現場(chǎng)總線(xiàn)iCAN網(wǎng)絡(luò )在工程機械中的應用

CAN-bus 總線(xiàn)是國際上應用最廣泛的現場(chǎng)總線(xiàn)之一，最初被設計用作汽車(chē)電子控制單元（ECU：Electric Control Unit）的串行數據傳輸網(wǎng)絡(luò )，現已被廣泛應用于歐洲的中高檔汽車(chē)中。近幾年來(lái)，由于CAN-bus 總線(xiàn)極高的可靠性、實(shí)時(shí)性，CAN-bus 總線(xiàn)開(kāi)始進(jìn)入中國各個(gè)行業(yè)的數據通訊應用，并在2002 年被確定為電力通訊產(chǎn)品領(lǐng)域的國家標準。

CAN-bus 網(wǎng)絡(luò )使用普通雙絞線(xiàn)作為傳輸介質(zhì)，采用直線(xiàn)拓撲結構，單條網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)路可以連接到110 個(gè)節點(diǎn)。當通訊距離不大于40 米時(shí)，傳輸速率可達到1Mbps；當使用5Kbps 傳輸速率（收發(fā)器PCA82C250/251 支持），同一物理網(wǎng)絡(luò )可達10 公里的通訊距離。CAN-bus 總線(xiàn)的適用范圍：可適用于節點(diǎn)數目比較多，傳輸距離在10 公里以?xún)?，安全性、可靠性要求高的?chǎng)合；也可適用于對實(shí)時(shí)性、安全性要求十分嚴格的機械控制網(wǎng)絡(luò )。

目前，國內的汽車(chē)、電梯行業(yè)已是CAN-bus 應用的典型領(lǐng)域，工業(yè)控制、智能樓宇、煤礦設備等行業(yè)也得到了廣泛的應用。

二、CAN-bus 總線(xiàn)在工程機械中的應用

由于嵌入式電腦、網(wǎng)絡(luò )通訊、微處理器、自動(dòng)控制等先進(jìn)技術(shù)的日漸廣泛應用，工程機械控制系統的性能和集成度已經(jīng)有了很大的提高。而CAN-bus 總線(xiàn)由于良好性能，特別適合于工程機械中各電子單元之間的互連通訊。隨著(zhù)CAN-bus 總線(xiàn)技術(shù)的引入，工程機械中基于CAN-bus 總線(xiàn)的分布式控制系統取代原有的集中式控制系統，傳統的復雜的線(xiàn)束被CAN-bus 總線(xiàn)所代替：系統中各種控制器、執行器以及傳感器之間通過(guò)CAN-bus 總線(xiàn)連接，線(xiàn)纜少、易敷設，實(shí)現成本低，而且系統設計更加靈活，信號傳輸可靠性高，抗干擾能力強。

目前CAN-bus 總線(xiàn)技術(shù)在工程機械上的應用越來(lái)越普遍。國際上一些著(zhù)名的工程機械大公司如CAT、VOLVO、利勃海爾等都在自己的產(chǎn)品上廣泛采用CAN-bus 總線(xiàn)技術(shù)，大大提高了整機的可靠性、可檢測和可維修性，同時(shí)提高了智能化水平。而在國內，CAN-bus總線(xiàn)控制系統也開(kāi)始在工程汽車(chē)的控制系統中廣泛應用，在工程機械行業(yè)中也正在逐步推廣應用。

三、iCAN 網(wǎng)絡(luò )在工程機械中的應用

1．iCAN 網(wǎng)絡(luò )的介紹

iCAN 協(xié)議即“Industry CAN-bus Application Protocol”，是現場(chǎng)總線(xiàn)CAN-bus 的應用層協(xié)議之一，具有理解簡(jiǎn)單、易于實(shí)現、實(shí)時(shí)可靠的特點(diǎn)。iCAN 網(wǎng)絡(luò )是面向于自動(dòng)控制領(lǐng)域、基于CAN-bus 總線(xiàn)和iCAN 協(xié)議的控制系統。該系統的目標就是解決用戶(hù)在CAN-bus 應用領(lǐng)域中的通訊控制或者數據采集問(wèn)題。

將CAN-bus 網(wǎng)絡(luò )的數據鏈路層、物理層與一個(gè)高效的用戶(hù)層結合在一起，既可以保障底層使用CAN-bus 總線(xiàn)的高效、實(shí)時(shí)、可靠的特點(diǎn)，又能夠建立一個(gè)易于實(shí)現、成本較低、效率良好的數據通訊網(wǎng)絡(luò )方案。這就形成了一個(gè)基于現場(chǎng)總線(xiàn)CAN-bus 的完整通訊網(wǎng)絡(luò )以及數據采集方案，也就是iCAN 網(wǎng)絡(luò )的誕生。

iCAN 網(wǎng)絡(luò )構建非常靈活，結構簡(jiǎn)單，成本較低；并且iCAN 網(wǎng)絡(luò )具有易于組態(tài)，安裝、運行、維護簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。iCAN 網(wǎng)絡(luò )組成結構如下圖所示，包括了iCAN 模塊、CAN-bus 接口卡以及CAN-bus 網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)橋設備。

圖1 iCAN網(wǎng)絡(luò )的組成

iCAN 網(wǎng)絡(luò )的基礎與核心是iCAN 協(xié)議。iCAN 協(xié)議是國內對于CAN-bus 系統應用的一種全新嘗試。iCAN 協(xié)議的設計目標是：實(shí)現一種簡(jiǎn)單/可靠/穩定的CAN-bus 應用層協(xié)議。

在iCAN 協(xié)議的設計過(guò)程中，充分參考和借鑒了DeviceNet 協(xié)議和CANopen 協(xié)議。畢竟DeviceNet 協(xié)議和CANopen 協(xié)議是嚴謹和完善的，并經(jīng)過(guò)實(shí)際工程驗證。

制定iCAN 協(xié)議是一個(gè)相當嚴謹的設計過(guò)程。這里主要考慮了一些關(guān)鍵因素：

?CAN 報文的分配
?數據通訊的實(shí)現
?網(wǎng)絡(luò )管理
?設備建模

通過(guò)以上技術(shù)問(wèn)題的解決，一方面可以保證iCAN 網(wǎng)絡(luò )的高通訊效率、高數據可靠性，令基于iCAN 協(xié)議的各個(gè)總線(xiàn)節點(diǎn)能夠組成一個(gè)有機的整體網(wǎng)絡(luò )；另一方面，通過(guò)在iCAN協(xié)議設備建模方面的嘗試，可以使產(chǎn)品描述標準化，協(xié)議發(fā)展具有可延續性，保障后續產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中在通訊協(xié)議方面的的一致性。

在iCAN 網(wǎng)絡(luò )中，可以根據需要增加CAN-bus 網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)橋設備，以適應實(shí)際系統的網(wǎng)絡(luò )規模和通訊距離，以及用戶(hù)終端設備在安裝、布線(xiàn)等方面的要求。通過(guò)CAN-bus 網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)橋設備，iCAN 網(wǎng)絡(luò )也可以方便地互連其它類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò )，比如串行通訊網(wǎng)絡(luò )RS-232/RS-485、以太網(wǎng)EtherNet 等，或者連接DeviceNet/CANopen 網(wǎng)絡(luò )。

2．工程機械中iCAN 網(wǎng)絡(luò )結構

在工程機械中iCAN網(wǎng)絡(luò )主要由工控微機、標準PC-CAN接口卡以及iCAN模塊組成，系統結構如圖 2 所示。

圖2

工控微機通過(guò)CAN-bus 接口卡接入CAN-bus 網(wǎng)絡(luò )中，與總線(xiàn)進(jìn)行數據交換，管理系統中各個(gè)iCAN 模塊及其它設備；實(shí)現系統中各設備參數監控、顯示、人機界面以及各種控制功能。iCAN 模塊實(shí)現傳感器的信號采集，并實(shí)現控制信號輸出功能。

根據工程機械中的傳感器、控制器類(lèi)型的不同，選擇合適的iCAN 模塊。iCAN 模塊的輸入端口采集液壓、發(fā)動(dòng)機等系統中傳感器的信號，并傳送到總線(xiàn)上；輸出端口根據來(lái)自總線(xiàn)上的控制信息操作執行機構，完成對于液壓等系統的控制。

iCAN 網(wǎng)絡(luò )在工程機械中的應用，避免了復雜的信號連線(xiàn)，使控制系統的安裝為何簡(jiǎn)單，運行可靠，應用靈活，并能夠保證控制的實(shí)時(shí)性。

四、應用實(shí)例：起重力矩限制系統

1．簡(jiǎn)介

起重力矩限制系統為汽車(chē)起重機控制系統中一個(gè)重要組成部分。該系統通過(guò)對起重機械中長(cháng)度傳感器、角度傳感器以及壓力傳感器等輸出數據進(jìn)行分析處理，實(shí)現對系統工作時(shí)起重力矩的實(shí)時(shí)監控，以保證起重機工作在安全狀態(tài)下。而且該系統能夠實(shí)時(shí)記錄起重機作業(yè)中的危險工況，為事故的分析處理提供可靠的依據。

該系統要求能夠實(shí)時(shí)采集長(cháng)度傳感器、角度傳感器以及壓力傳感器的輸出數據，其中長(cháng)度傳感器、角度傳感器以及壓力傳感器的信號輸出類(lèi)型主要為電壓或者電流信號，傳感器信號的通道共有4 路。此外系統要求提供4 路數字量輸出通道。