基于CAN的鋁合金板帶快速電磁鑄軋通信系統設計

O 引言

新型鋁合金板帶快速電磁鑄軋技術(shù)是利用電磁感應裝置產(chǎn)生一個(gè)交變復合磁場(chǎng)來(lái)對鑄軋區內的鋁熔體進(jìn)行電磁攪拌、電磁擾動(dòng)等綜合控制，以改變鋁及鋁合金凝固結晶條件，從而達到細化晶粒，改善鑄軋板坯組織及性能的目的。

1 鋁合金板帶快速電磁鑄軋系統

鋁合金板帶快速電磁鑄軋生產(chǎn)系統是一個(gè)復雜的大系統。它主要由鑄軋特種電源控制系統、熔爐溫度控制系統和軋機傳動(dòng)控制系統三部分組成。該系統存在著(zhù)大量的企業(yè)管理與決策信息和現場(chǎng)實(shí)時(shí)信息需要協(xié)調處理。為了適應鋁生產(chǎn)過(guò)程管控一體化和綜合自動(dòng)化的需要，本設計采用基于工業(yè)以太網(wǎng)和現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )化結構。圖l所示為鋁合金板帶快速電磁鑄軋生產(chǎn)系統的三層網(wǎng)絡(luò )結構示意圖，由圖可見(jiàn)，它通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)和現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的相互融合，從而有效解決了基礎自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò )與過(guò)程和管理控制系統之間的無(wú)縫集成問(wèn)題，同時(shí)還為實(shí)現ERP(Enterprise Resource Planning)管理提供了良好的必要條件。下面主要設計基于CANopen協(xié)議的現場(chǎng)設備層的通信系統。

2 CANopen簡(jiǎn)介

CAN (Controller Area Network)是控制器局域網(wǎng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是德國B(niǎo)osch公司在1986年為解決現代汽車(chē)中眾多測量控制部件之間的數據交換問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的一種串行數據通信總線(xiàn)。該總線(xiàn)現已經(jīng)被列入ISO國際標準(稱(chēng)為ISO 11898)。CAN現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)是一種可有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò )，它有著(zhù)很高的實(shí)時(shí)性、可靠性、抗干擾能力和驗錯能力，十分適合于鋁合金板帶快速電磁鑄軋生產(chǎn)過(guò)程的分布式網(wǎng)絡(luò )監控系統應用。

在OSI參考模型中，網(wǎng)絡(luò )系統結構被劃分為7層。而CAN只定義了第1層(物理層)和第2層(數據鏈路層)，這兩層完全由硬件實(shí)現。由于沒(méi)有定義應用層，故其本身并不完整，還需要一個(gè)高層協(xié)議來(lái)定義CAN報文的11／29位標識符、8字節數據的使用。CANopen就是建立在CAN協(xié)議的物理層和數據鏈路層基礎上的標準化應用層協(xié)議，它包括應用層規范、通信協(xié)議和設備協(xié)議。CANopen是一種公共、開(kāi)放、通用的協(xié)議，能夠在CAN網(wǎng)絡(luò )中提供標準的、統一的通訊模式以及設備功能描述方式，并可執行網(wǎng)絡(luò )管理功能。另外，由于其采用面向對象的思想設計，因此，具有很好的模塊特性和很高的適應性，而且精練透明、容易開(kāi)發(fā)。

在CANopen應用層，設備之間交換的是通訊對象(COB)，它們被映射到帶有標識符(ID)的CAN幀中，在數據鏈路層上傳輸。在物理層上，信號以?xún)删€(xiàn)之陽(yáng)的“差分”電壓形式出現，并用“顯性”(Dominant)和“隱性”(Recessive)兩個(gè)互補邏輯值來(lái)表示“0”和“1”。圖2所示描述了該協(xié)議層間的通訊關(guān)系。

CANopen協(xié)議對總線(xiàn)上傳輸的數據進(jìn)行了分類(lèi)，即每一個(gè)傳輸數據都是某一特定類(lèi)的對象，從而實(shí)現面向對象的程序設計?；贑ANopen協(xié)議的數據傳輸中共定義了4類(lèi)通訊對象：一是過(guò)程數據對象(PDO)，用來(lái)傳輸實(shí)時(shí)數據；二是服務(wù)數據對象(SDO)，用來(lái)訪(fǎng)問(wèn)對象字典中的設備配置參數；三是特殊功能對象，它包括同步(SYNC)對象和應急(Emergency)對象；最后是時(shí)間標記(Time Stamp)對象。

CANopen中的每一類(lèi)通訊對象都有其規范化的格式，故可實(shí)現應用層結構上的統一。為了實(shí)現對各類(lèi)對象進(jìn)行規范化和方便管理，在CAN-open協(xié)議中定義了對象字典(ObjectDictionary，OD)的概念。每個(gè)設備都有一個(gè)獨有的對象字典，它描述了設備所使用的所有數據類(lèi)型，包括描述這個(gè)和該網(wǎng)絡(luò )行為的所有參數。對象字典是具體應用于CAN總線(xiàn)通信接口之間的數據交換的媒介，是整個(gè)CANopen協(xié)議的核心。CANopen對象字典的結構如表l所列。

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。

4 系統軟件設計

4．1 CANopen標識符

通訊對象的標識符(COB-ID)可唯一確定CAN網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)通訊對象及其優(yōu)先級。通訊對象優(yōu)先級的大小可通過(guò)標識符數值的大小來(lái)確定，標識符數值較小的優(yōu)先級較大。CANopen信息幀的標識符分為兩部分，一部分為4位的功能碼，另一部分為7位的節點(diǎn)ID。功能碼代表數據幀的優(yōu)先級，節點(diǎn)ID用于區別不同的節點(diǎn)，其標識符的格式如圖6所示。

標識符的分配可以由預定義主／從連接集來(lái)實(shí)現。也可以由CALDBT服務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配。由于大多數通信系統的標識符的分配都可由預定義主／從連接集來(lái)實(shí)現，所以，本系統也采用預定義主／從連接集來(lái)實(shí)現CANopen標識符的分配。表2所列是CANopen預定主／從連接集。

4．2 CANopen協(xié)議棧的軟件設計

從節點(diǎn)中實(shí)現CANopen協(xié)議棧的軟件內容十分豐富，主要包括節點(diǎn)通訊初始化和硬件設備初始化、CAN報文基本通訊、定義和訪(fǎng)問(wèn)對象字典、NMT從節點(diǎn)功能、PDO通訊、SDO通訊和節點(diǎn)保護等功能。其程序流程圖如圖7所示。

4．3 CANopen主站模塊的配置

在硬件連線(xiàn)接好之后，就可以通過(guò)TwidosoftV3．0或更高的CANopen配置工具來(lái)對CANopen現場(chǎng)總線(xiàn)主模塊進(jìn)行配置。CANopen網(wǎng)絡(luò )的主、從配置以及通信參數的配置只能在離線(xiàn)模式下進(jìn)行，而且除了某幾個(gè)參數可以調節(例如％IWC和％QWC PDO尋址參數)外，其他參數都不允許在線(xiàn)模式配置。

5 結束語(yǔ)

實(shí)驗結果表明，本文所設計的CANopen通信系統可以達到較好的效果，可以實(shí)現現場(chǎng)設備層的鑄造電源系統參數的顯示、設定以及歷史記錄和報表打印等功能，同時(shí)，通過(guò)觸摸屏組態(tài)還可以完成對變頻電源A、B、C三相和輔助電源的集中管理和監控。