基于CAN总线的橡胶加工分布式计算机测控系统的设计与实现

为了提高橡胶加工厂的生产工艺执行率，强化工艺管理，便于现场检查工艺参数，利于企业推行企业计算机集成制造系统CIMS、企业管理信息系统MIS和贯彻ISO9000～9002质量标准，我们为某橡胶加工厂设计一套基于CAN总线的橡胶加工过程的分布式计算机测控系统。整个计算机测控系统由4个工程师站和13个现场控制站点组成，整个测控系统以Windows9x为操作平台，采用CAN总线网络结构。整个系统已平稳运行一年，运行良好。 　　橡胶加工厂一般均设有：配合剂称量、混炼、硫化、修补等工段，其中最为关键的两个工段为称量和硫化工段。现在，我国的一些橡胶加工厂的称重配料和硫化为人工操作、控制，人为因素极大地影响了橡胶制品的加工质量和硫化性能。为了减少人为的因素的影响，配料称量、橡胶硫化生产过程采用计算机控制是十分必要的。整个计算机控制过程主要是硫化温度的采集、控制，在温度控制时，加入数字增量PID调节功能。 　　根据橡胶加工厂的特点,整个系统应具有工艺流程画面显示、曲线趋势图显示、数据存储、实时故障报警及报表打印、历史数据查询、配方更改、工艺流程更改等功能。为了使整个分布式测控系统能安全、可靠、高性能地运行，同时考虑用户将来的扩展需要，整个系统采用如下设计思路： (1)系统采用三级分布式结构网络,由工程师管理站和现场测控站点构成。工程师管理站对其所监控的分现场测控站进行管理和调度，通过热键切换，也可对整个分布式测控系统中的各个现场测控站进行统一管理和调度。各个现场测控站分管若干个现场输入/输出（I/O)单元，且相互之间独立，共同完成各个现场测控站点的数据采集、控制及通信功能,从而可以保证系统在某一个现场I/O单元或某一现场测控站出现故障时不出现失控现象。 (2)现场工程师站向上与厂信息处理工作站、总工程师等组成快速以太网（Ethernet），以备将来与Internet网互联。 (3)系统采用总线式的现场通信网络，它具备多主协议、通信速率高、实时能力、错误纠正、强噪声抑制能力，同时，系统具备一定的扩充能力。 (4)硬件采用模块化结构：现场单元全部采用智能化的测控模块，且全为插拔式或插入螺丝端子接线，以使现场若发生故障时维修人员可以方便、快速地进行更换，而不影响正常的生产。 　　根据用户需求，系统正常运行时，从信号采集和控制流程看，本系统分为4个独立的部分：配合剂称量工段分站；橡胶混合工段分站；橡胶硫化工段分站；成品修补工段分站。其中每个部分设1台工程师站对本站进行数据采集和控制。同时要求四部分的工程师站能互为备份，当某一台工程师站出现故障时，通过热键切换，系统进入应急托管状态，由其他3台工程师站进行临时托管。从适用性、先进性和系统低成本考虑，现场总线采用CAN(控制器区域网)总线[2] [3]，它是一种广泛应用于工业自动化领域的先进的现场总线，具有以下显著特性： 　　它是一种高速串行总线，具备多主协议，网上任意两个接点都可以直接交换数据。 　　具备实时能力。CAN网通过非破坏性的位总线仲裁技术来处理多接点同时访问网络的冲突，从而满足实时性的需要，也保证不丢失数据和损失带宽。 　　广播式数据通讯。采用CSMA/CD协议进行总线控制及数据通信，当节点往网上发送数据时，其他所有节点都同时收到数据。 高传输可靠性 　　CAN特别适合于网络化智能设备，满足ISO11898，传输速率可达1Mbps，传输距离1000m，传输方式和介质为差分电压和双绞线。驱动器/接受器为64/64，经CAN总线扩展器可扩充到256个。 工程师站 　　根据用户的需求，本方案选用台湾研华公司的工控机IPC610P，其主频为233MHz。为适应总线需求，在工控机内配置一块研华PCL841双通道隔离式CAN总线卡。它支持工控机与CAN网的联接及通讯，传输速率最大为1Mbps。比工控机通过RS-232经ADAM4525再上CAN网的通讯速率大大提高。 现场智能单元 　　现场智能单元采用研华产品ADAM5000/CAN，它主要用来做独立的数据采集控制，可通过其CAN网接口与上位机通信，特别适合应用于现场总线式的数据采集场合。ADAM5000/CAN内置16位微处理器，具有4个模块插槽（支持64个I/O点），内置CAN口。具有足够的现场响应能力和I/O 处理能力。同时支持现场站点直接与CAN接口(可选DeviceNET或CANopen协议），且自带软硬件自检和看门狗。 　　ADAM5000/CAN使用中断方法完成状态改变功能，在状态改变功能时，仅当数据改变时才产生数据，数据然后广播到网上的所有设备，计算机或控制器在事件发生的同时接收数据。 现场I/O模块 　　现场I/O模块采用ADAM5000系列，它具有体积紧凑、符合现场总线的趋势，其数据采集、模拟输出以及数字I/O等3种不同的数据采集，使现场I/O设备容易构成计算机应用网络。具有系统设计灵活、易于安装和组网、适合于工业现场环境、支持的软件丰富等特点。 　　现场I/O 模块根据现场的实际控制需要，分为模拟输出模块、模拟输入模块、数字输入模块、数字输出模块以及热电偶(RTD)输入模块，所用的几种主要功能模块如下： 模拟量采集：ADAM5017(8通道），模拟量输出：ADAM5024(4通道），数字量输出：ADAM5056（16通道)，数字量输入：ADAM5052(隔离、8通道），热电偶输入：ADAM50(3通道），继电器输入：ADAM5068(8通道）。 过程控制流程 　　现场过程信号采集及监控流程由4部分组成：配合剂称量工段控制流程、橡胶混合工段分站控制流程、橡胶硫化工段分站控制流程、成品修补工段分站控制流程，4个工段由相应的工程师站管理。每个工段又分为若干个现场站点，每个现场站点又实时监控若干个现场I/O单元，形成四级管理。 　　数据采集监控流程为：每个现场I/O单元实时变送相应的现场环境参数，现场测控站点ADAM5000/CAN实时采集所属的现场I/O单元的数值，然后ADAM5000/CAN将一些重要的数据通过CAN总线上报到工程师站，工程师站根据实时监测到的各种模拟信号以及数字量进行逻辑判断、实时处理后，形成历史数据，实时报警、实时显示各现场测控站点的运行状态，同时，产生必要的控制参数，再通过CAN总线传输到现场站点ADAM5000/CAN，现场站点ADAM5000/CAN再分别通过数字输出模块和模拟输出模块实时控制相应的现场执行机构，以调整现场的工作环境。 　　为了用户操作方便，需要画面显示、曲线趋势图显示、数据存储、实时故障报警及报表打印等功能，因此，在软件设计时，采用组态式设计方法。应用软件采用Windows视窗技术，且为全新的中文浏览器界面，操作界面图形化，使操作更为直观、方便、灵活，视窗界面更为友好。应用软件采用现场总线的通信协议，具有多主、实时、高可靠性、较低的系统硬件成本等优点，使应用软件可在环境较为恶劣的工作现场中稳定运行，降低了整个网络的风险性。 软件功能 　　工程师站完成相应工段分网的检测、控制及管理任务，作为工程师的工具，使分网能够低耗、安全运行，其主要功能有：（1)巡检、存储并实时显示分网的运行参数，使工程师能够随时查看到分网的实时和历史数据，从而对分网进行统一的检测和管理。（2)根据分网实时参数，分析运行工况、及时发现分网出现的各种异常现象，分析系统可能出现的故障，并及时显示报警。（3）随时打印各种报表和记录，包括：报警打印、报表定时打印、操作记录打印。（4）各种信息显示，包括：日期、时间显示，流程画面显示，分组控制显示，趋势显示，操作指示显示等。(5）配方管理、简单实用的报表处理系统；（6）各种先进控制算法及其参数的自整定。 现场站点的功能包括： 数据实时采集、处理、显示； 故障实时报警、显示； 现场设备实时监控； 软件模块 　　为了使系统具有画面显示、曲线趋势图、数据存储、实时故障报警及报表打印的功能，软件分为，二级工程师站的应用程序和现场站点的应用程序，其中：二级工程师站的应用程序有以下几个大的功能模块：（1）初始化模块；（2）控制参数设定模块；（3）通信模块；（4）数据采集模块；（5）现场/远程控制模块；（6）数据记录、查询以及报表打印模块；（7）故障诊断报警模块；（8）生产工艺流程画面显示模块。 　　现场站点的应用程序有以下几个大的功能模块：（1）初始化模块；（2）控制参数设定模块；（3）控制参数设定模块；（4）数据采集与显示模块；（5）故障监测和报警模块。 　　为保证系统稳定运行，系统采取了如下几点重要的措施：（1）网络采用非破坏性的总线仲裁，避免了各通信设备争用总线而导致通信失败和数据丢失的弊端。（2）采用CRC校验方式，使通信系统具有强有力的错误侦测和纠正功能。（3）在线分网监控，且互为备份。（4）采用“Watchdog(看门狗)”技术，保证系统在强干扰下不会出现死机现象。（5）软件中采用了数字滤波技术。 　　该系统采用现场总线控制技术，并选用CAN式的网络结构，极大地提高了整个测控系统的可靠性、实时性。整个系统采用先进的设计思想，保证了系统的先进性。整个系统运行一年来，性能稳定，运行可靠，并为该企业创造了一定的经济和社会效益。