基于CANbus和SNMP的起重力矩監(jiān)控系統(tǒng)

1 概述

在工程機(jī)械的控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的應(yīng)用日趨廣泛。CAN 總線由于其數(shù)據(jù)傳輸高可靠性和高實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，已經(jīng)成為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸方式的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)之一，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于汽車、工業(yè)控制、智能樓宇、煤礦設(shè)備等各個(gè)行業(yè)的數(shù)據(jù)通訊。CAN 總線采用短幀報(bào)文結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)性好，并具有完善的數(shù)據(jù)校驗(yàn)、錯(cuò)誤處理以及檢錯(cuò)機(jī)制，此外CAN 總線節(jié)點(diǎn)在嚴(yán)重錯(cuò)誤下會(huì)自動(dòng)脫離總線，對(duì)總線通訊沒有影響^[1]。CAN 總線網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)收發(fā)、硬件檢錯(cuò)均由CAN 控制器硬件完成，大大增強(qiáng)了CAN 總線網(wǎng)絡(luò)的抗電磁干擾能力，因此非常適用于對(duì)實(shí)時(shí)性、安全性要求十分嚴(yán)格的機(jī)械控制網(wǎng)絡(luò)。

SNMP 作為TCP/IP 協(xié)議族的一個(gè)子協(xié)議，是IEITF 研究小組提出的網(wǎng)絡(luò)管理解決方案之一，它作為一種簡(jiǎn)潔而流行的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議在工業(yè)界獲得了廣泛的應(yīng)用。SNMP 網(wǎng)絡(luò)管理模型中的重要組成部分包括：網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議、管理端（Manager）、代理（Agent ）和管理信息庫（MIB）。其管理的基本思想是，通過管理端與代理之間的相互合作，以分布方式執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)管理活動(dòng)^[2]。管理端負(fù)責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)中各種資源和設(shè)備，采用輪詢（polling ）或手動(dòng)方式向遠(yuǎn)程的代理發(fā)送Get（讀取）和Set（設(shè)置）請(qǐng)求命令，以獲取信息或?qū)嵤┛刂?。代理駐留在設(shè)備上，負(fù)責(zé)設(shè)備的實(shí)際管理和控制，響應(yīng)和執(zhí)行管理端的管理命令，并且返回應(yīng)答信息。MIB 存放被管對(duì)象資源的所有信息，管理端通過代理來讀取和設(shè)置MIB 文件中的變量值，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被管理設(shè)備的監(jiān)控。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上的MIB 又由代理負(fù)責(zé)維護(hù)。SNMP 最大的優(yōu)點(diǎn)是協(xié)議簡(jiǎn)潔，可擴(kuò)展性強(qiáng)，只要將新的MIB 裝載在管理軟件上就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)新的終端的控制與訪問。

起重力矩限制系統(tǒng)是起重機(jī)械運(yùn)行中重要的安全保障裝置，其核心在于對(duì)規(guī)定動(dòng)作執(zhí)行的精確度，這不僅有賴于傳感器和執(zhí)行器的精度，還有賴于數(shù)據(jù)采集信號(hào)和命令的執(zhí)行速度。比如起落桿的左右轉(zhuǎn)動(dòng)角度信號(hào)，通過數(shù)據(jù)采集模塊將信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化，主控工控機(jī)接收到該信號(hào)后和預(yù)先設(shè)定的參數(shù)做比較，并根據(jù)偏差指揮左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)開關(guān)動(dòng)作，并最終到位。傳統(tǒng)的起重力矩控制系統(tǒng)采用基于RS485 的信號(hào)傳輸，其通訊波特率僅為57.6Kbps ，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，電動(dòng)機(jī)和其他大功率設(shè)備常常影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。而采用CAN 總線傳輸信號(hào)則不僅提高系統(tǒng)的抗電磁干擾能力，而且可使通訊波特率大大提高。基于SNMP 協(xié)議的遠(yuǎn)程通信，傳輸距離不受限制，這相對(duì)于其他工業(yè)控制總線有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。本文提出的方案結(jié)合應(yīng)用CAN 總線和SNMP 協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建遠(yuǎn)程起重力矩監(jiān)控系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸速率可高達(dá)500Kbps ，并具有硬件自動(dòng)校驗(yàn)和錯(cuò)誤自動(dòng)重發(fā)功能。該方案可以保障可靠、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸和命令執(zhí)行，保障起重機(jī)械的安全運(yùn)行。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

在起重機(jī)工作現(xiàn)場(chǎng)，通過CAN 總線實(shí)現(xiàn)對(duì)各傳感器信號(hào)的采集以及對(duì)輸出裝置的控制，具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、實(shí)時(shí)響應(yīng)性好，線纜少易敷設(shè)、成本低等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間的通信采用Internet 作為媒介，使用基于SNMP 協(xié)議的遠(yuǎn)程傳輸，進(jìn)一步拓展了CAN 總線的優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)場(chǎng)起重機(jī)工作的角度、長(zhǎng)度、壓力等信號(hào)由各類傳感器采集，輸入iCAN 數(shù)據(jù)采集模塊，經(jīng)過CAN 總線傳給現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)，并存儲(chǔ)在駐留工控機(jī)內(nèi)的MIB 文件中，供運(yùn)行在遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)中的管理端軟件查詢調(diào)用。同時(shí)，各開關(guān)的狀態(tài)變量也存儲(chǔ)在該MIB 文件中，根據(jù)管理端發(fā)來的設(shè)置值變更成新值，再經(jīng)由現(xiàn)場(chǎng)CAN 總線網(wǎng)絡(luò)傳遞給輸出控制模塊以控制各開關(guān)的狀態(tài)，達(dá)到起重力矩遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

其中，iCAN-4017 AI 功能模塊具有8 路模擬量輸入通道，符合CAN2.0B 協(xié)議規(guī)范，用于采集傳感器的輸入信號(hào)，將輸入信號(hào)經(jīng)多路開關(guān)、AD 轉(zhuǎn)換后經(jīng)光耦隔離模塊，通過CAN 總線通訊將輸入的模擬量信號(hào)傳送給現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)^[3]。iCAN-2404 繼電器功能模塊有4 路具有自保持功能的繼電器輸出通道，它在工作時(shí)，工控機(jī)通過CAN 總線將輸出的繼電器控制數(shù)據(jù)傳送給該模塊，模塊通過光電隔離后輸出驅(qū)動(dòng)繼電器，實(shí)現(xiàn)對(duì)上升、下降、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)開關(guān)的控制。

3 系統(tǒng)軟件工作原理及實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件主要分為兩部分，其一是為了提取和設(shè)置CANbus 現(xiàn)場(chǎng)總線中的據(jù)，其二是基于SNMP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程通信。

3.1 提取和設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)總線中的數(shù)據(jù)

為了對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)工作狀態(tài)，并對(duì)各執(zhí)行器進(jìn)行相應(yīng)的控制，我們利用iCAN 模塊附帶的函數(shù)庫在VC++開發(fā)平臺(tái)下編寫了相應(yīng)的程序來通過各iCAN 模塊采集傳感器的信號(hào)，控制各開關(guān)的狀態(tài)。iCAN 主站函數(shù)庫以動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）的形式提供，內(nèi)部封裝了iCAN 協(xié)議，屏蔽訪問控制細(xì)節(jié)，提供對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線iCAN 網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備訪問的接口^[3]。通過調(diào)用此函數(shù)庫，可以使PC-CAN 主站卡和iCAN 從站模塊進(jìn)行通訊，完成工控機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)總線上各節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間的信息交換。

3.2 基于SNMP 協(xié)議的通信實(shí)現(xiàn)

為了基于SNMP 協(xié)議在遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)之間進(jìn)行通信，需要開發(fā)兩部分的程序，即管理端程序和代理程序。管理端程序運(yùn)行在遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)中，代理程序駐留在與現(xiàn)場(chǎng)CAN 總線相連的工控機(jī)上，代理中還包括管理信息庫MIB，MIB 存儲(chǔ)被管理對(duì)象的信息，包括角度、壓力數(shù)據(jù)，各開關(guān)的開閉狀態(tài)等。管理端以輪詢方式向遠(yuǎn)程的代理發(fā)送Get（讀取）和Set（設(shè)置）請(qǐng)求命令，以獲取角度、長(zhǎng)度和壓力信息或?qū)嵤╅_關(guān)控制。代理將根據(jù)請(qǐng)求的內(nèi)容從本地 MIB 中提取所需信息，并以響應(yīng)報(bào)文方式將結(jié)果回送給管理端。具體地，它一方面不斷地檢查本地的狀態(tài)，更新MIB 庫中的變量值；另一方面，循環(huán)偵聽管理端的請(qǐng)求報(bào)文，并作出相應(yīng)的響應(yīng)，讀取或修改 MIB 中的變量值，將結(jié)果返回給管理端。通信交互過程如圖2 所示^[4] 。

圖2 管理端與代理的通信交互過程