CAN總線在起重機(jī)控制中的應(yīng)用

王金奇

（西安特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院，陜西 西安 710065）

CAN總線在起重機(jī)控制中的應(yīng)用

王金奇

（西安特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院，陜西 西安 710065）

起重機(jī)在許多領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用，其安全性對(duì)安全生產(chǎn)有著重要意義。針對(duì)起重機(jī)安全控制系統(tǒng)，對(duì)CAN總線技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用，使安全系統(tǒng)的功能得到的了進(jìn)一步完善，人機(jī)界面變得更加優(yōu)化，并且具有良好的自我診斷功能。

CAN總線；起重機(jī)；控制系統(tǒng)

CAN總線是一種多主串行通訊總線，其自身具有通信可靠、網(wǎng)絡(luò)安全、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等諸多的特點(diǎn)，并且因?yàn)槠渚哂型ㄐ趴煽俊⒊杀镜偷葍?yōu)勢(shì)，因此被廣泛的應(yīng)用于環(huán)境惡劣、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工業(yè)環(huán)節(jié)中。

1 CAN總線的優(yōu)勢(shì)

起重機(jī)變頻傳統(tǒng)控制方式應(yīng)用在自動(dòng)化工廠中會(huì)受到很大局限。在具體應(yīng)用中，變頻器和控制系統(tǒng)在信息交換上通過并行的方式進(jìn)行，交換的信息內(nèi)容十分有限，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)需要對(duì)變頻器在運(yùn)行過程中的電流、速度等各項(xiàng)信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控。傳統(tǒng)控制方式的受到的局限性十分明顯，并且在應(yīng)用中，還會(huì)引起精度等多個(gè)方面的問題，并且還容易遭受外界因素的干擾，需要進(jìn)行長距離信息傳輸時(shí)，信號(hào)還會(huì)出現(xiàn)衰減的現(xiàn)象，對(duì)起重機(jī)的應(yīng)用會(huì)造成不良影響。

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的逐漸改變，對(duì)起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控情況提出了更高的要求，傳統(tǒng)控制方式無法滿足在控制上的這一需求，而利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，則能夠滿足在具體生產(chǎn)上的需求，不僅能夠滿足復(fù)雜動(dòng)作和工藝要求，而且能夠?yàn)槠鹬貦C(jī)故障分析，提供直接準(zhǔn)確的參考信息，降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，為維護(hù)人員和操作人員提供幫助。

CAN總線是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線中性價(jià)比很高的一種，其在自動(dòng)化控制領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。CAN總線控制結(jié)構(gòu)在起重機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)主要有以下幾點(diǎn)：

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制的主要發(fā)展趨勢(shì)，其應(yīng)用方面實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)化、遠(yuǎn)程化管理。特別是其應(yīng)用充分考慮了起重機(jī)在后續(xù)使用過程中的中央網(wǎng)絡(luò)控制，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的合理應(yīng)用，使系統(tǒng)具有不錯(cuò)的可移植性和可拓展性。

CAN通訊距離可達(dá)10km；通信的最大速率能夠達(dá)到1Mbps，并且隨著科技的快速發(fā)展，這一數(shù)值還會(huì)繼續(xù)上升，這完全能夠滿足數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、遠(yuǎn)距離傳輸要求。

起重機(jī)在具體應(yīng)用過程中，啟動(dòng)時(shí)通過設(shè)備的電流較大，此時(shí)與電磁感應(yīng)作用，容易對(duì)控制系統(tǒng)造成一定程度的干擾，在總線與CAN驅(qū)動(dòng)器之間通過有效的措施濾除總線上的高頻干擾和電磁輻射。此外，CAN總線所應(yīng)用的通信介質(zhì)可以為雙軸電纜、雙絞線等，在具體選擇上十分靈活，能夠減少變頻器或傳感器同CPU的傳輸線，從而有效的降低了系統(tǒng)在運(yùn)行過程中所受到的干擾程度。

如果利用單機(jī)片對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，在控制系統(tǒng)中能夠形成智能型節(jié)點(diǎn)，這將使控制系統(tǒng)的智能化程度得到進(jìn)一步提高，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

2 CAN總線智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

將can總線應(yīng)用在起重機(jī)控制中，為了確保控制的合理性，必須要做好總線智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，在具體設(shè)計(jì)過程中，需要從硬件和軟件兩個(gè)方面分別進(jìn)行。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

CAN總線規(guī)范采用IOS-OSI三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在器件方面有三種不同的器件相互對(duì)應(yīng)：數(shù)據(jù)鏈路層為CAN控制器；物理層為接收器；應(yīng)用層上的關(guān)鍵則為用戶的特色應(yīng)用，其所對(duì)應(yīng)的器件為微控制器。

CAN芯片的種類有很多，在具體應(yīng)用過程中應(yīng)當(dāng)選擇抗干擾能力較強(qiáng)的單機(jī)片，并且芯片需要能夠完成CAN總線通信協(xié)議的全部特性。在系統(tǒng)中所使用的通信控制器，例如SJA1000控制器，要集成CAN協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和物理層中的各項(xiàng)功能，能夠完成對(duì)通信數(shù)據(jù)成幀處理，其中包括的主要內(nèi)容有數(shù)據(jù)塊編碼、填充、循環(huán)冗余校驗(yàn)等多項(xiàng)內(nèi)容，同時(shí)還具有增強(qiáng)的保溫濾波和出錯(cuò)處理等多項(xiàng)功能。CAN總線驅(qū)動(dòng)器為CAN物理總線和控制器間的接口，其具有對(duì)CAN控制器的差動(dòng)接受和總線差動(dòng)功能。CAN總線智能節(jié)點(diǎn)原理圖如圖1所示。

圖1 CAN總線智能節(jié)點(diǎn)原理圖

單機(jī)片的主要工作是對(duì)SJA1000進(jìn)行初始化，并且在具體應(yīng)用過程中利用對(duì)SJA1000的控制，完成對(duì)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等任務(wù)。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件在具體設(shè)計(jì)上應(yīng)用的為合理的模塊化結(jié)構(gòu)，其主要由以下幾個(gè)模塊組成：通信、數(shù)據(jù)記錄、計(jì)算、報(bào)警、人機(jī)交換等。同時(shí)在設(shè)計(jì)上，需要注意，要盡量使系統(tǒng)之間的相互耦合性降低，從而避免在滿足用戶使用需求時(shí)，對(duì)系統(tǒng)軟件的方便性和安全性進(jìn)行修改，確保了系統(tǒng)在應(yīng)用過程中的穩(wěn)定升級(jí)，使系統(tǒng)的作用能夠得到充分發(fā)揮。

2.2.1 設(shè)計(jì)軟件驅(qū)動(dòng)程序

CAN總線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)主要包括以下三個(gè)部分：

（1）初始化子程序。在復(fù)位模式下對(duì)SJA1000進(jìn)行初始化設(shè)置，主要包括的工作內(nèi)容有：設(shè)置工作方式、設(shè)置接收濾波方式、設(shè)置接收代碼器等，在完成初始化設(shè)置之后，SJA1000將會(huì)恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)。

（2）發(fā)送子程序。主要負(fù)責(zé)發(fā)送節(jié)點(diǎn)報(bào)文，通過SJA1000獨(dú)立完成對(duì)報(bào)文傳送的控制，在發(fā)送控制上采用的主要方式有查詢控制和中斷控制發(fā)送兩種不同的方式，具體設(shè)計(jì)方法的選擇需要依據(jù)系統(tǒng)的具體要求而定。

（3）接收子程序。接收?qǐng)?bào)文工作主要通過CAN控制器SJA1000獨(dú)立完成，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，接收到的報(bào)文應(yīng)當(dāng)被放在接收緩沖器中，在接受過程中所采用的方式主要有查詢控制和終端控制接收兩種不同的方式，設(shè)計(jì)方法的選擇也要依據(jù)具體情況而定。

2.2.2 黑匣子的作用

在線監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)過載、在線運(yùn)行時(shí)間以及過載等異常起重力矩工作情況都會(huì)進(jìn)行明確記錄，方便日后作業(yè)中對(duì)相關(guān)內(nèi)容的查詢，作為起重機(jī)在具體工作中能耗以及原始數(shù)據(jù)的主要參考，為了確保最終數(shù)據(jù)的安全性，需要設(shè)置相應(yīng)的查詢密碼，同時(shí)也可以依據(jù)具體情況配置打印機(jī)的機(jī)械，便于數(shù)據(jù)的輸出。

3 抗干擾采取的主要措施

起重機(jī)的工作環(huán)境相對(duì)來說都比較惡劣，其在具體工作中經(jīng)常會(huì)受到電磁干擾，因此在設(shè)計(jì)過程中需要加強(qiáng)對(duì)防范電磁干擾措施的探討。具體措施如下。

（1）提升穩(wěn)壓電源抗干擾性，這主要是因?yàn)樾铍姵嘏c起重機(jī)啟動(dòng)、交流發(fā)電機(jī)、點(diǎn)線火圈相連接，為了確保運(yùn)行的安全性，必須要精心設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電源。

（2）在具體設(shè)計(jì)過程中還需要金屬屏蔽整個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)中所使用的傳輸線應(yīng)當(dāng)為雙絞線，從而最大程度減少系統(tǒng)在運(yùn)行過程中所遭受的干擾。

（3）由于起重機(jī)在運(yùn)行中會(huì)遭受較為嚴(yán)重的電磁干擾，因此選用的數(shù)字信號(hào)處理器應(yīng)當(dāng)自帶開門狗定時(shí)器，并應(yīng)用高速光電隔離芯片，從而避免噪聲信號(hào)傳入到微信處理器，使系統(tǒng)運(yùn)行過程中的可靠性得到了進(jìn)一步提高。

（4）在軟件抗干擾方面，CAN總線MAC層所應(yīng)用的為CSMMA/CD協(xié)議以及逐位仲裁規(guī)則，從而完成相應(yīng)的訪問操作，總線狀態(tài)由顯性位“0”決定，并不會(huì)受到隱性位“1”的影響。因此，在具體應(yīng)用過程中，如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)將報(bào)文發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)先級(jí)別低的報(bào)文的發(fā)送會(huì)自動(dòng)停止，并不會(huì)給優(yōu)先級(jí)別高的報(bào)文的發(fā)送造成不良影響。此外，利用CRC完成相應(yīng)的校驗(yàn)操作，其具有錯(cuò)誤檢測(cè)、出錯(cuò)幀自動(dòng)重發(fā)等多項(xiàng)功能，可以提升系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

4 結(jié)語

起重機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，從目前起重機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用情況來看，一體化起重機(jī)安全控制系統(tǒng)是未來起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)主要趨勢(shì)，其勢(shì)必會(huì)逐步取代單一功能的保護(hù)裝置。CAN總線控制的應(yīng)用使起重機(jī)控制的安全性與可靠性都得到了進(jìn)一步提升，并且簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)安裝接線，可以監(jiān)控各個(gè)變頻器的工作情況，確保起重機(jī)的安全運(yùn)行。

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