基于CANopen的火花检测和自动灭火系统

基于CANopen的火花检测和自动灭火系统 关键词: CANopen协议，现场总线，CAN，灭火系统，火花检测 引言 在木材加工工业、食品加工工业、饲料加工业、纺织品工业、羽绒加工业和一些化学品工业的自动化过程中普遍存在着较高的火灾和爆炸的风险。由电器或者机械设备引起的火花将导致阴火和粉尘爆炸，从而危害到下游设备比如过滤器或者存储容器的安全。如果这些火灾风险不被及时的发觉并且处理，那么随着原料的输入将导致更大的设备损坏和人员危险，进一步将导致花费巨大的设备停工期。 为了最小化这一风险，一种专用的火花消除控制系统被研发出来。一种专用的红外线传感器可以通过电压导火装置提早检测出火花，在高速控制单元的协调下定向灭火装置可以熄灭设备中的潜在火源。这样，潜在的火源就不会继续发展从而形成火灾。 系统方案 一旦检测到火花，预编程的一系列处理过程将被自动的触发，比如：释放灭火泡沫，关闭或者隔离管道，在情况危急的时刻，甚至可以关闭或者淹没相应的干燥或者过滤设备。 在灭火过程中，紧接着的过程就是高压的水雾被喷射到粉尘区域。专用的喷嘴和高速阀使得注入水的剂量非常的精确。这一措施既保证了火源被准确消灭同时又保证了整个设备不会被水浸泡。因此这一解决方案非常适用于连续性生产过程，避免了不必要的停工周期。 为了得到最优的性价比以获得较高的市场竞争力，我们选择了微控制器的解决方案来满足较高的性价比。 尽管有着低成本嵌入式解决方案的资源限制，控制系统仍然需要满足以下需求： 从火花检测到反应的时间小于1ms 高效的实时操作系统以保证动作的准确 支持两个独立可操作的CANopen通讯接口 一个主控制器可以管理高达48个数据采集模块 为最终用户提供IEC 61131-3兼容的开发环境 集成的用户自定义功能，可使用C代码编程 可通过CANopen进行编程和调试 CANopen SDO网关提供端对端和下位模块通讯 控制过程参数的可视化 带时间戳的日志系统和非易失性存储用于保存危险事件日志 数据采集模块的主要任务就是要连续的采集并且评估传感器数据，并在检测到潜在危险火源的情况下初始化灭火过程。这一模块需要实现一种专用的电路既能够保证高速的数据采集又能够保证稳定的及时检测出短路和断路。 传感器数据被设备固件中的一个特殊的用户任务程序进行周期性检测评估。由于这一任务的安全性要求，这一任务将独立运行在IEC 61131-3的运行时系统和PLC程序外。为了保证高速的响应，用户程序可以独占的访问专用的输入和输出并且可以直接的操作这些I/O通道。为了进一步的数据存储和评估，全部的事件都被保存在非易失性存储器中并且同时保存了时间戳信息。一个定制版本的高效实时操作系统负责全部任务的管理，可以保证任务的巡检周期小于1ms并且按照优先级运行相应的任务。为了优化任务的执行速度，高优先级的任务将以C代码实现并且被编译为主CPU可以直接运行的目标代码。我们使用相应的UML工具来设计这些软件组件，这一方法为整个内部过程和数据流提供了较高层次的图形化抽象模型。这些图形化模型可以被直接转化为C代码，开发人员节省了大量的精力和时间可以更加专注于系统的特定实现细节，并且节省了编码出错的风险。 尽管用户程序和PLC程序是单独被执行的，但是这两部分代码将通过OpenPCS开发环境被一起下载到目标硬件中。这一方式提供了一种简单的方法用于更新用户程序而无需修改目标系统的固件，并且用户也可以下载不同的用户程序而不用修改PLC程序。 尽管用户程序和PLC程序是独立运行的，他们之间仍然需要必要的接口用于数据交换、事件通知和任务管理。因此我们定义了一段共享的地址空间用于过程数据的镜像，这一段地址空间可以被两个过程的程序访问。比如：PLC程序可以获得事件通知并且可以将相应的信息传输到负责的主控制器处理。 在数据采集模块和主控制器之间传递信息的最简单的方式就是使用我们称作网络变量的方法。这里，CANopen提供了相应的网络变量机制。CANopen的网络变量提供了一种访问过程数据的方法，这一方法使得用户无需关心通讯协议的底层机制。在PLC程序中，访问网络变量和访问本地变量的方法是一致的。这样，应用开发人员就无需关心所使用的是本地开关量输出还是远程的单元。市面上有很多的CANopen配置工具可以用来简化CANopen的配置工作。CANopen的实现层既管理了信息的传输又管理了从CAN信息到网络变量的自动转化过程。作为网络变量的附加功能，专用的PLC功能模块提供了对于CAN信息和CANopen服务(比如：SDO数据交换、状态恢复、远程CANopen节点错误信息)的直接访问。 C代码的用户程序和PLC程序中的CANopen函数功能块都可以访问网络变量。这使得用户程序可以进行远程CANopen节点的信息交换。用户应用程序可以通过本地的对象字典完成两个CANopen实例的数据读写。 整个应用的拓扑是双层的网络结构。每一个主控制器都具有两个CANopen接口。其中一个CANopen接口连接叫做Line-Bus的总线，这是一个设备端的精简扩展总线，通讯速率能够达到1Mbps。Line-Bus能够支持高速的信息传输用以满足实时要求。在Line-Bus总线上主控制器可以管理高达48个数据采集模块。而且这一总线只接受数据采集模块的接入。 第二个CANopen接口连接管理总线。这一总线连接所有的主控制器到控制台。控制台是这一火花检测和灭火系统的核心部分。它负责记录、分析并且存储全部的事件。一旦发生报警和错误信息，相应的计数测量过程将被自动启动。所有记录的事件都可以被传输到PC以供 进一步的详细分析进而评估火灾的风险和设备或者生产过程的故障。控制台还将记录每一个独立的火花发生信息，比如发生的时间、火花的数量、事件的持续时间以及火花发生的位置。按照时间顺序排列的报警时间可以达到万分之一秒的精度。系统可以按照时间顺序根据报警产生的原因、传播范围和影响进行评估连接区域的风险。 管理总线的开放式架构可以使火花熄灭系统被灵活的改造以适应不同的设备和生产过程。 为了便于管理和维护，编程PC可以通过管理总线直接访问主控制器。通过SDO传输，编程PC可以远程的向模块中下载新的应用程序。同时也支持在线的观察和修改程序变量。因此全部的调试、测试以及初装过程都变得非常的容易和方便。 为了在数据采集模块上实现这种端到端的便捷访问，每一个主控制器都可以作为一个CANopen网关服务器。每一个网关服务器都可以处理路由请求并且将SDO信息转发到总线的相应目标节点上。 系统总结 这一特定的解决方案表明了即使低成本的嵌入式系统也可以在较低的资源限制下达到较高的系统要求。这一系统的成功关键是集成了高性价比的硬件和强大的带有C代码扩展的PLC运行时核心，因此系统即降低了成本又获得了成熟产品的优势。