摘? 要: 介紹了基于CAN總線的分布式鋁電解控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法,給出了CAN總線的硬件接口電路設(shè)計(jì)和槽控機(jī)邏輯電路結(jié)構(gòu)圖。
關(guān)鍵詞: CAN總線? 電解槽? 槽控機(jī)
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鋁電解生產(chǎn)計(jì)算機(jī)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(jìn)一步發(fā)展到了分布式系統(tǒng)。集中控制采用單機(jī)群控技術(shù),比較成功地解決了鋁電解生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用問(wèn)題。為了對(duì)每臺(tái)鋁電解槽比較復(fù)雜的控制進(jìn)行解析、響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)的多種操作、控制程序多任務(wù)調(diào)度等,同時(shí)也為了解決集中控制的脆弱性、實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題,需要對(duì)鋁電解槽實(shí)施分布式控制方案。現(xiàn)在分布式控制已成為鋁行業(yè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。為此,本文介紹鋁行業(yè)比較先進(jìn)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(tái)串聯(lián)式直流鋁電解槽組成。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集信號(hào)為每臺(tái)電解槽槽電壓和系列電流,對(duì)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(bǔ)償?shù)牟垭娮钄?shù)學(xué)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(duì)于氧化鋁濃度的控制,由于該濃度無(wú)法直接測(cè)定而無(wú)法建立精確的數(shù)學(xué)模型。但是它和槽電阻的變化有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)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(jiǎn)述
CAN總線即控制器局域網(wǎng)絡(luò),是由德國(guó)Bosch公司為汽車的監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的總線式串行通訊網(wǎng)絡(luò),適用于工業(yè)過(guò)程控制設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備之間的互聯(lián)。CAN可以多主方式工作,網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)均可主動(dòng)向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息;網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可按系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求分成不同的優(yōu)先級(jí),一旦發(fā)生總線沖突,會(huì)減少總線仲裁時(shí)間。CAN采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀為8個(gè)字節(jié),保證了數(shù)據(jù)的出錯(cuò)率極低,被公認(rèn)為最有發(fā)展前途的現(xiàn)場(chǎng)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(dá)1Mbps，傳輸距離可達(dá)10km。
3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)由智能槽控機(jī)、監(jiān)控計(jì)算機(jī)和CAN總線三部分構(gòu)成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。其中智能槽控機(jī)是直接面向生產(chǎn)過(guò)程的,主要功能是采集和控制現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)交換是通過(guò)CAN總線網(wǎng)絡(luò)送到監(jiān)控計(jì)算機(jī),監(jiān)控計(jì)算機(jī)由一臺(tái)工業(yè)控制PC機(jī)構(gòu)成,主要功能是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)槽控機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置;通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)槽控機(jī)的數(shù)據(jù);監(jiān)測(cè)系統(tǒng)異常和完成報(bào)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(yīng)通訊軟件組成。CAN接口卡是具有高性能價(jià)格比的智能通訊適配卡PCCAN,它使監(jiān)控計(jì)算機(jī)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(jī)PC 的負(fù)擔(dān),而且可以完成用戶復(fù)雜的通訊任務(wù)。卡上有1KB或2KB高速雙口RAM,直接映射到主機(jī)內(nèi)存空間,實(shí)現(xiàn)CAN與主機(jī)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(dǎo)致?lián)p壞,增強(qiáng)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(dòng)程序。
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該系統(tǒng)采用的傳輸介質(zhì)為雙絞線,負(fù)載連接在CAN-H和CAN-L之間,終端匹配阻抗的值應(yīng)該等于信號(hào)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(jī)的設(shè)計(jì)
槽控機(jī)以LG公司的GMS90C32單片機(jī)為核心而設(shè)計(jì)。該單片機(jī)為90年代產(chǎn)品,與Intel MCS-51系列單片機(jī)兼容。每臺(tái)槽控機(jī)由兩個(gè)機(jī)箱組成,分別為動(dòng)力箱和邏輯箱。動(dòng)力箱主要由常規(guī)控制電路和信號(hào)采集板組成,是槽控機(jī)的供電部分和控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。邏輯箱是槽控機(jī)的核心部分,其本質(zhì)是一臺(tái)功能復(fù)雜的專用計(jì)算機(jī)。邏輯箱的硬件結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。它主要由5塊均帶CPU的功能相對(duì)獨(dú)立的智能模板組成。通過(guò)CAN總線聯(lián)接起來(lái)組成先進(jìn)的多CPU網(wǎng)絡(luò)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(duì)過(guò)程控制進(jìn)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(shí)現(xiàn)與上位機(jī)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(guān)的輸入信號(hào),輸出運(yùn)行信息
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采用軟件模擬方式完成原來(lái)靠硬件電路實(shí)現(xiàn)的組合邏輯關(guān)系。其輸入手動(dòng)信號(hào)采用無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)的觸摸式開關(guān)。
3.2 智能模板接口電路的設(shè)計(jì)
上述5塊智能模板,除通信模塊需增加CAN收發(fā)器(型號(hào) 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(jī)智能模板結(jié)構(gòu)圖見圖3。GMS90C32為單片機(jī),屬總線型結(jié)構(gòu),可以根據(jù)應(yīng)用需要擴(kuò)展不同功能。X25045為監(jiān)測(cè)電路,它把常用的三種功能即看門狗定時(shí)器、電壓監(jiān)控和EEPROM組合在單個(gè)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(shí)器對(duì)單片機(jī)提供保護(hù)作用。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),在選定的超時(shí)時(shí)間之后,X25045的看門狗將以RESET信號(hào)做出響應(yīng)。利用X25045低Vcc檢測(cè)電路,可以保護(hù)系統(tǒng)使之免受低電壓的影響。當(dāng)Vcc降到最小Vcc轉(zhuǎn)換點(diǎn)以下時(shí),系統(tǒng)復(fù)位。復(fù)位一直到Vcc返回規(guī)定值且穩(wěn)定為止。X25045的存儲(chǔ)器是CMOS的4K位EEPROM。PSD311為可編程單片機(jī)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(shè)計(jì)者不再考慮由離散器件構(gòu)成所需的存儲(chǔ)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(fù)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(shí)現(xiàn);片選信號(hào)/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(hù)和驅(qū)動(dòng)功能;TXD和RXD引腳分別用于發(fā)送和接收信號(hào)。
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3.3 CAN通訊軟件設(shè)計(jì)
CAN設(shè)計(jì)的三層結(jié)構(gòu)模型為:物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)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(luò)通訊幀,即數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤指示幀和超載幀。CAN通訊協(xié)議的實(shí)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(shí)現(xiàn)的,因此系統(tǒng)的開發(fā)主要在應(yīng)用層軟件的設(shè)計(jì)上。應(yīng)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(dāng)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(yīng)對(duì)SJA1000中的有關(guān)控制寄存器寫入控制字,進(jìn)行初始化。之后,CPU即可通過(guò)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(shí)現(xiàn)CAN的通訊過(guò)程,其中斷服務(wù)程序流程圖見圖4。
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??? 在程序設(shè)計(jì)中,設(shè)置了DW、XW兩個(gè)標(biāo)志,這樣CPU不通過(guò)SJA1000即可知道當(dāng)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(shí)現(xiàn)對(duì)電解槽生產(chǎn)的高效控制,保證電解槽在新型工藝技術(shù)條件下的平穩(wěn)運(yùn)行。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,集成度、智能化程度高,安全可靠性高,結(jié)構(gòu)與功能可擴(kuò)展性好,且易于操作與維護(hù)。CAN總線性能優(yōu)越,可廣泛應(yīng)用于分布式控制系統(tǒng)。
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