基于PCC的CAN總線分布式生產(chǎn)控制系統(tǒng)

近來，由于環(huán)保意識(shí)與動(dòng)物保護(hù)主義盛行，優(yōu)質(zhì)人造皮革在國(guó)際市場(chǎng)上受到了廣泛的歡迎。因此制革機(jī)械近幾年來得到了新的發(fā)展。尤其是濕法皮革生產(chǎn)線，為提高系統(tǒng)的精度和可靠性，目前大多廠商放棄以同步控制器，溫度控制儀為主的傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式。轉(zhuǎn)而紛紛進(jìn)入PLC 加觸摸屏方式，或工控機(jī)加PLC 控制方式的格局。該生產(chǎn)線有100 - 150M 的長(zhǎng)度。同時(shí)存在60 - 70 模擬信號(hào)。

　　因此為了降低成本，增加系統(tǒng)的可靠性。我們采用了PCC（計(jì)算機(jī)控制中心） ，加CAN 總線分布采集模塊，觸摸屏構(gòu)成濕法皮革生產(chǎn)線的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

　　1. PCC 的概述

　　B&R 的PCC 控制器采用分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，因此可將控制要求分成多個(gè)任務(wù)（ task） ，并且在一個(gè)掃描周期內(nèi)同時(shí)執(zhí)行；Windows 下編程環(huán)境Automatoin Studio 支持標(biāo)準(zhǔn)的C、Basic、梯形圖、指令表、順序結(jié)構(gòu)圖等六種標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)語(yǔ)言；根據(jù)需要可以在同一個(gè)項(xiàng)目中采用多種語(yǔ)言進(jìn)行編程。同時(shí)，編程環(huán)境中包含豐富的函數(shù)庫(kù)及功能塊（Functionblock） ，大幅度減輕了開發(fā)人員的工作量。在本套控制系統(tǒng)中PCC的軟件的開發(fā)中，我們主要采用了以C語(yǔ)言為主，梯形圖為輔的編程方式。

　　2. CAN 總線的概述

　　CAN ，全稱為“Controller Area Network”，即控制器局域網(wǎng)，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。起先，CAN被設(shè)計(jì)作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置ECU 之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。比如：發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)、變速箱控制器、儀表裝備、電子主干系統(tǒng)中，均嵌入CAN 控制裝置。CAN 是一種多主方式的串行通訊總線，基本設(shè)計(jì)規(guī)范要求有高的位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測(cè)出產(chǎn)生的任何錯(cuò)誤。當(dāng)信號(hào)傳輸距離達(dá)到10Km 時(shí)，CAN 仍可提供高達(dá)50Kbit/ s 的數(shù)據(jù)傳輸速率。

　　3. 系統(tǒng)的總介紹

　　本系統(tǒng)由觸摸控制屏、PCC、CAN 總線模塊三部分構(gòu)成。具體結(jié)構(gòu)參見圖1 。其中觸摸屏主要完成工藝參數(shù)的設(shè)定，如軋輥的溫度，系統(tǒng)的走布速率等；顯示各軋輥的張力以及歷史參數(shù)，顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。包括變頻器的電流，故障代碼等。觸摸屏RS232口與PCC的RS232 建立點(diǎn)與點(diǎn)的通訊。由PCC 擁有獨(dú)創(chuàng)FARAME - DRIVE功能。因此，它幾乎可以與所有RS232 的設(shè)備進(jìn)行相互通訊。PCC 是生產(chǎn)過程的控制核心。主要功能是完成對(duì)各CAN 總線模塊掃描，獲得現(xiàn)場(chǎng)的溫度及張力軋輥位置信號(hào)。并根據(jù)工藝參數(shù)的要求進(jìn)行各種PID 運(yùn)算后輸出控制信號(hào)到CAV 總線輸出功能塊。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.

　　4. 同步控制原理

　　（1） 系統(tǒng)的傳動(dòng)線路圖：系統(tǒng)放卷與收卷用力矩電機(jī)單獨(dú)控制。整個(gè)系統(tǒng)的速度跟隨主凝固機(jī)運(yùn)動(dòng)。主凝固機(jī)由一臺(tái)5. 7KW 的矢量型變頻器拖動(dòng)。其給定信號(hào)采自于觸摸屏的設(shè)定。其他各扎機(jī)分別31 臺(tái)主頻機(jī)拖動(dòng)。每臺(tái)扎機(jī)的速度保證與主凝固機(jī)同步。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。在保證張力恒定的情況下能保證系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的同步。為了加快調(diào)節(jié)時(shí)間加入前饋控制量速度設(shè)定，使系統(tǒng)在起動(dòng)和速度升降過程中張力波動(dòng)減少，在張力控制過程中一旦出現(xiàn)了張力過載，PCC 輸出控制氣閥抬起了壓輥。張力恢復(fù)正常后又自動(dòng)壓上壓輥，其控制策略采用雙位控制。

　　（2） 溫度控制：溫度采用C 語(yǔ)言使用PID 函數(shù)，可以控制無限路溫度調(diào)節(jié)。在該系統(tǒng)中，一般控制8 到10 路溫控。由于采用的是C 語(yǔ)言，可以動(dòng)態(tài)的定義當(dāng)前有幾路溫控，普通溫控表或PID 調(diào)節(jié)器難以進(jìn)行準(zhǔn)確溫控； 而B &R 公司智能溫度PID 軟件可以自動(dòng)計(jì)算出不同溫控所需要的PID 參數(shù)，使溫度控制精確到±1 ℃。

　　5. PCC 的CAN 總線的特點(diǎn)與下位CAN 模塊的通訊

　　（1） PCC 的CAN 總線的使用

　　PCC 的CAN 幀最多可用8 個(gè)字節(jié)的信息進(jìn)行讀寫。這部從通過調(diào)用CAN 函數(shù)庫(kù)來實(shí)現(xiàn)。其中包括CONOPEN ， CANWRITE ， CANREAD ，以及SANTAB 和CANRWTAB.CANOPEN 函數(shù)包括完成對(duì)CAN 總線的初始化，需要注意的是CAN 總線的初始化必須包含在初始化例程INTI SP 中。CANOPEN （ 1 ，BAND - RATE ，COB - ANT ，ADR （ ERRO - ADR） ， 0. ， 0 US - IDENT ，STAFUS） 其中BAND - rate = 25 ，即代表波特功率為250K.US - IDENT 是調(diào)用CAN 初始化得到的到PCC 的CAN的ID ，在CAN 總線的讀寫過程都將用到該參數(shù)。CAN 總線的寫信息通過在優(yōu)先級(jí)較高的進(jìn)程中采用CAN2WRITE函數(shù)，其函數(shù)參數(shù)定義如下：CANWRITE（BAND -RATE ，COB - ANT ，ADR ERRO - ADR ，0 ，0 ，US - IDENT ，STATUS ） ，enable = 1 ，us - idenf 為在CANopen （） 初始化中建立的us - idenf .CAN - id 為數(shù)據(jù)目標(biāo)CAN 模塊有關(guān)的CAN 數(shù)據(jù)楨的ID.DATE - ADR 為發(fā)送數(shù)據(jù)模塊的首地址。Date - iog 為發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。其最大值為8.如果以CAN - id 為幀地址數(shù)據(jù)被成功發(fā)送則status = 0 ，反之status= 錯(cuò)誤代碼。其發(fā)送數(shù)據(jù)的流程如下：

寫PCCD 的CAN 總線代碼：

　　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） ;錯(cuò)誤處理

　　endif

　　enfif

　?。?） PCC CAN 總線的讀數(shù)據(jù)

　　在PCC 中設(shè)置一較高優(yōu)先級(jí)的task 來處理輪尋采集模塊的數(shù)據(jù)。為降低系統(tǒng)成本和提高采樣的速率。本系統(tǒng)根據(jù)軋輥的分布情況采用8 塊張力，2 塊熱電偶采集模塊。每塊模塊可采集6 路信號(hào)。實(shí)際使用4 路輸入，另外2 路作為備用。采樣精度為10 位。這樣需求20 個(gè)CAN- id.其采樣周T = 20 ×task 的（時(shí)間片= 1ms） 。其初始化，及函數(shù)參數(shù)表同CANwrite 其讀過程應(yīng)限于篇幅也從略。

　?。?） 現(xiàn)場(chǎng)采集模塊的構(gòu)成

　　如上所述，濕法皮革生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣。因此設(shè)計(jì)高可靠的CAN 總線模塊是生產(chǎn)線正常運(yùn)行必要保障。其結(jié)構(gòu)框圖如圖4 所示。電路中采用了89C51 芯片。該芯片集成mcs - 51 內(nèi)核。具有電路10 位A/ D.內(nèi)建兼容CAN 2. 0B 的CAN 總線控制器。取代系統(tǒng)的分散元件，提高了系統(tǒng)的可靠性?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)的干擾及PCC 的設(shè)備安全，在CAN 總線與CAN 控制的輸出之間采用光電隔離。為CAN 總線的驅(qū)動(dòng)器P82C250.P82C250 是專門用于CAN 總線的收發(fā)驅(qū)動(dòng)8 腳芯片，TxD 和RxD 引腳分別發(fā)送經(jīng)驅(qū)動(dòng)后的發(fā)送和接收信號(hào)；雙絞線介質(zhì)分別接受CANH ，CANL 引腳。在網(wǎng)絡(luò)的末端應(yīng)注意加上120 終端匹配電阻。防止反射信號(hào)對(duì)通訊過程的影響?，F(xiàn)場(chǎng)控制器的結(jié)構(gòu)圖如圖5 現(xiàn)場(chǎng)模塊主要完成對(duì)0~5V 張力信號(hào)的采集，熱電偶mV 信號(hào)的采集，現(xiàn)場(chǎng)溫度的采集。mV信與0~5V 信號(hào)采用開關(guān)切換。D/ A 轉(zhuǎn)換輸出0~5V 電壓信號(hào)控制變頻器。87C591 內(nèi)含一SJ1000 的CAN 控制器，因此模塊降低外圍器件，也避免SJ1000 與MCS 時(shí)鐘同步問題。CAN 的驅(qū)動(dòng)采用P82C520 專用芯片，并且實(shí)現(xiàn)控制器與網(wǎng)路的光電隔離。P87C591 是一個(gè)單片8 位微控制器，具有片內(nèi)CAN 控制器SJ1000A.全靜態(tài)內(nèi)核提供了擴(kuò)展的節(jié)電方式，振蕩器可停止和恢復(fù)數(shù)據(jù)，在RM 外部時(shí)鐘速率時(shí)實(shí)500ns 指令周期，片內(nèi)令6 路10 位AD等其他性能。

　　6. CAN 通信軟件的設(shè)計(jì)

　　（1） CAN 通信協(xié)議的確定

　　由87C591 中的控制器提供了物理層，數(shù)據(jù)鏈路層。通訊協(xié)議的設(shè)計(jì)主要是基于應(yīng)用層開展的，通過有效的分配CAN 協(xié)議的ID 資源從而完成對(duì)各控制住處和數(shù)據(jù)正確可靠的傳輸。ID 的分配表如下表所示：

　　（2） 采樣方案的確定

　　這樣通過有效分配ID 號(hào)來保證各種數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)，由于溫度過程時(shí)間常數(shù)較大可采用較低優(yōu)先級(jí)，張力采樣需要實(shí)時(shí)采樣，因此采用較高優(yōu)先級(jí)，并且在主站的CAN數(shù)據(jù)輪詢中安排不同的采樣周期，在PCC 中采樣周期可以通過設(shè)定不同的TASK的時(shí)間片來控制。溫度采樣控制過程采用IS的TASK，而張力采樣則采用MS的HS級(jí)的TASK.

　?。?） 現(xiàn)場(chǎng)采集模塊CAN 總線通程序流程

　　現(xiàn)場(chǎng)模塊采集用接收信息采用中斷方式，根據(jù)數(shù)據(jù)請(qǐng)示信號(hào)，采用查詢發(fā)送采集信息。在CAN 通信過程中發(fā)生中斷還應(yīng)判斷中斷類型，并依此作一些故障處理，這里從略，需要說明的本現(xiàn)場(chǎng)采集模塊充分利用CAN 控制器四個(gè)接收屏驗(yàn)收濾波器靈活配置，來簡(jiǎn)化根據(jù)ID的信息分類。

　　7. 結(jié)束語(yǔ)

　　本系統(tǒng)綜合的PCC 的編程靈活，可靠性高與CAN 總線分布系統(tǒng)的價(jià)格與可靠性優(yōu)勢(shì)。它的應(yīng)用，增強(qiáng)了皮革生產(chǎn)線的柔性與可靠性。降低了成本，本系統(tǒng)應(yīng)用2003PCC 系列主機(jī)，對(duì)電力系統(tǒng)，以其他需要高速采集數(shù)據(jù)的分布系統(tǒng)具有一定的借簽。