iCAN系列功能模塊及其在起重力矩限制系統中的應用

　　1 引言

　　現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是用于現場(chǎng)儀表與控制系統之間的全分散、全數字化、智能、雙向、百聯(lián)、多變量、多點(diǎn)、多站的串行通信系統。CAN-bUS總線(xiàn)是國際上應用最廣泛的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。國內CAN-bus總線(xiàn)應用廣泛，但大多數對CAN-bus總線(xiàn)的應用還處于基礎階段，沒(méi)有真正發(fā)揮CAN-bus總線(xiàn)實(shí)時(shí)、可靠的優(yōu)勢，主要體現在應用層協(xié)議的選擇。目前占領(lǐng)市場(chǎng)的兩個(gè)應用層協(xié)議是DeviceNet協(xié)議和CANopen協(xié)議。但兩者規范比較復雜，理解和開(kāi)發(fā)難度較大，用戶(hù)在前期開(kāi)發(fā)階段需投入大量的資金和人力，不適用于簡(jiǎn)單的基于CAN總線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò )。因此就有必要開(kāi)發(fā)一種簡(jiǎn)單可靠的CAN高層協(xié)議，以適用于CAN總線(xiàn)簡(jiǎn)單應用場(chǎng)合，由此誕生了iCAN系統及iCAN協(xié)議規范。

　　2 iCAN系統及iCAN協(xié)議規范

　　2.1 iCAN系統

　　iCAN系統全稱(chēng)為"工業(yè)CAN-bus現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(Industry CAN-bus Fieldbus Control System)"，是一種基于CAN-bus的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統。iCAN系統提供一個(gè)低成本的通信鏈路，主要用于實(shí)現CAN-bus應用中的通信控制和數據采集。iCAN系統具有構建靈活、結構簡(jiǎn)單、成本較低的優(yōu)點(diǎn)，由于采用CAN-bus總線(xiàn)，iCAN系統還具有良好的可靠性和穩定性。同時(shí)，還具有易于組態(tài)，安裝、運行、維護簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。它使用CAN-bus總線(xiàn)將工業(yè)現場(chǎng)設備(如傳感器、儀表等)與管理設備(PC、工控機、PLC等)連成網(wǎng)絡(luò )，無(wú)需昂貴的連接線(xiàn)路。iCAN系統主要由iCAN協(xié)議、iCAN系列功能模塊和PC-CAN接口卡構成。

　　2.2 iCAN協(xié)議

　　iCAN協(xié)議全稱(chēng)為"Industry CAN-bus Application Protocol"，是現場(chǎng)總線(xiàn)CAN-bus的最新應用層協(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)。它采用與CANopen、DeviceNet協(xié)議基本相同的連接管理方式，刪除了較復雜的握手管理、資源分配等內容，并使用預定義數據組合方式管理CAN-bus總線(xiàn)上的節點(diǎn)。它在汲取DeviceNet和CANopen協(xié)議精粹的基礎上，充分繼承發(fā)展了基于連接和對象尋址兩種核心功能。支持多種傳輸方式，包括輪詢(xún)方式、狀態(tài)觸發(fā)方式以及定時(shí)循環(huán)方式，還根據實(shí)際情況，除去了諸如復雜的基于對象模式、通信波特率限制等因素，以高效精練的協(xié)議，保證數據通信的可靠性、實(shí)時(shí)性，有效降低了硬件成本。iCAN協(xié)議授權支持行業(yè)客戶(hù)免費使用，開(kāi)發(fā)基于iCAN協(xié)議的產(chǎn)品不需要支付額外的協(xié)議費用。

　　3 iCAN系列功能模塊原理

　　3.1模塊型號簡(jiǎn)介

　　表1為iCAN功能模塊型號表。iCAN功能模塊集成有CAN-bus通訊接口和iCAN應用層協(xié)議，提供DI、DO、AI、AO、RTD、TC、計數器、頻率計等數據采集功能，為主控PC與現場(chǎng)設備之間提供完整的信號采集與通訊功能。 3.2模塊內部結構(以iCAN-4050模塊為例)

　　iCAN-4050功能模塊原理框圖如圖1所示，是由微處理器、電源、CAN通信接口、設置開(kāi)關(guān)以及輸入／輸出處理電路組成。根據模塊功能不同，有些模塊采用8位的單片機作為微處理器，有些采用16位甚至32位的ARM微處理器。而在CAN通信接口的設計采用獨立的CAN控制器SJA1000T與微處理器相連。不同模塊的輸入／輸出電路都是根據自身的功能設計。為了提高模塊的抗干擾性，有些模塊的微處理器和輸入／輸出單元之間采用光電隔離(HllLl光電隔離器件)避免外界干擾噪聲。采用直流電源供電，供電電源范同是+10 V～+30 V。因此，即使在工業(yè)現場(chǎng)電源電壓產(chǎn)生波動(dòng)，模塊也能獲取穩定的工作電源。模塊電源同時(shí)提供反接保護，以防止因電源的接線(xiàn)錯誤而導致模塊損壞。

　　模塊工作時(shí)，將輸入的電壓型數字信號或無(wú)源觸點(diǎn)信號經(jīng)訓理后，送人微處理器，通過(guò)CAN總線(xiàn)通信將輸入的數字信號狀態(tài)傳送到網(wǎng)絡(luò )中的主控設備，主控設備可通過(guò)CAN總線(xiàn)將輸出的數字量狀態(tài)傳送到模塊，控制外部開(kāi)關(guān)。通過(guò)運行硬件看門(mén)狗監控模塊，防止模塊死機，有效提高模塊的可靠性。

　　4 起重力矩限制系統中的應用

　　4.1系統簡(jiǎn)介

　　起重力矩限制系統是汽車(chē)起重機控制系統 的一個(gè)重要組成部分。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分析處理，實(shí)時(shí)監控系統工作時(shí)起重力矩，保證起重機工作在安全狀態(tài)下。而且系統能夠實(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依據。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)型主要為電壓或電流信號，傳感器信號共有4路。此外系統要求提供4路數字量輸出通道。

　　4.2系統解決方案

　　系統采用高可靠性的PC104工控機，人機接口采用10.4″觸摸式TFTLCD顯示器，提供鍵盤(pán)控制。人機界面用MCGS組態(tài)軟件編寫(xiě)系統組態(tài)界面。PC104-CAN2雙路CAN接口卡通過(guò)CAN總線(xiàn)模塊iCAN-4017、iCAN-4050采集各傳感器輸出數據，實(shí)時(shí)獲取系統工作狀態(tài)及數據參數，通過(guò)ZOPC-SEVER服務(wù)器傳輸到工控機的組態(tài)系統中，同時(shí)組態(tài)系統作為服務(wù)器向工控機提供數據，工控機接收相應數據后進(jìn)行分析處理，系統工作狀態(tài)實(shí)時(shí)在人機界面上顯示。系統能夠警示危險工況，診斷并排除故障。在危險工況下，通過(guò)實(shí)時(shí)控制輸出模塊，使系統處于安全狀態(tài)，防止事故發(fā)生，并在危險工況時(shí)提示操作人員，操作人員根據鍵盤(pán)指令進(jìn)行相應控制。起重力矩限制系統的原理圖如圖2所示。

　　4.3模塊外部接口

　　iCAN-4017模塊具有接口及設置開(kāi)關(guān)如圖3(a)所示，模塊內部各接線(xiàn)端子、撥碼開(kāi)關(guān)、跳線(xiàn)器以及指示燈功能說(shuō)明如下：SW1為模塊CAN波特率以及MAC ID設置開(kāi)關(guān)；RL1為電源指示燈；SL2為網(wǎng)絡(luò )通訊指示燈；JP1為DC電源、CAN通訊接口以及模擬量輸人信號通道接線(xiàn)端了；JP2為模擬量輸入信號通道接線(xiàn)端子。

　　iCAN-4017模塊的接線(xiàn)端子JP1、JP2引腳定義如圖3(b)所示。+VS為+10 V～+30 V DC電源正端：GND為+10 V～+30 V DC電源負端；CANL為CAN通訊信號CAN_L端；CANH為CAN通訊信號CAN_H端；Res-為接CAN網(wǎng)絡(luò )終端匹配電阻；Res+為接CAN網(wǎng)絡(luò )終端匹配電阻：Ain0+～Ain7+為接模擬量輸入通道0～7信號正端；Ain0-～Ain5-為接模擬量輸入通道0～7信號負端；AGND為模擬量輸入通道6、7輸人參考地；NC為未用端。

　　4.4系統軟件設計

　　本系統采用組態(tài)軟件的開(kāi)發(fā)方式。用戶(hù)無(wú)需了解iCAN系統原理，只需清楚系統有哪些被測和被控信號；市面流行的組態(tài)軟件都支持OPC接口，用戶(hù)可采用熟悉的組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)，提高開(kāi)發(fā)效率；易于開(kāi)發(fā)出圖形化控制系統。本系統采用MCGS組態(tài)軟件和ZOPC服務(wù)器。軟件開(kāi)發(fā)包括配制ZOPC服務(wù)器、在MCGS中添加OPC設備和編寫(xiě)MCGS應用工程三部分。由于后面兩部分比較簡(jiǎn)單，下面給出配置ZOPC服務(wù)器的流程框圖，如圖4所示。

　　4.5系統方案的特點(diǎn)

　　利用iCAN協(xié)議、iCAN系列功能模塊和PC-CAN接口卡．通過(guò)CAN-bus總線(xiàn)實(shí)現各傳感器信號采集以及輸出裝置控制，使得系統容易構建，布線(xiàn)安裝方便；同時(shí)系統抗干擾能力強、可靠件高、實(shí)時(shí)響應性好。而且通過(guò)CAN-bus總線(xiàn)的應用，使該起重力矩限制系統易于作為一個(gè)子系統嵌入到起重機的控制系統中。通過(guò)實(shí)際的運行測試表明，該系統運行穩定、可靠，維護接口方便，性?xún)r(jià)比高。

　　5 結束語(yǔ)

　　重點(diǎn)介紹了iCAN系列功能模塊的原理及應用，并介紹了iCAN系統和iCAN協(xié)議的概況，iCAN協(xié)議授權支持行業(yè)客戶(hù)免費使用，開(kāi)發(fā)基于iCAN協(xié)議的產(chǎn)品不需要支付額外的協(xié)議費用，這使其在與國外許多現場(chǎng)總線(xiàn)CAN-bus應用層協(xié)議的競爭中占據有利位置。隨著(zhù)CAN-bus總線(xiàn)在國內行業(yè)應用日漸廣泛，以及工業(yè)控制領(lǐng)域中DCS和FCS的互相融合，iCAN系統一定會(huì )成為分布式數據采集網(wǎng)絡(luò )的一種有效通信方式，具有良好的應用前景。