基于CANopen的火花檢測和自動(dòng)滅火系統

　　在木材加工工業(yè)、食品加工工業(yè)、飼料加工業(yè)、紡織品工業(yè)、羽絨加工業(yè)和一些化學(xué)品工業(yè)的自動(dòng)化過(guò)程中普遍存在著(zhù)較高的火災和爆炸的風(fēng)險。由電器或者機械設備引起的火花將導致陰火和粉塵爆炸，從而危害到下游設備比如過(guò)濾器或者存儲容器的安全。如果這些火災風(fēng)險不被及時(shí)的發(fā)覺(jué)并且處理，那么隨著(zhù)原料的輸入將導致更大的設備損壞和人員危險，進(jìn)一步將導致花費巨大的設備停工期。

　　為了最小化這一風(fēng)險，一種專(zhuān)用的火花消除控制系統被研發(fā)出來(lái)。一種專(zhuān)用的紅外線(xiàn)傳感器可以通過(guò)電壓導火裝置提早檢測出火花，在高速控制單元的協(xié)調下定向滅火裝置可以熄滅設備中的潛在火源。這樣，潛在的火源就不會(huì )繼續發(fā)展從而形成火災。

　　系統方案

　　一旦檢測到火花，預編程的一系列處理過(guò)程將被自動(dòng)的觸發(fā)，比如：釋放滅火泡沫，關(guān)閉或者隔離管道，在情況危急的時(shí)刻，甚至可以關(guān)閉或者淹沒(méi)相應的干燥或者過(guò)濾設備。

　　在滅火過(guò)程中，緊接著(zhù)的過(guò)程就是高壓的水霧被噴射到粉塵區域。專(zhuān)用的噴嘴和高速閥使得注入水的劑量非常的精確。這一措施既保證了火源被準確消滅同時(shí)又保證了整個(gè)設備不會(huì )被水浸泡。因此這一解決方案非常適用于連續性生產(chǎn)過(guò)程，避免了不必要的停工周期。

　　為了得到最優(yōu)的性?xún)r(jià)比以獲得較高的市場(chǎng)競爭力，我們選擇了微控制器的解決方案來(lái)滿(mǎn)足較高的性?xún)r(jià)比。

　　盡管有著(zhù)低成本嵌入式解決方案的資源限制，控制系統仍然需要滿(mǎn)足以下需求：

　　從火花檢測到反應的時(shí)間小于1ms

　　高效的實(shí)時(shí)操作系統以保證動(dòng)作的準確

　　支持兩個(gè)獨立可操作的CANopen通訊接口

　　一個(gè)主控制器可以管理高達48個(gè)數據采集模塊

　　為最終用戶(hù)提供IEC 61131-3兼容的開(kāi)發(fā)環(huán)境

　　集成的用戶(hù)自定義功能，可使用C代碼編程

　　可通過(guò)CANopen進(jìn)行編程和調試

　　CANopen SDO網(wǎng)關(guān)提供端對端和下位模塊通訊

　　控制過(guò)程參數的可視化

　　帶時(shí)間戳的日志系統和非易失性存儲用于保存危險事件日志

　　數據采集模塊的主要任務(wù)就是要連續的采集并且評估傳感器數據，并在檢測到潛在危險火源的情況下初始化滅火過(guò)程。這一模塊需要實(shí)現一種專(zhuān)用的電路既能夠保證高速的數據采集又能夠保證穩定的及時(shí)檢測出短路和斷路。

　　傳感器數據被設備固件中的一個(gè)特殊的用戶(hù)任務(wù)程序進(jìn)行周期性檢測評估。由于這一任務(wù)的安全性要求，這一任務(wù)將獨立運行在IEC 61131-3的運行時(shí)系統和PLC程序外。為了保證高速的響應，用戶(hù)程序可以獨占的訪(fǎng)問(wèn)專(zhuān)用的輸入和輸出并且可以直接的操作這些I/O通道。為了進(jìn)一步的數據存儲和評估，全部的事件都被保存在非易失性存儲器中并且同時(shí)保存了時(shí)間戳信息。一個(gè)定制版本的高效實(shí)時(shí)操作系統負責全部任務(wù)的管理，可以保證任務(wù)的巡檢周期小于1ms并且按照優(yōu)先級運行相應的任務(wù)。為了優(yōu)化任務(wù)的執行速度，高優(yōu)先級的任務(wù)將以C代碼實(shí)現并且被編譯為主CPU可以直接運行的目標代碼。我們使用相應的UML工具來(lái)設計這些軟件組件，這一方法為整個(gè)內部過(guò)程和數據流提供了較高層次的圖形化抽象模型。這些圖形化模型可以被直接轉化為C代碼，開(kāi)發(fā)人員節省了大量的精力和時(shí)間可以更加專(zhuān)注于系統的特定實(shí)現細節，并且節省了編碼出錯的風(fēng)險。

　　盡管用戶(hù)程序和PLC程序是單獨被執行的，但是這兩部分代碼將通過(guò)OpenPCS開(kāi)發(fā)環(huán)境被一起下載到目標硬件中。這一方式提供了一種簡(jiǎn)單的方法用于更新用戶(hù)程序而無(wú)需修改目標系統的固件，并且用戶(hù)也可以下載不同的用戶(hù)程序而不用修改PLC程序。

　　盡管用戶(hù)程序和PLC程序是獨立運行的，他們之間仍然需要必要的接口用于數據交換、事件通知和任務(wù)管理。因此我們定義了一段共享的地址空間用于過(guò)程數據的鏡像，這一段地址空間可以被兩個(gè)過(guò)程的程序訪(fǎng)問(wèn)。比如：PLC程序可以獲得事件通知并且可以將相應的信息傳輸到負責的主控制器處理。

　　在數據采集模塊和主控制器之間傳遞信息的最簡(jiǎn)單的方式就是使用我們稱(chēng)作網(wǎng)絡(luò )變量的方法。這里，CANopen提供了相應的網(wǎng)絡(luò )變量機制。CANopen的網(wǎng)絡(luò )變量提供了一種訪(fǎng)問(wèn)過(guò)程數據的方法，這一方法使得用戶(hù)無(wú)需關(guān)心通訊協(xié)議的底層機制。在PLC程序中，訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )變量和訪(fǎng)問(wèn)本地變量的方法是一致的。這樣，應用開(kāi)發(fā)人員就無(wú)需關(guān)心所使用的是本地開(kāi)關(guān)量輸出還是遠程的單元。市面上有很多的CANopen配置工具可以用來(lái)簡(jiǎn)化CANopen的配置工作。CANopen的實(shí)現層既管理了信息的傳輸又管理了從CAN信息到網(wǎng)絡(luò )變量的自動(dòng)轉化過(guò)程。作為網(wǎng)絡(luò )變量的附加功能，專(zhuān)用的PLC功能模塊提供了對于CAN信息和CANopen服務(wù)(比如：SDO數據交換、狀態(tài)恢復、遠程CANopen節點(diǎn)錯誤信息)的直接訪(fǎng)問(wèn)。

　　C代碼的用戶(hù)程序和PLC程序中的CANopen函數功能塊都可以訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )變量。這使得用戶(hù)程序可以進(jìn)行遠程CANopen節點(diǎn)的信息交換。用戶(hù)應用程序可以通過(guò)本地的對象字典完成兩個(gè)CANopen實(shí)例的數據讀寫(xiě)。

　　整個(gè)應用的拓撲是雙層的網(wǎng)絡(luò )結構。每一個(gè)主控制器都具有兩個(gè)CANopen接口。其中一個(gè)CANopen接口連接叫做Line-Bus的總線(xiàn)，這是一個(gè)設備端的精簡(jiǎn)擴展總線(xiàn)，通訊速率能夠達到1Mbps。Line-Bus能夠支持高速的信息傳輸用以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)要求。在Line-Bus總線(xiàn)上主控制器可以管理高達48個(gè)數據采集模塊。而且這一總線(xiàn)只接受數據采集模塊的接入。

　　第二個(gè)CANopen接口連接管理總線(xiàn)。這一總線(xiàn)連接所有的主控制器到控制臺?？刂婆_是這一火花檢測和滅火系統的核心部分。它負責記錄、分析并且存儲全部的事件。一旦發(fā)生報警和錯誤信息，相應的計數測量過(guò)程將被自動(dòng)啟動(dòng)。所有記錄的事件都可以被傳輸到PC以供

　　進(jìn)一步的詳細分析進(jìn)而評估火災的風(fēng)險和設備或者生產(chǎn)過(guò)程的故障?？刂婆_還將記錄每一個(gè)獨立的火花發(fā)生信息，比如發(fā)生的時(shí)間、火花的數量、事件的持續時(shí)間以及火花發(fā)生的位置。按照時(shí)間順序排列的報警時(shí)間可以達到萬(wàn)分之一秒的精度。系統可以按照時(shí)間順序根據報警產(chǎn)生的原因、傳播范圍和影響進(jìn)行評估連接區域的風(fēng)險。

　　管理總線(xiàn)的開(kāi)放式架構可以使火花熄滅系統被靈活的改造以適應不同的設備和生產(chǎn)過(guò)程。

　　為了便于管理和維護，編程PC可以通過(guò)管理總線(xiàn)直接訪(fǎng)問(wèn)主控制器。通過(guò)SDO傳輸，編程PC可以遠程的向模塊中下載新的應用程序。同時(shí)也支持在線(xiàn)的觀(guān)察和修改程序變量。因此全部的調試、測試以及初裝過(guò)程都變得非常的容易和方便。

　　為了在數據采集模塊上實(shí)現這種端到端的便捷訪(fǎng)問(wèn)，每一個(gè)主控制器都可以作為一個(gè)CANopen網(wǎng)關(guān)服務(wù)器。每一個(gè)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器都可以處理路由請求并且將SDO信息轉發(fā)到總線(xiàn)的相應目標節點(diǎn)上。

　　系統總結

　　這一特定的解決方案表明了即使低成本的嵌入式系統也可以在較低的資源限制下達到較高的系統要求。這一系統的成功關(guān)鍵是集成了高性?xún)r(jià)比的硬件和強大的帶有C代碼擴展的PLC運行時(shí)核心，因此系統即降低了成本又獲得了成熟產(chǎn)品的優(yōu)勢。