CAN總線技術在分布式控制系統中的應用

安徽博微長安電子有限公司 朱艮村

本文介紹了CAN現場總線的技術特點，討論了在分布式控制系統中采用現場總線的必要性以及CAN總線在分布式控制系統中應用的可行性和優點，并介紹了基于CAN現場總線技術在某型特種設備液壓舉升控制中的典型應用。

傳統的串行通信速率很慢，在高速數據交換應用場合根本不能使用，而且其通信的最遠距離受到限制，通信過程中誤碼率較高，沒有可靠高效的硬件進行校驗，數據的錯誤檢測完全依靠用戶自己的軟件實現，導致錯誤處理能力不強，從而影響通訊的準確性和系統運行的可靠性。如采用CAN現場總線則可較好的解決上述問題，使得它越來越受到人們的重視并被廣泛的應用于汽車、制造業、航空工業、工業自動化中及工業現場等領域。

1 現場總線引入分布式控制系統的必要性

（1）隨著分布式控制系統自動化程度以及復雜性的提高，要求控制系統與現場設備之間能夠實現雙向通信。

（2）用戶對被控制對象的掌握情況和了解情況要求越來越透明。

（3）用于設備現場的總線接口模塊的技術進步，使得控制系統能夠方便地與現場設備進行無縫對接。

2 現場總線引入液壓控制系統的可行性

（1）液壓舉升系統需要采集的信號就近接入CAN現場模塊，再通過CAN總線反饋給控制CPU單元。

（2）液壓舉升系統電磁閥控制信號也就近接入CAN現場模塊，控制CPU單元通過CAN總線對其進行控制。

（3）CAN現場模塊的外接電纜只有兩根，一根是CAN通訊電纜，一根是電源電纜。

3 分布式控制系統采用CAN現場總線的優點

CAN所連接的設備不分廠家與國別，只需遵從標準協議即可以組成總線網絡，正好滿足分布式控制系統的設計需求。

在分布式控制系統中采用CAN現場總線有以下優點：

（1）不同類型的設備可以方便地集成在控制系統中，便于控制系統的集中管理，方便日后的更新與維護。

（2）采用總線連接方式代替一對一的I／O連線，減少了由接線造成的不可靠因素，也增強了系統的可維護性。

（3）針對精度與時間要求都很高的復雜分布控制系統提供了很好的解決方案。

4 基于CAN總線的分布式控制系統應用實例

某型特種設備的液壓舉升控制系統要求多缸同步運動，需要采集的信號多，需要控制的電磁閥也較多，如選用分布式的控制系統則大量的信號在系統中需實時交換，傳統線束已不能滿足此要求，所以用CAN總線來完成測控中的數據和命令的傳送。CAN總線有易擴充、易實現多主結構、可靠性高、實時性強、通信介質無特殊要求的特點，將CAN總線應用于液壓舉升控制系統具有較大優勢。

液壓舉升系統只是某型特種設備機電控制系統的一部分，它擔負著特種設備仿生臂的收放和天線的升降，液壓舉升系統的關鍵部件有：仿生臂4只、門架1套、液壓插銷2只、油缸8只、擺缸1套、泵電機1只、控制閥10只、接近開關20只、貝加萊BC7321模塊2只、貝加萊DM1321模塊2只、貝加萊DO1332模塊2只、舉升控制柜1套等。液壓舉升系統的控制器件有（放在舉升控制柜內）：CPU模塊（帶CAN總線接口）、CAN總線通信模塊、數字量輸出模塊、數字量輸入模塊、空氣開關、交流接觸器等。

液壓舉升控制系統核心控制單元的型號為CP476（CPU模塊）的貝加萊可編程計算機控制器（圖1所示），該模塊自帶有一個RS232接口、一個CAN總線接口，模塊本體集成有四個插槽，另外該模塊還有一擴展插槽。

圖1 液壓舉升控制單元

自帶的RS232接口主要用于軟件程序的下載和在線監測。自帶的CAN總線接口在本系統主要用于和上位機通過CAN總線進行通訊，如執行上位機發出的命令，將本系統的狀態實時地反饋給上位機。四個本地插槽用于插入貝加萊公司的旋入式模塊，如本系統所用的數字量輸入模塊（DI140）和數字量輸出模塊（DO138）就是插在本地插槽的第2和第3槽，其中，數字量輸入模塊是用來接收本系統自己的按鍵輸入信息和相序檢測器送出的相序檢測信號。數字量輸出模塊是用來輸出報警信號、泵電機控制信號等。相序檢測器首先檢測電網電壓，當其自帶的輸出口有相序正確信號輸出，表示給泵電機的三相電源正確，否則，程序調換輸入給相序檢測器的電源相序，當其自帶的輸出口有相序正確信號輸出，表示給泵電機的三相電源需調相，如無相序正確信號輸出，則表示總電源缺相，泵電機不可啟動。

CPU模塊的擴展槽上插有CAN總線擴展卡，用于與安裝在現場設備上的現場模塊建立通訊，貝加萊現場模塊（BC7321模塊、DM1321模塊、DO1332模塊）全部通過CAN總線掛在該擴展卡的CAN接口上。

BC7321模塊是CAN總線接口模塊（圖2所示），它負責在CPU模塊和現場模塊間互傳數據，該模塊自帶有8輸入輸出口，可接接近開關或繼電器等，其I/O口作為輸入口時有10ms的延時，作為輸出口時單口所提供的電流不超過0.5A。

圖2 模塊

DM1321模塊是數字量混合模塊，其I/O口與BC7321模塊類似。

DO1332模塊是數字量輸出模塊，其最大的特點就是單口的輸出電流達到2A，比較適合于推動電磁閥這類大電流動作元件。

20只接近開關分布在BC7321模塊、DM1321模塊上，用于檢測液壓系統動作時，機械結構的到位情況和減速位置。

10只電磁閥分布在DO1332模塊上，用于控制電磁閥何時加電。

控制系統軟件運行在貝加萊CP476（CPU模塊）自帶的操作系統上，分為主從通訊模塊、輸入/輸出接口模塊、液壓系統控制模塊和故障檢測模塊4個軟件模塊。主從通訊模塊負責和各被控制對象機進行CAN通訊，I/O映射模塊負責將外部硬件和系統軟件的相關變量關聯起來，控制模塊完成仿生臂收起、放落，門架舉升、放落的控制功能，故障檢測模塊能夠判斷控制系統本身或各被控對象是否出現故障并快速定位，可以給出報警信息。

結束語：CAN總線傳輸速度快（本系統的CAN波特率500K）、具有較高的可靠性、良好的開放性、極強的抗干擾能力。在機電一體化的控制系統中采用CAN總線，大大簡化了控制系統架構，節約了系統開發的硬成本，能夠極大提高系統的控制精度和實時性要求，便于系統的調試、維護和升級，具有良好的發展前景。