工業(yè)以太網(wǎng)和CAN總線(xiàn)在污水處理系統中的應用

3 CAN總線(xiàn)的實(shí)現

3．1 CAN總線(xiàn)硬件組成

本系統采用的是微處理器P89C668，外加CAN控制器SJA1000、CAN 收發(fā)器TJA1050 以及以太網(wǎng)通信控制器RTL8019AS，組成一個(gè)通信協(xié)議轉換網(wǎng)關(guān)模塊，功能模塊如圖3所示。

圖3 功能模塊圖

P89C668是本系統的主要控制部分，實(shí)現對網(wǎng)絡(luò )芯片以及CAN器件的控制，并進(jìn)行兩者之間的協(xié)議轉換。CAN控制器SJA1000應用BasicCAN工作模式，這種模式支持具有很多新特性的CAN2．0B協(xié)議，支持錯誤分析功能，對CAN收發(fā)器進(jìn)行控制，為微控制器提供了控制CAN總線(xiàn)的簡(jiǎn)單接口。收發(fā)器是CAN協(xié)議控制器和物理總線(xiàn)的接口，分別為總線(xiàn)和CAN控制器提供不同的傳輸和接收能力。在微控制器對CAN控制器進(jìn)行相應配置后，收發(fā)器自動(dòng)完成相應的CAN總線(xiàn)操作。CAN收發(fā)器和CAN控制器是通過(guò)光耦實(shí)現總線(xiàn)上各CAN節點(diǎn)間的光電隔離，而且光耦電路的兩個(gè)電源VCC和VDD必須采用小功率電源隔離模塊進(jìn)行電源的完全隔離。以太網(wǎng)通信控制器，給微控制器提供控制以太網(wǎng)的簡(jiǎn)單接口，使微控制器只需要對其進(jìn)行相應讀寫(xiě)即可完成對以太網(wǎng)的操作。隔離濾波器用于提高網(wǎng)絡(luò )通信的抗干擾能力。

網(wǎng)關(guān)主要完成CAN總線(xiàn)到以太網(wǎng)的協(xié)議轉換。它由CAN控制器協(xié)議轉換模塊和以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉換模塊兩部分組成，網(wǎng)關(guān)硬件中微處理器起核心作用。CAN控制器協(xié)議轉換模塊硬件電路由三部分組成：微處理器、CAN通信控制器、CAN總線(xiàn)收發(fā)器。以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉換模塊主要由微處理器、以太網(wǎng)通信控制器和隔離濾波器組成。以太網(wǎng)通信控制器RTL8019AS是一種高集成度的全雙工10MbPS以太網(wǎng)控制芯片，實(shí)現了基于ETHERNET協(xié)議的MAC層的全部功能，完成數據包的接收和發(fā)送功能。

3．2 CAN軟件實(shí)現

在PCC中進(jìn)行CAN I／O操作，在硬件配置中選擇CAN通信接口，在軟件配置表中配置CAN I／O屬性。定義從站的站號應該與實(shí)際連接的硬件站號設置一致。利用CAN進(jìn)行連網(wǎng)數據通信，用CANopen指令對CAN接口進(jìn)行初始化。用CANopen在初始化程序中初始化CAN控制器。初始化之前，參數enable置1，設定通信速率為Baud rate，定義CAN接口參數。系統將反饋CAN通信接口的標識號US—ident，此標識號將在CAN函數庫中讀寫(xiě)數據的功能塊上使用。CANwrite功能塊將數據寫(xiě)在總線(xiàn)上，在循環(huán)任務(wù)中調用。這些數據可以通過(guò)給定的can—id號往總線(xiàn)上發(fā)送。

PCC的CAN幀最多可用8個(gè)字節的信息進(jìn)行讀寫(xiě)。這部分通過(guò)調用CAN函數庫來(lái)實(shí)現，其中包括CANOPEN，CANWRITE，CANREAD等。CANOPEN函數包括完成對CAN總線(xiàn)的初始化。

需要注意的是CAN總線(xiàn)的初始化必須包含在初始化例程INITsP中。CANOPEN(1，BAND—RATE，COB—ANZ，ADR(ERROR—ADR)，0，0，US—IDENT，STATUS)其中BAND—RATE=25，即代表波特功率為250K。US—IDENT是調用CAN初始化得到的反饋到PCC的CAN的ID，在CAN總線(xiàn)的讀寫(xiě)過(guò)程都將用到該參數。CAN總線(xiàn)的寫(xiě)信息通過(guò)在優(yōu)先級較高的進(jìn)程中采用CANWRITE函數，其函數參數定義如下：CANWRITE(ENABLE，US—IDENT，CAN— ID，DATA— ADR，DATA— LNG，STATUS)，enable=1，US—idenf為在CANopen()初始化中建立的US—idenf。CAN—id為數據目標CAN模塊有關(guān)的CAN數據楨的ID。DATE—ADR為發(fā)送數據模塊的首地址。DATA—LNG為發(fā)送的數據長(cháng)度。其最大值為8。如果以CAN—ID為幀地址數據被成功發(fā)送則status：0，反之sta．tus=錯誤代碼。

系統的結構框圖如圖4所示。

圖4 CAN總線(xiàn)結構框圖

4 系統軟件實(shí)現和上位組態(tài)

4．1 軟件編程

下位PCC的網(wǎng)絡(luò )組態(tài)和硬件配置及編程全部在B&R編程工具中完成，它全面支持全集成自動(dòng)化功能，可將數據管理、通信、編程同時(shí)集成在一個(gè)環(huán)境中去完成。應用這種便利的方法，在完成對三個(gè)站點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )組態(tài)和通信連接后，進(jìn)行編程調試，實(shí)現了各個(gè)站的控制要求。

貝加萊PCC控制器采用分時(shí)多任務(wù)操作系統和多樣化的應用軟件的設計，是基于多任務(wù)環(huán)境下設計程序，采用大型應用軟件的模塊化設計思想，應用程序的運行周期則與程序長(cháng)短無(wú)關(guān)，而是由操作系統的循環(huán)周期決定。其系統軟件使用AutomationStudio編程語(yǔ)言，包括：常規PLC使用的指令表語(yǔ)言如梯形圖、結構文本、SQF、指令表，而且還支持高級語(yǔ)言如BASIC語(yǔ)言和C語(yǔ)言 ，使開(kāi)發(fā)人員可以很好的選擇自己熟悉的編程方法。本系統使用高級語(yǔ)言C進(jìn)行編程，其運算時(shí)間快，而且容易實(shí)現模塊化編程，可以使控制更加快速和精確，以達到更好的控制目標。

4．2 控制系統上位機設計

上位機軟件采用組態(tài)王貝加萊專(zhuān)用版Kingview for B&R 1．0，除具有組態(tài)王6．53所具備的功能外，還具有以下特點(diǎn)：(1)以驅動(dòng)的方式支持貝加萊所有的產(chǎn)品；(2)支持冗余服務(wù)器、冗余CPU、冗余網(wǎng)絡(luò )；(3)支持自動(dòng)上載PCC中的變量；(4)支持結構體和數組變量類(lèi)型。

為過(guò)程控制和現場(chǎng)監控開(kāi)發(fā)的監控系統軟件。在組態(tài)時(shí)充分利用其強大的上下位全集成功能，大大節約了開(kāi)發(fā)時(shí)問(wèn)并增強了系統的透明訪(fǎng)問(wèn)度。在利用上位工具組態(tài)王實(shí)現主要功能如下，(1)監視功能：全面實(shí)時(shí)顯示各工藝參數值和各設備當前狀態(tài)，以及故障報警、報表等。(2)調節功能：對各調節閥進(jìn)行手／自動(dòng)調節以及對工藝參數的設定等功能。

主控界面的組態(tài)由于系統設備較多，需要將系統流程及設備操作界面分別呈現在多張畫(huà)面內。畫(huà)面問(wèn)的切換使用組態(tài)王內部按鈕的鼠標動(dòng)作來(lái)實(shí)現。

5 結束語(yǔ)

該系統針對污水處理自動(dòng)控制系統，采用工業(yè)以太網(wǎng)和CAN縱向集成的技術(shù)，主要介紹了CAN總線(xiàn)的實(shí)現，總線(xiàn)與工業(yè)以太網(wǎng)之間的協(xié)議轉換。充分利用貝加萊PCC編程靈活，可靠性高與CAN總線(xiàn)充分結合，將以太網(wǎng)進(jìn)一步延伸到工業(yè)現場(chǎng)級，使控制系統結構具有最大的開(kāi)放性、互操作性和實(shí)時(shí)性。在完全達到技術(shù)要求的基礎之上，為以后的擴展和升級留下足夠的空間，系統已經(jīng)應用于蘭州某縣污水處理廠(chǎng)，功能完善、運行穩定、自動(dòng)化程度高，完全滿(mǎn)足其控制要求，各站運行平穩，各方面性能都得到廠(chǎng)方的好評。