基于can總線(xiàn)的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

湖南汽車(chē)工程職業(yè)學(xué)院 劉小兵

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基于can總線(xiàn)的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

湖南汽車(chē)工程職業(yè)學(xué)院 劉小兵

【摘要】基于工業(yè)4.0的要求本文設(shè)計(jì)了一種基于Can總線(xiàn)的工業(yè)控制自動(dòng)化系統(tǒng)，給出具體的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)和Can總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)硬件和軟件設(shè)計(jì)，通過(guò)該系統(tǒng)可以有效的解決了企業(yè)對(duì)工業(yè)智能化控制的需求，對(duì)促進(jìn)工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型具有非常重要的意義。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)4.0；自動(dòng)化；Can總線(xiàn)；控制系統(tǒng)

本文為湖南省教育廳科學(xué)研究課題成果（課題號(hào)：14C1205）。

目前在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，多種機(jī)電設(shè)備分布于工廠(chǎng)的各個(gè)廠(chǎng)房，絕大部分的控制功能雖然采用了相關(guān)的PLC控制器進(jìn)行控制，但是由于其獨(dú)立單一的控制功能，導(dǎo)致在進(jìn)行許多控制操作過(guò)程中依然還需要依靠人工進(jìn)行控制，對(duì)生產(chǎn)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，各個(gè)設(shè)備之間的管理相對(duì)獨(dú)立，并且一些相關(guān)的設(shè)備也無(wú)法進(jìn)行通信交互實(shí)現(xiàn)聯(lián)合控制功能，導(dǎo)致整個(gè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)效率低下，成本過(guò)高。針對(duì)這一問(wèn)題，本文在設(shè)計(jì)的基于can總線(xiàn)的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)過(guò)程中主要解決控制功能、多機(jī)監(jiān)控功能、協(xié)同控制功能等問(wèn)題。

1 基于Can總線(xiàn)的工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的控制網(wǎng)絡(luò)直接面向生產(chǎn)過(guò)程，其對(duì)通信過(guò)程中的數(shù)據(jù)完整性、可靠性和實(shí)時(shí)性等要求非常高，是一般網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)無(wú)法替代的，現(xiàn)所采用的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)一般分為設(shè)備層、中間監(jiān)控層、遠(yuǎn)程監(jiān)控層三層， 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)總線(xiàn)的智能設(shè)備層是整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)的最底層，其主要是按照現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)交換，同時(shí)完成數(shù)據(jù)的采集、AD轉(zhuǎn)換和PID控制等功能，同時(shí)總線(xiàn)上還有PLC接口以方便與原有的系統(tǒng)進(jìn)行連接，中間監(jiān)控層主要從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)，進(jìn)而完成對(duì)各種設(shè)備的數(shù)據(jù)分析和控制功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備監(jiān)控，其通過(guò)擴(kuò)展槽中的網(wǎng)絡(luò)接口板與現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)總線(xiàn)進(jìn)行連接，對(duì)整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的各種設(shè)備通信數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)調(diào)。遠(yuǎn)程監(jiān)控層主要是基于以太網(wǎng)等通信方式，從中間監(jiān)控層獲取相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備的信息數(shù)據(jù)，然后對(duì)其進(jìn)行集中管理與監(jiān)控。

2 Can節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

Can總線(xiàn)的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先，在硬件上根據(jù)系統(tǒng)需求分析，本文設(shè)計(jì)的Can總線(xiàn)的節(jié)點(diǎn)的原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。整個(gè)Can總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)硬件由輸入鍵盤(pán)、輸出液晶顯示屏、PCA82C250接口芯片、SJA1000串口轉(zhuǎn)換芯片和AT89C52控制器等組成。

基于上述控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案，還需要在主控器AT89C52單片機(jī)上編寫(xiě)控制軟件，協(xié)調(diào)各個(gè)控制元件進(jìn)行工作，完成整個(gè)Can總線(xiàn)通信功能，其中整個(gè)程序主要包括發(fā)送和接受兩個(gè)核心部分，系統(tǒng)的接收與發(fā)送程序流程如圖3所示，在接收過(guò)程中，主要是采用終端方式進(jìn)行接收，同時(shí)在接收過(guò)程中還要對(duì)總線(xiàn)的脫離、錯(cuò)誤和報(bào)警等信息進(jìn)行檢測(cè)并進(jìn)入相應(yīng)的處理程序，發(fā)送的過(guò)程中只需要將發(fā)送的數(shù)據(jù)按照Can控制器SJA1000的格式輸入到控制器的緩沖區(qū)然后觸發(fā)發(fā)送。

圖2 Can總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)原理圖

圖3 Can總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送程序

3 實(shí)驗(yàn)分析

基于上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，本文基于Can控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)搭建了Can總線(xiàn)仿真測(cè)試平臺(tái)，同時(shí)通過(guò)在上位機(jī)上運(yùn)行canAnalyser分析軟件對(duì)本文設(shè)計(jì)的Can總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)模塊進(jìn)行仿真測(cè)試，本文在測(cè)試分析過(guò)程中通過(guò)在上位機(jī)上的canAnalyser平臺(tái)上編寫(xiě)腳本宿主，進(jìn)行圖形化數(shù)據(jù)發(fā)送和接受測(cè)試，本文在設(shè)計(jì)過(guò)程中主要是通過(guò)在IXXAT.MbsAnalyer.dll腳本下進(jìn)行編寫(xiě)測(cè)試程序，通過(guò)canAnalyser平臺(tái)多次模擬Can報(bào)文啟動(dòng)和停止Can節(jié)點(diǎn)接收器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 接收與發(fā)送的數(shù)據(jù)測(cè)試

通過(guò)測(cè)試分析得出本文設(shè)計(jì)的Can總線(xiàn)通信系統(tǒng)可以正確穩(wěn)定的進(jìn)行Can總線(xiàn)通信，收發(fā)數(shù)據(jù)的誤碼率為0，同時(shí)最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M測(cè)試分析，本文設(shè)計(jì)的Can總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)具有很好的負(fù)載能力，可以適應(yīng)復(fù)雜的通信環(huán)境，對(duì)提升Can總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和可靠性具有非常重要的意義。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的不足進(jìn)行分析，提出了基于Can總線(xiàn)的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先分析了Can總線(xiàn)的基本原理，結(jié)合企業(yè)工廠(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，完成了基于Can總線(xiàn)的工廠(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)中的硬件實(shí)現(xiàn)和軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，給出了具體的硬件實(shí)現(xiàn)效果圖和核心軟件實(shí)現(xiàn)流程圖，通過(guò)該系統(tǒng)可以有效的利用Can總線(xiàn)的優(yōu)勢(shì)提高工業(yè)控制系統(tǒng)的、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)促進(jìn)我國(guó)工業(yè)控制技術(shù)發(fā)展具有非常重要意義。

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作者簡(jiǎn)介：

劉小兵（1981—），男，湖南攸縣人，湖南大學(xué)碩士研究生，講師，主要研究方向：微處理器控制電路設(shè)計(jì)和汽車(chē)電子控制和總線(xiàn)通信的研究。