基于CAN總線(xiàn)的閥門(mén)遠程控制系統

普通電動(dòng)閥門(mén)是一種通用的執行單元，它作為一種重要的執行器件廣泛地用于工業(yè)流程控制領(lǐng)域，具有不可替代的作用。閥門(mén)電動(dòng)裝置是以電機為動(dòng)力，帶動(dòng)機械減速裝置將動(dòng)力傳給閥門(mén)，實(shí)現閥門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉的最終部件，它是電動(dòng)閥門(mén)中的核心部分。近年來(lái)，國內生產(chǎn)電動(dòng)閥門(mén)的廠(chǎng)商通過(guò)對國際先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)和吸收，以及與Limitorque、Rotork等國際著(zhù)名企業(yè)的合作，已經(jīng)逐步掌握了機械傳動(dòng)、制造等一些核心技術(shù)，加之價(jià)格方面的優(yōu)勢，取得了國內市場(chǎng)的主導地位。隨著(zhù)工業(yè)自動(dòng)化水平的提高，尤其是現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的出現，僅有現場(chǎng)操作以及簡(jiǎn)單的點(diǎn)對點(diǎn)控制功能的電動(dòng)閥門(mén)越來(lái)越難以滿(mǎn)足市場(chǎng)需要，國外各大公司紛紛推出現場(chǎng)總線(xiàn)電動(dòng)閥門(mén)產(chǎn)品，但價(jià)格高昂。因此，提高我國電動(dòng)閥門(mén)的自動(dòng)化水平，對國內的電動(dòng)閥門(mén)產(chǎn)品加以改造，推出自己的現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品，提高產(chǎn)品的競爭力，鞏固國內市場(chǎng)并能逐步參與國際競爭對于加入WTO的今天有著(zhù)重要的意義。

現場(chǎng)總線(xiàn)是應用在制造或過(guò)程區域現場(chǎng)裝置與控制室內自動(dòng)控制裝置之間的數字式、串行、多點(diǎn)通信的數據總線(xiàn)。它也被稱(chēng)為開(kāi)放式、數字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò )?，F場(chǎng)總線(xiàn)的出現為工業(yè)自動(dòng)化提供了全分布的解決方案，提高了現場(chǎng)設備的智能和自治水平，便于系統的安裝和維護?，F場(chǎng)總線(xiàn)的種類(lèi)很多，國際標準的現場(chǎng)總線(xiàn)就有13種之多，其中CAN總線(xiàn)以其支持多主方式，卓越的短幀傳輸性能，極高的可靠性，非破壞性總線(xiàn)先級仲裁方式，Intel、Philips、Motorola等眾多半導體生產(chǎn)廠(chǎng)商的芯片支持，以及相對簡(jiǎn)單的開(kāi)發(fā)手段和低廉的開(kāi)發(fā)成本，使其成為國內現場(chǎng)總線(xiàn)開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。本文研究的基于CAN總線(xiàn)的閥門(mén)控制系統就是將微控制器技術(shù)、CAN技術(shù)應用于國產(chǎn)通用型電動(dòng)閥門(mén)中，同工業(yè)控制計算機一同構成的閥門(mén)遠程控制系統。

1閥門(mén)遠程控制系統的總體設計

通用型閥門(mén)對控制精度要求不高，操作也較簡(jiǎn)單，僅有開(kāi)、關(guān)、停三種狀態(tài)。通常情況下，操作人員在現場(chǎng)通過(guò)對閥門(mén)上控制器的操作來(lái)控制閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉，閥門(mén)的開(kāi)度通過(guò)閥門(mén)上的指針式儀表指示。出于保護的需要，控制器在電氣控制上實(shí)現了閥門(mén)故障狀態(tài)下的停機功能，但是對故障的診斷只能依靠操作人員的經(jīng)驗，甚至需要開(kāi)蓋檢查，給維護帶來(lái)不便。

本文提出的遠程閥門(mén)控制系統包括上、下位兩級控制，除了保留原有的現場(chǎng)操作功能外，操作人員還可以通過(guò)上位機對閥門(mén)進(jìn)行遠程操作。上位機提供操作方便的人機交互界面，支持對系統中不同閥門(mén)的簡(jiǎn)單組態(tài)，并采用數據庫技術(shù)實(shí)現系統運行中各閥門(mén)的狀態(tài)信息和故障信息的管理，便于系統的維護，上位機除了具有與下位機通信的現場(chǎng)總線(xiàn)接口外，還應具有以太網(wǎng)接口以實(shí)現系統與外部的信息交互。下位機在盡量保留原有的電動(dòng)裝置電氣結構的前提下，引入了微控制器技術(shù)，構成嵌入式控制系統，既支持現場(chǎng)的操作，也支持上位機的遠程控制，二者可以通過(guò)現場(chǎng)的開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換。下位機控制系統中增加了檢測電路和現場(chǎng)總線(xiàn)接口，實(shí)現了閥門(mén)運行中大量故障信息的采集。

微控制器一方面能按現場(chǎng)或上位機設置的閥門(mén)開(kāi)度值控制閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉，另一方面可以響應上位機的數據請求，將閥門(mén)的運行信息上傳給上位機。上位機、下位機之間通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)連接，二者分工明確，構成真正的全分布現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（FCS）。

根據以上分析，本文采用了集中管理、分散控制的上、下位機兩級控制的系統總體結構，如圖1所示。

上位機采用工業(yè)控制計算機，除上面提到的功能外，還設計了運行信息統計打印以及系統報警等功能;下位機是以微控制器為核心的控制單元，并嵌入到閥門(mén)中，與閥門(mén)的電氣控制部分一同實(shí)現控制功能。系統通信選用的是CAN總線(xiàn)，CAN總線(xiàn)協(xié)議簡(jiǎn)單，僅包括物理層和數據鏈路層，用戶(hù)可以自己定義應用層，傳輸介質(zhì)可以采用屏蔽的雙絞線(xiàn)，信號傳輸采用短幀結構，每一幀的有效字節數為8個(gè)，傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低?？偩€(xiàn)通信速率最高可達1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠可達10km/5Kbps，總線(xiàn)上可掛接設備數最多可達110個(gè)。當某個(gè)節點(diǎn)嚴重錯誤時(shí)，能夠自動(dòng)脫離總線(xiàn)，有關(guān)CAN總線(xiàn)技術(shù)的文獻較多，在此不作詳述。在本文提到的遠程閥門(mén)控制系統中采用CAN總線(xiàn)是因為閥門(mén)控制功能邏輯簡(jiǎn)單、信息量小，并結合CAN總線(xiàn)數據的傳輸速度、開(kāi)發(fā)的難易程度、技術(shù)支持和成本等多方面的考慮。

2上位機設計

系統上位機硬件選用研華工控機IPC-6718V，配以研華的雙端口CAN接口卡PCL-841，性能穩定，大大縮短了系統的開(kāi)發(fā)周期。上位機軟件采用VB610來(lái)設計，便于實(shí)現用戶(hù)需要的各種監控功能。

上位機軟件包括系統安全模塊、系統通信參數設定模塊、數據庫模塊和閥門(mén)控制模塊等幾個(gè)部分。圖2給出了上位機各個(gè)軟件模塊之間的關(guān)系，從圖可以看出上位機軟件不僅實(shí)現了閥門(mén)控制功能，而且充分考慮了作為一個(gè)控制軟件所需要的系統安全以及數據庫操作。其中，閥門(mén)控制模塊是上位機軟件的核心。

為了提高遠程控制時(shí)的響應速度，上位機設計了系統中單臺閥門(mén)的遠程控制功能，這種工作模式下，用戶(hù)將要求的閥門(mén)開(kāi)度通過(guò)CAN總線(xiàn)下傳給相應閥門(mén)中的下位機，由下位機控制閥門(mén)的啟動(dòng)和停止，并將整個(gè)過(guò)程的運行狀態(tài)實(shí)時(shí)傳給上位機。在實(shí)際應用中，如果系統中不同的閥門(mén)有聯(lián)動(dòng)要求，也可以通過(guò)上位機編程實(shí)現。

3下位機設計

閥門(mén)的動(dòng)作是由嵌入到閥門(mén)中的下位機控制的，下位機在接收到指定開(kāi)度的命令后將分析此時(shí)閥門(mén)的運行情況和各種狀態(tài)，如果此時(shí)閥門(mén)處于允許動(dòng)作的狀態(tài)，下位機則發(fā)出分析后的指令（開(kāi)或關(guān)），待閥門(mén)開(kāi)度到達指定開(kāi)度時(shí)，執行停機操作。下面將從硬件、軟件兩個(gè)方面對下位機設計進(jìn)行較詳細的說(shuō)明。

3.1下位機硬件設計

下位機是具有“自治”功能的單片機控制系統，在原有的電氣控制電路基礎上增加了故障信號的采集和對外通信的CAN總線(xiàn)接口。下位機電路從結構和功能上可以分為主控單元模塊、電源監測模塊、數據采集及控制接口模塊、人機接口模塊、總線(xiàn)通信模塊。它們之間的關(guān)系如圖4所示。