工業(yè)以太網(wǎng)和CAN總線在污水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用

3 CAN總線的實(shí)現(xiàn)

3．1 CAN總線硬件組成

本系統(tǒng)采用的是微處理器P89C668，外加CAN控制器SJA1000、CAN 收發(fā)器TJA1050 以及以太網(wǎng)通信控制器RTL8019AS，組成一個(gè)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)模塊，功能模塊如圖3所示。

圖3 功能模塊圖

P89C668是本系統(tǒng)的主要控制部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)芯片以及CAN器件的控制，并進(jìn)行兩者之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。CAN控制器SJA1000應(yīng)用BasicCAN工作模式，這種模式支持具有很多新特性的CAN2．0B協(xié)議，支持錯(cuò)誤分析功能，對(duì)CAN收發(fā)器進(jìn)行控制，為微控制器提供了控制CAN總線的簡單接口。收發(fā)器是CAN協(xié)議控制器和物理總線的接口，分別為總線和CAN控制器提供不同的傳輸和接收能力。在微控制器對(duì)CAN控制器進(jìn)行相應(yīng)配置后，收發(fā)器自動(dòng)完成相應(yīng)的CAN總線操作。CAN收發(fā)器和CAN控制器是通過光耦實(shí)現(xiàn)總線上各CAN節(jié)點(diǎn)間的光電隔離，而且光耦電路的兩個(gè)電源VCC和VDD必須采用小功率電源隔離模塊進(jìn)行電源的完全隔離。以太網(wǎng)通信控制器，給微控制器提供控制以太網(wǎng)的簡單接口，使微控制器只需要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)讀寫即可完成對(duì)以太網(wǎng)的操作。隔離濾波器用于提高網(wǎng)絡(luò)通信的抗干擾能力。

網(wǎng)關(guān)主要完成CAN總線到以太網(wǎng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換。它由CAN控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊兩部分組成，網(wǎng)關(guān)硬件中微處理器起核心作用。CAN控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊硬件電路由三部分組成：微處理器、CAN通信控制器、CAN總線收發(fā)器。以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊主要由微處理器、以太網(wǎng)通信控制器和隔離濾波器組成。以太網(wǎng)通信控制器RTL8019AS是一種高集成度的全雙工10MbPS以太網(wǎng)控制芯片，實(shí)現(xiàn)了基于ETHERNET協(xié)議的MAC層的全部功能，完成數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送功能。

3．2 CAN軟件實(shí)現(xiàn)

在PCC中進(jìn)行CAN I／O操作，在硬件配置中選擇CAN通信接口，在軟件配置表中配置CAN I／O屬性。定義從站的站號(hào)應(yīng)該與實(shí)際連接的硬件站號(hào)設(shè)置一致。利用CAN進(jìn)行連網(wǎng)數(shù)據(jù)通信，用CANopen指令對(duì)CAN接口進(jìn)行初始化。用CANopen在初始化程序中初始化CAN控制器。初始化之前，參數(shù)enable置1，設(shè)定通信速率為Baud rate，定義CAN接口參數(shù)。系統(tǒng)將反饋CAN通信接口的標(biāo)識(shí)號(hào)US—ident，此標(biāo)識(shí)號(hào)將在CAN函數(shù)庫中讀寫數(shù)據(jù)的功能塊上使用。CANwrite功能塊將數(shù)據(jù)寫在總線上，在循環(huán)任務(wù)中調(diào)用。這些數(shù)據(jù)可以通過給定的can—id號(hào)往總線上發(fā)送。

PCC的CAN幀最多可用8個(gè)字節(jié)的信息進(jìn)行讀寫。這部分通過調(diào)用CAN函數(shù)庫來實(shí)現(xiàn)，其中包括CANOPEN，CANWRITE，CANREAD等。CANOPEN函數(shù)包括完成對(duì)CAN總線的初始化。

需要注意的是CAN總線的初始化必須包含在初始化例程INITsP中。CANOPEN(1，BAND—RATE，COB—ANZ，ADR(ERROR—ADR)，0，0，US—IDENT，STATUS)其中BAND—RATE=25，即代表波特功率為250K。US—IDENT是調(diào)用CAN初始化得到的反饋到PCC的CAN的ID，在CAN總線的讀寫過程都將用到該參數(shù)。CAN總線的寫信息通過在優(yōu)先級(jí)較高的進(jìn)程中采用CANWRITE函數(shù)，其函數(shù)參數(shù)定義如下：CANWRITE(ENABLE，US—IDENT，CAN— ID，DATA— ADR，DATA— LNG，STATUS)，enable=1，US—idenf為在CANopen()初始化中建立的US—idenf。CAN—id為數(shù)據(jù)目標(biāo)CAN模塊有關(guān)的CAN數(shù)據(jù)楨的ID。DATE—ADR為發(fā)送數(shù)據(jù)模塊的首地址。DATA—LNG為發(fā)送的數(shù)據(jù)長度。其最大值為8。如果以CAN—ID為幀地址數(shù)據(jù)被成功發(fā)送則status：0，反之sta．tus=錯(cuò)誤代碼。

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 CAN總線結(jié)構(gòu)框圖

4 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)和上位組態(tài)

4．1 軟件編程

下位PCC的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)和硬件配置及編程全部在B&R編程工具中完成，它全面支持全集成自動(dòng)化功能，可將數(shù)據(jù)管理、通信、編程同時(shí)集成在一個(gè)環(huán)境中去完成。應(yīng)用這種便利的方法，在完成對(duì)三個(gè)站點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)和通信連接后，進(jìn)行編程調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)站的控制要求。

貝加萊PCC控制器采用分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)和多樣化的應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)，是基于多任務(wù)環(huán)境下設(shè)計(jì)程序，采用大型應(yīng)用軟件的模塊化設(shè)計(jì)思想，應(yīng)用程序的運(yùn)行周期則與程序長短無關(guān)，而是由操作系統(tǒng)的循環(huán)周期決定。其系統(tǒng)軟件使用AutomationStudio編程語言，包括：常規(guī)PLC使用的指令表語言如梯形圖、結(jié)構(gòu)文本、SQF、指令表，而且還支持高級(jí)語言如BASIC語言和C語言 ，使開發(fā)人員可以很好的選擇自己熟悉的編程方法。本系統(tǒng)使用高級(jí)語言C進(jìn)行編程，其運(yùn)算時(shí)間快，而且容易實(shí)現(xiàn)模塊化編程，可以使控制更加快速和精確，以達(dá)到更好的控制目標(biāo)。

4．2 控制系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用組態(tài)王貝加萊專用版Kingview for B&R 1．0，除具有組態(tài)王6．53所具備的功能外，還具有以下特點(diǎn)：(1)以驅(qū)動(dòng)的方式支持貝加萊所有的產(chǎn)品；(2)支持冗余服務(wù)器、冗余CPU、冗余網(wǎng)絡(luò)；(3)支持自動(dòng)上載PCC中的變量；(4)支持結(jié)構(gòu)體和數(shù)組變量類型。

為過程控制和現(xiàn)場監(jiān)控開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)軟件。在組態(tài)時(shí)充分利用其強(qiáng)大的上下位全集成功能，大大節(jié)約了開發(fā)時(shí)問并增強(qiáng)了系統(tǒng)的透明訪問度。在利用上位工具組態(tài)王實(shí)現(xiàn)主要功能如下，(1)監(jiān)視功能：全面實(shí)時(shí)顯示各工藝參數(shù)值和各設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)，以及故障報(bào)警、報(bào)表等。(2)調(diào)節(jié)功能：對(duì)各調(diào)節(jié)閥進(jìn)行手／自動(dòng)調(diào)節(jié)以及對(duì)工藝參數(shù)的設(shè)定等功能。

主控界面的組態(tài)由于系統(tǒng)設(shè)備較多，需要將系統(tǒng)流程及設(shè)備操作界面分別呈現(xiàn)在多張畫面內(nèi)。畫面問的切換使用組態(tài)王內(nèi)部按鈕的鼠標(biāo)動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)針對(duì)污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)，采用工業(yè)以太網(wǎng)和CAN縱向集成的技術(shù)，主要介紹了CAN總線的實(shí)現(xiàn)，總線與工業(yè)以太網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。充分利用貝加萊PCC編程靈活，可靠性高與CAN總線充分結(jié)合，將以太網(wǎng)進(jìn)一步延伸到工業(yè)現(xiàn)場級(jí)，使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有最大的開放性、互操作性和實(shí)時(shí)性。在完全達(dá)到技術(shù)要求的基礎(chǔ)之上，為以后的擴(kuò)展和升級(jí)留下足夠的空間，系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于蘭州某縣污水處理廠，功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定、自動(dòng)化程度高，完全滿足其控制要求，各站運(yùn)行平穩(wěn)，各方面性能都得到廠方的好評(píng)。