基于CANopen的鋁合金板帶快速電磁鑄軋通信系統設計

O 引言
新型鋁合金板帶快速電磁鑄軋技術(shù)是利用電磁感應裝置產(chǎn)生一個(gè)交變復合磁場(chǎng)來(lái)對鑄軋區內的鋁熔體進(jìn)行電磁攪拌、電磁擾動(dòng)等綜合控制，以改變鋁及鋁合金凝固結晶條件，從而達到細化晶粒，改善鑄軋板坯組織及性能的目的。

1 鋁合金板帶快速電磁鑄軋系統
鋁合金板帶快速電磁鑄軋生產(chǎn)系統是一個(gè)復雜的大系統。它主要由鑄軋特種電源控制系統、熔爐溫度控制系統和軋機傳動(dòng)控制系統三部分組成。該系統存在著(zhù)大量的企業(yè)管理與決策信息和現場(chǎng)實(shí)時(shí)信息需要協(xié)調處理。為了適應鋁生產(chǎn)過(guò)程管控一體化和綜合自動(dòng)化的需要，本設計采用基于工業(yè)以太網(wǎng)和現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )化結構。圖l所示為鋁合金板帶快速電磁鑄軋生產(chǎn)系統的三層網(wǎng)絡(luò )結構示意圖，由圖可見(jiàn)，它通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)和現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的相互融合，從而有效解決了基礎自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò )與過(guò)程和管理控制系統之間的無(wú)縫集成問(wèn)題，同時(shí)還為實(shí)現ERP(Enterprise Resource Planning)管理提供了良好的必要條件。下面主要設計基于CANopen協(xié)議的現場(chǎng)設備層的通信系統。

2 CANopen簡(jiǎn)介
CAN (Controller Area Network)是控制器局域網(wǎng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是德國B(niǎo)osch公司在1986年為解決現代汽車(chē)中眾多測量控制部件之間的數據交換問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的一種串行數據通信總線(xiàn)。該總線(xiàn)現已經(jīng)被列入ISO國際標準(稱(chēng)為ISO 11898)。CAN現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)是一種可有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò )，它有著(zhù)很高的實(shí)時(shí)性、可靠性、抗干擾能力和驗錯能力，十分適合于鋁合金板帶快速電磁鑄軋生產(chǎn)過(guò)程的分布式網(wǎng)絡(luò )監控系統應用。
在OSI參考模型中，網(wǎng)絡(luò )系統結構被劃分為7層。而CAN只定義了第1層(物理層)和第2層(數據鏈路層)，這兩層完全由硬件實(shí)現。由于沒(méi)有定義應用層，故其本身并不完整，還需要一個(gè)高層協(xié)議來(lái)定義CAN報文的11／29位標識符、8字節數據的使用。CANopen就是建立在CAN協(xié)議的物理層和數據鏈路層基礎上的標準化應用層協(xié)議，它包括應用層規范、通信協(xié)議和設備協(xié)議。CANopen是一種公共、開(kāi)放、通用的協(xié)議，能夠在CAN網(wǎng)絡(luò )中提供標準的、統一的通訊模式以及設備功能描述方式，并可執行網(wǎng)絡(luò )管理功能。另外，由于其采用面向對象的思想設計，因此，具有很好的模塊特性和很高的適應性，而且精練透明、容易開(kāi)發(fā)。
在CANopen應用層，設備之間交換的是通訊對象(COB)，它們被映射到帶有標識符(ID)的CAN幀中，在數據鏈路層上傳輸。在物理層上，信號以?xún)删€(xiàn)之陽(yáng)的“差分”電壓形式出現，并用“顯性”(Dominant)和“隱性”(Recessive)兩個(gè)互補邏輯值來(lái)表示“0”和“1”。圖2所示描述了該協(xié)議層間的通訊關(guān)系。

CANopen協(xié)議對總線(xiàn)上傳輸的數據進(jìn)行了分類(lèi)，即每一個(gè)傳輸數據都是某一特定類(lèi)的對象，從而實(shí)現面向對象的程序設計?；贑ANopen協(xié)議的數據傳輸中共定義了4類(lèi)通訊對象：一是過(guò)程數據對象(PDO)，用來(lái)傳輸實(shí)時(shí)數據；二是服務(wù)數據對象(SDO)，用來(lái)訪(fǎng)問(wèn)對象字典中的設備配置參數；三是特殊功能對象，它包括同步(SYNC)對象和應急(Emergency)對象；最后是時(shí)間標記(Time Stamp)對象。
CANopen中的每一類(lèi)通訊對象都有其規范化的格式，故可實(shí)現應用層結構上的統一。為了實(shí)現對各類(lèi)對象進(jìn)行規范化和方便管理，在CAN-open協(xié)議中定義了對象字典(ObjectDictionary，OD)的概念。每個(gè)設備都有一個(gè)獨有的對象字典，它描述了設備所使用的所有數據類(lèi)型，包括描述這個(gè)和該網(wǎng)絡(luò )行為的所有參數。對象字典是具體應用于CAN總線(xiàn)通信接口之間的數據交換的媒介，是整個(gè)CANopen協(xié)議的核心。CANopen對象字典的結構如表l所列。