线的收发驱动8 脚芯片，TxD 和RxD 引脚分别发送经驱动后的发送和接收信号；双绞线介质分别接受CANH ，CANL 引脚。在网络的末端应注意加上120 终端匹配电阻。防止反射信号对通讯过程的影响。现场控制器的结构图如图5 现场模块主要完成对0~5V 张力信号的采集，热电偶mV 信号的采集，现场温度的采集。mV信与0~5V 信号采用开关切换。D/ A 转换输出0~5V 电压信号控制变频器。87C591 内含一SJ1000 的CAN 控制器，因此模块降低外围器件，也避免SJ1000 与MCS 时钟同步问题。CAN 的驱动采用P82C520 专用芯片，并且实现控制器与网路的光电隔离。P87C591 是一个单片8 位微控制器，具有片内CAN 控制器SJ1000A.全静态内核提供了扩展的节电方式，振荡器可停止和恢复数据，在RM 外部时钟速率时实500ns 指令周期，片内令6 路10 位AD等其他性能。

　　

　　6. CAN 通信软件的设计

　　（1） CAN 通信协议的确定

　　由87C591 中的控制器提供了物理层，数据链路层。通讯协议的设计主要是基于应用层开展的，通过有效的分配CAN 协议的ID 资源从而完成对各控制住处和数据正确可靠的传输。ID 的分配表如下表所示：

　　

　　（2）采样方案的确定

　　这样通过有效分配ID 号来保证各种数据的优先级，由于温度过程时间常数较大可采用较低优先级，张力采样需要实时采样，因此采用较高优先级，并且在主站的CAN数据轮询中安排不同的采样周期，在PCC 中采样周期可以通过设定不同的TASK的时间片来控制。温度采样控制过程采用IS的TASK，而张力采样则采用MS的HS级的TASK.

　　（3）现场采集模块CAN 总线通程序流程

　　现场模块采集用接收信息采用中断方式，根据数据请示信号，采用查询发送采集信息。在CAN 通信过程中发生中断还应判断中断类型，并依此作一些故障处理，这里从略，需要说明的本现场采集模块充分利用CAN 控制器四个接收屏验收滤波器灵活配置，来简化根据ID的信息分类。

　　7. 结束语

　　本系统综合的PCC 的编程灵活，可靠性高与CAN 总线分布系统的价格与可靠性优势。它的应用，增强了皮革生产线的柔性与可靠性。降低了成本，本系统应用2003PCC 系列主机，对电力系统，以其他需要高速采集数据的分布系统具有一定的借签。

李艳玮

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刘双喜

倪梁靓

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