基于CAN 總線的 工業自動化檢測系統的實現與應用

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一、引言

在現代工業生產中，電器件的裝配生產工藝不斷精進，裝配效率大大提高，進而對產品的檢測效率要求也大大提高。自動化檢測系統在實際生產中有越來越多的應用，由于自動測試技術的引入，不僅能提高檢測效率，保證檢測的準確性和可信度，減少由于人為原因造成的測量錯誤和誤差，降低生產和測試成本，而且還可對測試數據和結果進行信息化管理，完善產品的生產信息。

本文測試系統應用CAN（Controller Area Network控制器局域網）總線與產品通訊，下發指令，輸出信號通過PLC反饋給上位機；上位機將測試項目轉化為獨立的測試單元，用戶可根據產品的檢測需求靈活編輯檢測流程，上位機根據編輯好的檢測流程自動化運行，按順序執行所有檢測項目；檢測完成后，生成對應的檢測報告。本文將以混凝土泵車電氣箱的下線檢測應用為例，來驗證該系統的實用性。

二、測試系統組成

本文測試系統包含MES（Manufacturing Execution System，生產執行系統）服務器、工控機和控制器模塊幾個主要組成部分，如圖1所示。上位機通過局域網獲取MES中待測產品的信息，測試人員通過上位機下發測試指令，待測產品根據接收的指令輸出信號，通過控制器采集輸出反饋給上位機，工控機根據判斷邏輯輸出檢測結果是否合格。并將檢測結果保存至MES服務器端。

圖1 自動檢測系統硬件架構

三、檢測系統軟件

檢測系統上位機軟件使用基于.NET的Visual Studio2010平臺開發。.NET平臺由微軟公司推出，具有跨語言、跨平臺和跨系統能力。方便利用XML技術開發顯示及打印數據報表，還能使用GDI+設計各種圖形編輯器，適用于開發復雜的企業級應用程序。下位機使用西門子1200PLC，使用TIA Portal V15開發環境，Portal V15是西門子推出的全集成自動化編程軟件，高度集成西門子工業設備系列，支持西門子公司的所有工業設備的編程和仿真操作。檢測系統上位機軟件部分主要由通訊模塊和業務邏輯模塊和數據處理模塊三個功能模塊。

1、通訊方式

文中被檢測設備采用CAN通訊方式，CAN是由ISO定義的串行通訊總線，其可靠性高，支持即插即用，網絡維護成本低。它是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。通信速率最高可達1Mbps。由于總線卓越的性能及高可靠性，非常適用于工業設備的互連，能有效支持分布式控制或實時控制的現場總線網絡。文中測試系統應用Moxa公司的CP-602U-I CAN卡，支持Universal PCI接口，CP-602U-I CAN口卡使用NXP SJA1000控制器和PCA82C251收發器，提供總線仲裁和錯誤檢測。適應-40 ～ 85℃工作溫度和2 kV光電隔離保護，能夠適應嚴苛的工業環境。可支持操作系統：Windows XP/2003/Vista/2008/7 x86/x64，提供庫語言：Visual C/C++，Borland C/C++。

檢測系統通訊流程如圖2所示，通訊模塊啟用兩個獨立線程，分別進行讀數據和發送數據，保證數據的實時性。通過實際使用驗證，采用獨立線程讀和發送數據，完全可以滿足測試系統的數據實時要求。

圖2 上位機CAN 通訊方式

檢測系統上位機與PLC采用ModbusTCP通訊方式，Modbus通信使用主從技術，即僅一個設備（主設備）能初始化傳輸（查詢），其他設備（從設備）根據主設備查詢提供的數據做出相應反應。主設備可單獨和從設備通信，也能以廣播方式和所有從設備通信。如果單獨通信，從設備返回一條消息作為回應。本文檢測系統中，上位機作為主站，PLC作為從站，通過應答方式單獨通訊，每次查詢-應答與下一次查詢-應答間隔50ms，通訊流程如圖3所示。

圖3 上位機Modebus 通訊方式

2、業務邏輯

檢測系統上位機軟件面向產品檢測流程開發，用戶可根據檢測流程編輯檢測項目，形成產品檢測文件，以XML形式保存于系統文件中。在系統運行時，上位機加載檢測文件，按順序顯示產品的所有檢測項目。

針對工業生產測試中的不同測試種類，系統軟件設計了統一的檢測單元接口，滿足通用檢測功能需求及個性化檢測功能需求。測試單元接口示例如圖4所示，根據檢測功能不同，測試單元包括有開關量測試單元、模擬量測試單元和時間保持測試單元等實現通用性檢測。

圖4 檢測單元接口示意

對于檢測設備的個性化檢測需求，實現統一的接口，在測試單元的內部邏輯中進行多樣性的變化。

上位機軟件檢測流程根據被檢測設備的實際檢測項目，編輯檢測流程文件，上位機加載檢測流程文件，自動化檢測所有測試項目，執行過程如圖5所示。

圖5 自動化檢測流程

3、數據處理

（1）信號處理

文中測試系統中，設備輸出信號通過PLC反饋到上位機，輸出信號包括開關量、模擬量和PWM信號。開關量信號由數字量IO模塊直接進行輸入及輸出，模擬量使用SCALE_X和NORM_X指令實現模擬量的標定和規范化，模擬量信號處理如圖6所示。

使用NORM_X指令將“VALUE”參數處模擬量輸入通道（如IW112）采樣的值轉換成0.0～1.0之間的浮點數，結果于“OUT”參數輸出，再使用SCALE_X指令將該中間結果轉換成具有工程量綱的實際值（如成品重量或實際液位）。NORM_X指令的“MIN”和“MAX”參數分別對功能，用時約20min。傳統的手工檢測只能檢測出接線是否牢固，不能檢測出電氣箱的接線錯誤和功能錯誤，若在整車調試時發現問題則難以鎖定故障部件，排查故障難度較大，因此在部件下線時檢測出合格件就非常重要，大大提升了整車調試的效率。檢測完成后，系統自動生成檢測報表如圖7所示，并將檢測報告數據上傳MES服務器保存，方便隨時檢測記錄。應模擬量輸入通道經過模數轉換后的數字量量程的最小值和最大值（單極性為0和27 648，雙極性為-27 648和27 648），SCALE_X指令的“MIN”和“MAX”參數分別對應帶工程量綱的實際值量程的最小值和最大值（例如，本文中轉化為百分數，Min為0，Max為100）。對于PWM信號，則通過濾波電路，轉換為電壓信號應用NORM_X和SCALE_X指令規范輸出值。

圖6 模擬量信號處理

（2）檢測記錄保存

本文中被檢測產品的生產線上使用MES，MES一般包括工廠管理、工藝設計、過程管理和質量管理四個功能，在現代制造企業中廣泛應用，特別是智能化工廠開始發展以后，更是發揮重要作用。由生產調度應用MES配置生產信息和生產計劃，生產線工人根據MES信息生產產品。

檢測系統通過工廠局域網連接MES，通過二次開發接口訪問產品信息，在檢測產品時根據產品設備號查詢產品的生產信息，檢測完成后將檢測記錄按照設備號保存到MES。

圖7 檢測報告

四、系統應用

文中檢測系統應用于混凝土泵車電氣箱的生產線檢測，檢測項目達80多項，覆蓋所有的輸入輸出點及電氣箱

自動化測試越來越廣泛的應用于工業生產中，作為產品可靠性檢測的重要手段。不僅提高檢測效率，更是保障了測試的精確度和管理的正規化。本文所述的自動化檢測系統，通過上位機控制執行檢測流程，并與生產系統對接，將檢測系統融入生產環節，實現對產品質量和性能的標準化檢測，且已在實際生產得以推廣和應用，本系統的架構和實現方式將對實際的應用有較大的指導意義。