基于CAN總線的車身點焊監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

胡德安，張 偉， 陳益平

HU De-an,ZHANG Wei,CHEN Yi-ping

（南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院，南昌 330063）

0 引言

汽車白車身，多數(shù)為承載式全焊接結(jié)構(gòu)，一般是由數(shù)百個薄板沖壓件經(jīng)焊接而成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件。汽車白車身的焊接方法主要采用電阻點焊工藝，一臺轎車車身的焊點約在35005000點之間。汽車車身焊裝用的點焊設(shè)備占全部電阻焊產(chǎn)品的90 % 以上[1]。 保證電阻點焊焊接質(zhì)量是汽車白車身焊接質(zhì)量保證的關(guān)鍵?，F(xiàn)在的點焊控制器普遍采用單片機智能控制焊接過程，現(xiàn)場得到的數(shù)據(jù)通過RS－232或RS－485總線傳輸給上位機實現(xiàn)對生產(chǎn)的集散控制。但電阻點焊是一個多變量耦合和大量隨機不確定因素的過程，焊點形核時間短，影響因素多，質(zhì)量監(jiān)測難度大，隨著生產(chǎn)自動化程度日益提高，要求采用更精確的方法來檢測并控制焊接生產(chǎn)質(zhì)量，以提高焊點的可靠性，這種總線技術(shù)在點焊信息傳輸方面存在許多缺點，主要表現(xiàn)在：1）監(jiān)控系統(tǒng)均為主從式結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)上只能有一個主節(jié)點，無法構(gòu)成多主冗余系統(tǒng)，當(dāng)主節(jié)點出現(xiàn)故障，系統(tǒng)就無法運行；2）缺乏統(tǒng)一的規(guī)范和通信協(xié)議，系統(tǒng)是封閉的；3）波特率較低，傳輸距離短，滿足不了實時性要求。因此，為保證車身焊接質(zhì)量，就必須使用新型的總線技術(shù)使點焊質(zhì)量在線實時監(jiān)測得以實現(xiàn)，又可以把該焊機的工作狀態(tài)情況及時顯示給上位機，使工人在遠離現(xiàn)場的情況下了解焊接狀況，達到遠程監(jiān)控的目的。并開發(fā)一種具有該網(wǎng)絡(luò)化通信功能的點焊控制器以滿足現(xiàn)代化點焊生產(chǎn)要求。

1 CAN總線

控制局域網(wǎng)絡(luò)CAN（Control Area Network），是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，采用CAN控制器總線進行現(xiàn)場智能節(jié)點的設(shè)計有以下優(yōu)點：CAN最多可帶110個節(jié)點，為多處安置傳感器設(shè)備提供了可能；CAN總線采用短幀通信，傳輸可靠性高；CAN總線當(dāng)中一個節(jié)點由于某些原因不能正常工作時，能自動關(guān)閉輸出功能，而不影響其它節(jié)點的操作。采用CAN總線構(gòu)建點焊網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，不僅可以實現(xiàn)焊接參數(shù)的在線控制與優(yōu)化，還可實現(xiàn)各點焊智能控制設(shè)備間信息的集成與共享，打破各焊接設(shè)備的“孤島效應(yīng)”，為焊接生產(chǎn)的智能集成提供技術(shù)基礎(chǔ)。因此基于CAN總線的焊接數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)使得車身焊接過程的實時性和可靠性得到了保證[2]。

2 控制器硬件設(shè)計

本系統(tǒng)分為監(jiān)控管理計算機和電阻焊控制器兩層結(jié)構(gòu)，通過現(xiàn)場總線連接組成管理系統(tǒng)。圖l為電阻點焊網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)為總線型，上位PC機通過CAN接口適配器與CAN總線相連[3]。

在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，各現(xiàn)場設(shè)備是通過節(jié)點掛接在總線上的，在系統(tǒng)的組網(wǎng)中這些節(jié)點大多數(shù)由相應(yīng)的控制器與單片機接口而形成，稱為智能節(jié)點。單片機是采集系統(tǒng)的核心，直接影響到系統(tǒng)的性能。從系統(tǒng)的實際要求和成本考慮，本控制系統(tǒng)的中心器件選用性價比較高的AT89C51單片機。各電阻焊微機控制器均由AT89C51單片機，獨立CAN通信控制器SJA1000、CAN總線收發(fā)器PCA82C250、高速光電耦合器6N137以及外部電路構(gòu)成，89C51負責(zé)SJA1000的初始化并通過控制SJA1000實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。圖2為CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點硬件電路原理圖，SJA1000的AD0～AD7連接到89C51的P0口，連接到89C51的P2.0口，當(dāng)P2.0口為0時CPU片外存儲器地址可選中SJA1000，通過這些地址可對SJA1000執(zhí)行相應(yīng)的讀/寫操作。

圖1 基于CAN總線的系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

大功率點焊機在工作時會帶來許多干擾信號影響數(shù)據(jù)的傳送，為了增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0通過高速光電耦合器6N137后與82C250相連，實現(xiàn)總線上的各CAN節(jié)點間電氣隔離。82C250的CAN_H和CAN_L引腳各自通過一個5Ω的電阻與CAN總線相連，電阻的限流作用可保護82C250免受過流的沖擊，CAN_H和CAN_L與地之間并聯(lián)了兩個30PF的小電容，用于濾除總線上的高頻干擾。

圖2 智能節(jié)點電路圖

3 控制器軟件設(shè)計

點焊控制過程比較復(fù)雜，對于本控制器的軟件部分采用功能模塊式結(jié)構(gòu)設(shè)計，這樣可使系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)清晰，易于理解，便于調(diào)試、連接、修改和移植。系統(tǒng)主程序主要由中斷程序設(shè)計、檢測程序設(shè)計及子程序設(shè)計三個方面組成?？刂葡到y(tǒng)的編程語言是C 語言?？刂破鬈浖Y(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 控制器軟件結(jié)構(gòu)圖

3.1 網(wǎng)絡(luò)通信流程

操作人員根據(jù)所焊工件的工藝要求，查詢焊接數(shù)據(jù)庫，可以得到推薦的焊接參數(shù)，通過CAN適配卡發(fā)送到指定的下位機系統(tǒng)，下位機根據(jù)接收到的焊接參數(shù)控制電阻點焊機完成焊接過程，并將測得的焊接過程信號發(fā)送給上位機儲存和打印。

CAN總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議在CAN的相關(guān)器件中已經(jīng)實現(xiàn)，而應(yīng)用層協(xié)議至今沒有一個統(tǒng)一的標準，所以制定CAN總線的應(yīng)用層協(xié)議成為CAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的核心問題。

上位機與下位機之間的通信是實現(xiàn)監(jiān)控功能的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，針對汽車車身點焊過程中的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，制定的CAN應(yīng)用層協(xié)議主要包括標識符的分配和各程序流程等。

3.2 標識符的分配方案

標識符分配是CAN應(yīng)用層協(xié)議中的重要問題，CAN的每一幀都有一個11位的標識符，包括信息和數(shù)據(jù)兩部分，用來標識該幀數(shù)據(jù)，并且決定仲裁。標識符要能反映報文的地址信息、報文類型，體現(xiàn)報文級別。另外，報文標識符不能重復(fù)。在CAN應(yīng)用層協(xié)議中，標識符由廣播位、地址域和數(shù)據(jù)報文類型域共同確定，如表1所示。

表1 標識符的分配方案

此三項包含了是主機還是從機、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點地址以及報文承載的數(shù)據(jù)信息。廣播位決定一半的優(yōu)先級，因此，主機發(fā)出的命令優(yōu)先級一定高于從機的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點地址域使不同節(jié)點發(fā)出的報文標識符不同。

3.3 應(yīng)用層程序流程

應(yīng)用層的軟件設(shè)計主要包括三大部 分：CAN節(jié) 點 初始化、下位機的報文發(fā)送和報文接收。

SJAl000的初始化只有在復(fù)位模式下才可以進行，初始化的流程圖如圖4所示，在完成初始化設(shè)置后SJAl000就可以進入工作狀態(tài)進行正常的通信任務(wù)[4]。

圖4 SJAl000初始化流程圖

下位機的接收報文程序框圖如圖5所示，包括發(fā)送廣播報文反對控制器爭主、多報文的處理以及報文數(shù)據(jù)處理。接收子程序負責(zé)把中心站下達的配置信息或控制命令信息傳送到指定的分站。接收子程序首先進行接收濾波，確認該幀數(shù)據(jù)是否接收，若接收，先按照數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議拆解數(shù)據(jù)包，將數(shù)據(jù)場的數(shù)據(jù)提取出來，進行相應(yīng)的處理。在處理過程中，通過判斷狀態(tài)寄存器的某些位的狀態(tài)，對總線脫離、錯誤報警、接收溢出等情況做出處理。

圖5 CAN接收函數(shù)流程圖

發(fā)送子程序負責(zé)節(jié)點報文的發(fā)送，把現(xiàn)場采集到的待發(fā)送信息進行數(shù)據(jù)分類、拆解、合并后，根據(jù)CAN的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議填寫到CAN數(shù)據(jù)幀的各個場，形成數(shù)據(jù)包，存入到SJAl000的發(fā)送緩沖區(qū)，啟動SJAl000發(fā)送即可。在往SJAl000發(fā)送緩存區(qū)送報文之前要先作一些判斷，程序如圖6所示，再由CAN通信適配器把數(shù)據(jù)上傳給中心站上位機。

3.4 監(jiān)控功能實現(xiàn)

上位機的監(jiān)控功能包括各下位機狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示、設(shè)定和參數(shù)調(diào)整、將實時數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫、狀態(tài)參數(shù)打印等功能[5]。監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)如圖6所示，其中上位機通過CAN接口適配卡與下位機通信，實現(xiàn)對車身點焊過程的監(jiān)控功能。

圖6 CAN發(fā)送函數(shù)流程圖

圖7 監(jiān)控程序功能

4 系統(tǒng)運行分析

系統(tǒng)上電啟動后，上位機對監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的下位機進行識別并初始化，從數(shù)據(jù)庫調(diào)取焊接所需工藝參數(shù)通過CAN總線傳輸給下位機。若點焊車間的設(shè)備根據(jù)產(chǎn)品不同而需要進行更改時，在上位PC機的可視化界面中對監(jiān)控系統(tǒng)重新設(shè)置參數(shù)即可，圖8為設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)界面，此界面可進行波特率、下位機地址以及數(shù)據(jù)發(fā)送方式的設(shè)置。

實際點焊時，下位機取得總線控制權(quán)，向上位PC機請求數(shù)據(jù)；上位機在顯示所接收到下位控制器發(fā)送的遠程幀ID同時，對此ID過行判斷，經(jīng)判斷為幾號下位機向上位機請求焊接數(shù)據(jù)，上位機則根據(jù)所焊工件特征，查詢得到最優(yōu)焊接參數(shù)，調(diào)用發(fā)送函數(shù)，把相應(yīng)的焊接數(shù)據(jù)發(fā)送給對應(yīng)的下位機；下位機接收數(shù)據(jù)后，完成焊接過程，并將焊接電流等實時過程數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，進行存儲、打印等。實驗結(jié)果表明，采用CAN總線構(gòu)建的電阻焊網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，響應(yīng)速度快，通信可靠，能夠用于實際焊接過程的在線網(wǎng)絡(luò)控制。

圖8 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面

5 結(jié)論

1）設(shè)計以AT89C52單片機和SJA1000CAN控制器為核心的通信模塊，使點焊控制器具有CAN現(xiàn)場總線通信功能。

2）根據(jù)CAN總線規(guī)范并結(jié)合車身點焊過程的生產(chǎn)實際，編制了CAN總線通信控制程序，該通信程序不但傳輸數(shù)據(jù)快，而且能夠解決實際應(yīng)用環(huán)境下常見的故障問題，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸，這對于點焊質(zhì)量的監(jiān)控、點焊設(shè)備的維護和點焊生產(chǎn)車間的網(wǎng)絡(luò)化管理都具有重要的意義。

3）系統(tǒng)具有較強的可擴展性，所確定的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議能夠適用于汽車車身點焊過程的數(shù)據(jù)通信，為汽車制造廠焊接車間的智能集成制造信息網(wǎng)絡(luò)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

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