基于CAN總線的閥門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

0 引言

    普通電動(dòng)閥門是一種通用的執(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，實(shí)現(xiàn)閥門開啟和關(guān)閉的最終部件，它是電動(dòng)閥門中的核心部分。近年來，國內(nèi)生產(chǎn)電動(dòng)閥門的廠商通過對(duì)國際先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)和吸收，以及與Limitorque、Rotork等國際著名企業(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)，取得了國內(nèi)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)總線技術(shù)的出現(xiàn)，僅有現(xiàn)場(chǎng)操作以及簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制功能的電動(dòng)閥門越來越難以滿足市場(chǎng)需要，國外各大公司紛紛推出現(xiàn)場(chǎng)總線電動(dòng)閥門產(chǎn)品，但價(jià)格高昂。因此，提高我國電動(dòng)閥門的自動(dòng)化水平，對(duì)國內(nèi)的電動(dòng)閥門產(chǎn)品加以改造，推出自己的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，鞏固國內(nèi)市場(chǎng)并能逐步參與國際競(jìng)爭(zhēng)對(duì)于加入WTO的今天有著重要的意義。

    現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在制造或過程區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)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。它也被稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(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)總線的種類很多，國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線就有13種之多，其中CAN總線以其支持多主方式，卓越的短幀傳輸性能，極高的可靠性，非破壞性總線先級(jí)仲裁方式，Intel、Philips、Motorola等眾多半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商的芯片支持，以及相對(duì)簡(jiǎn)單的開發(fā)手段和低廉的開發(fā)成本，使其成為國內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)總線開發(fā)的熱點(diǎn)。本文研究的基于CAN總線的閥門控制系統(tǒng)就是將微控制器技術(shù)、CAN技術(shù)應(yīng)用于國產(chǎn)通用型電動(dòng)閥門中，同工業(yè)控制計(jì)算機(jī)一同構(gòu)成的閥門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

1 閥門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

     通用型閥門對(duì)控制精度要求不高，操作也較簡(jiǎn)單，僅有開、關(guān)、停三種狀態(tài)。通常情況下，操作人員在現(xiàn)場(chǎng)通過對(duì)閥門上控制器的操作來控制閥門的開啟和關(guān)閉，閥門的開度通過閥門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)了閥門故障狀態(tài)下的停機(jī)功能，但是對(duì)故障的診斷只能依靠操作人員的經(jīng)驗(yàn)，甚至需要開蓋檢查，給維護(hù)帶來不便。

    本文提出的遠(yuǎn)程閥門控制系統(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上位機(jī)對(duì)閥門進(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)中不同閥門的簡(jiǎn)單組態(tài)，并采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行中各閥門的狀態(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，二者可以通過現(xiàn)場(chǎng)的開關(guān)進(jìn)行切換。下位機(jī)控制系統(tǒng)中增加了檢測(cè)電路和現(xiàn)場(chǎng)總線接口，實(shí)現(xiàn)了閥門運(yùn)行中大量故障信息的采集。

    微控制器一方面能按現(xiàn)場(chǎng)或上位機(jī)設(shè)置的閥門開度值控制閥門的開啟和關(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)之間通過現(xiàn)場(chǎng)總線連接，二者分工明確，構(gòu)成真正的全分布現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(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。

    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)打印以及系統(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，并嵌入到閥門中，與閥門的電氣控制部分一同實(shí)現(xiàn)控制功能。系統(tǒng)通信選用的是CAN總線，CAN總線協(xié)議簡(jiǎn)單，僅包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，用戶可以自己定義應(yīng)用層，傳輸介質(zhì)可以采用屏蔽的雙絞線，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。總線通信速率最高可達(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，有關(guān)CAN總線技術(shù)的文獻(xiàn)較多，在此不作詳述。在本文提到的遠(yuǎn)程閥門控制系統(tǒng)中采用CAN總線是因?yàn)殚y門控制功能邏輯簡(jiǎn)單、信息量小，并結(jié)合CAN總線數(shù)據(jù)的傳輸速度、開發(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)的開發(fā)周期。上位機(jī)軟件采用VB610來設(shè)計(jì)，便于實(shí)現(xiàn)用戶需要的各種監(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)庫模塊和閥門控制模塊等幾個(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)安全以及數(shù)據(jù)庫操作。其中，閥門控制模塊是上位機(jī)軟件的核心。

 
    上位機(jī)軟件的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)各閥門狀態(tài)的監(jiān)控以及提供用戶對(duì)現(xiàn)場(chǎng)閥門的遠(yuǎn)程控制操作。上位機(jī)軟件啟動(dòng)后，首先進(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)與下位閥門控制單元采用一問一答的方式進(jìn)行信息交換，上位機(jī)對(duì)每臺(tái)閥門返回的各種狀態(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)控界面上的閥門較多，僅能簡(jiǎn)單地示出每個(gè)閥門的基本運(yùn)行狀態(tài)（啟動(dòng)、停止、故障）和開度，如果要查看某個(gè)閥門的詳細(xì)運(yùn)行信息，可以通過點(diǎn)擊界面上的閥門圖標(biāo)切換到該閥門的單臺(tái)監(jiān)測(cè)界面，這時(shí)除了可以給出閥門當(dāng)前的開度、開關(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)過熱等報(bào)警、故障信息。圖3給出了這一過程的軟件流程。

      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)閥門的遠(yuǎn)程控制功能，這種工作模式下，用戶將要求的閥門開度通過CAN總線下傳給相應(yīng)閥門中的下位機(jī)，由下位機(jī)控制閥門的啟動(dòng)和停止，并將整個(gè)過程的運(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)中不同的閥門有聯(lián)動(dòng)要求，也可以通過上位機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。

3 下位機(jī)設(shè)計(jì)

      閥門的動(dòng)作是由嵌入到閥門中的下位機(jī)控制的，下位機(jī)在接收到指定開度的命令后將分析此時(shí)閥門的運(yùn)行情況和各種狀態(tài)，如果此時(shí)閥門處于允許動(dòng)作的狀態(tài)，下位機(jī)則發(fā)出分析后的指令（開或關(guān)），待閥門開度到達(dá)指定開度時(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)的說明。

3.1 下位機(jī)硬件設(shè)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)采集及控制接口模塊、人機(jī)接口模塊、總線通信模塊。它們之間的關(guān)系如圖4所示。

    [!--empirenews.page--]① 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)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總線口），還集成了看門狗定時(shí)器。

    ② 電源監(jiān)測(cè)模塊

    閥門在工作過程中會(huì)因?yàn)槟承┰虺霈F(xiàn)主電源回路掉電的情況，用戶要求在這種情況下，下位機(jī)系統(tǒng)的監(jiān)控部分仍能短期工作，并把這種故障及時(shí)上傳到上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，以便操作人員及早發(fā)現(xiàn)、及時(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，完全可以滿足維修的需要。