基于CANopen的鋁合金板帶快速電磁鑄軋通信系統設計

3 系統硬件設計
3．1 網(wǎng)絡(luò )系統結構
基于CANopen的通信系統由上位機與現場(chǎng)設備層的電源控制系統(包括三相特種電源控制系統與直流輔助電源控制系統)共同構成。上位機通過(guò)CAN現場(chǎng)總線(xiàn)與下位機進(jìn)行通信，以實(shí)現實(shí)時(shí)監控與控制系統功能。各個(gè)子系統之間也通過(guò)CAN總線(xiàn)連接進(jìn)行通信。通信網(wǎng)絡(luò )拓撲結構采用總線(xiàn)式結構。其系統網(wǎng)絡(luò )結構如圖3所示。
3．2 下位機通信系統設計
基于“MCU+CPLD”的設計是當前數字電路研究開(kāi)發(fā)的一種重要實(shí)現形式。本控制系統將MCU和CPLD相結合，以用于鋁電磁場(chǎng)快速連續鑄軋特種電源控制，并將其作為系統的控制核心。
MCU采用美國TI公司的MSP430F1611，該器件是16位超低功耗MSP430系列微控制器中的一款。MSP430系列單片機(或稱(chēng)為微控制器)是具有超低功耗特性且功能強大的單片機，它有多個(gè)子系列，其中MSP430F1x子系列是TI公司在2000年開(kāi)發(fā)的、帶FLASH的單片機，其存儲器容量和片內外圍模塊隨著(zhù)具體型號的不同而不同，用戶(hù)可以根據需要具體選擇。其控制系統硬件框圖如圖4所示。

CANopen通信協(xié)議可由CAN通信控制器來(lái)實(shí)現。由于MSP430F16ll內部沒(méi)有集成CAN控制器模塊，因此需要在外圍進(jìn)行擴展。本設計選擇美國Microchip公司的MCP2510作為系統的CAN總線(xiàn)通信控制器，圖5所示為CAN總線(xiàn)通信接口電路。MCP2510是帶有SPI接口的獨立CAN控制器，它完全支持CAN總線(xiàn)V2．0A／B技術(shù)規范，通信速率為lMbps，芯片包含三個(gè)發(fā)送緩沖器和兩個(gè)接收緩沖器，可以減少MCU的管理負擔。CAN總線(xiàn)收發(fā)器采用的PCA82C250是CAN控制器與物理總線(xiàn)之間的接口，可以提供對總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。兩個(gè)高速光電隔離器件TLPll3用來(lái)提高通信電路的抗干擾能力，防止總線(xiàn)上的干擾信號竄入控制器和MCU，同時(shí)也可以完成MCP25lO與82C250之間3．3V和5V電平的轉換。

MSP430F16ll的USART接口可支持兩種不同的串行協(xié)議，即通用異步協(xié)議(UART協(xié)議)和同步協(xié)議(SPI協(xié)議)。用控制寄存器UCTL中的控制位SYNC可選擇所需模式，當SYNC為0時(shí)，選擇異步模式UART；當SYNC=1時(shí)，選擇同步模式SPI。MCP2510可與USARTl通信模塊的SPI進(jìn)行接口。
3．3 上位機設計
上位機要能完成對下位機監測及參數設置等功能。他的硬件選型及結構設計的好壞直接影響系統現場(chǎng)的工作效率。本系統選用PLC與觸摸屏相結合的方式來(lái)設計監控上位機。其中PLC是上位機的中心，利用PLC實(shí)現對上位機的監控，比采用工控計算機監控上位機更加符合現場(chǎng)操作的要求，并能夠適用現場(chǎng)高溫的惡劣環(huán)境，也具有更高的可靠性，同時(shí)還能夠方便地實(shí)現邏輯控制。而監控采用觸摸屏技術(shù)，也比鍵盤(pán)和鼠標操作更加簡(jiǎn)單和方便，也更加符合現場(chǎng)操作習慣，可大大提高現場(chǎng)操作的效率。
本設計采用施耐德公司的Twido系列PLC。Twido PLC帶有多種不同的通信方式及接口，包括工業(yè)以太網(wǎng)、CANopen、MODBUS、AS-I。一般它最少帶1個(gè)標準的RS-485／422的串行通信接口，而且運算速度快，PLC循環(huán)周期短，擴展性能好。Twido PLC不僅具有眾多的開(kāi)關(guān)量I／O擴展模塊，而且還具有眾多的特殊功能模塊可供用戶(hù)選擇，故可大大提高PLC的控制性能。系統中的處理器可選擇TWDLAE40DRF，它是一體型控制器，該控制器具有24點(diǎn)輸入，14點(diǎn)繼電器輸出和2點(diǎn)源型晶體管輸出，同時(shí)帶有一個(gè)RS-485端口和一個(gè)RJ-45以太網(wǎng)口，可直接接入工業(yè)以太網(wǎng)與上層網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信。該控制器本身不具有CAN通信功能，但可通過(guò)外接CANopen主站模塊TWDNC01M實(shí)現基于CANopen協(xié)議的CAN現場(chǎng)總線(xiàn)通信。
TWDNC01M CANopen主站模塊可安裝在PLC的擴展總線(xiàn)上，它支持16個(gè)從設備，但不支持對CAN從設備的擴展尋址，其傳輸速度決定于總線(xiàn)長(cháng)度和電纜長(cháng)度。用于連接到CAN現場(chǎng)總線(xiàn)的總線(xiàn)連接器位于TWDNC01M CANopen主站模塊的中下部，包含管腳CAN_L(CAN_L bus線(xiàn))、CAN_H(CAN_H bus線(xiàn))，PLC通過(guò)這兩個(gè)有差動(dòng)接收和發(fā)送能力的總線(xiàn)終端連接到CAN總線(xiàn)上。
為配合PLC的工作。監控平臺應選用操作方便的人機界面(觸摸屏)，本系統選中eView公司的MT500系列觸摸屏MT510，其配套的軟件為EasyBuilder。EasyBuilder是組態(tài)軟件，主要用來(lái)配置各種元件。該軟件是專(zhuān)門(mén)面向PLC應用的，其功能非常強大，使用非常方便，完全可以滿(mǎn)足現代工業(yè)龐大的工作量及功能需求。
eView MTS00觸摸屏定義了RS-232和RS-485兩種通信接口，本設計選用RS-485接口定義。Twido系列PLC通過(guò)CPU單元上的通信端口與e-View MT500觸摸屏相連接，它們之間采用Modbus協(xié)議進(jìn)行通信。