基于CAN的鋁合金板帶快速電磁鑄軋通信系統(tǒng)設(shè)計

O 引言

新型鋁合金板帶快速電磁鑄軋技術(shù)是利用電磁感應(yīng)裝置產(chǎn)生一個交變復(fù)合磁場來對鑄軋區(qū)內(nèi)的鋁熔體進(jìn)行電磁攪拌、電磁擾動等綜合控制，以改變鋁及鋁合金凝固結(jié)晶條件，從而達(dá)到細(xì)化晶粒，改善鑄軋板坯組織及性能的目的。

1 鋁合金板帶快速電磁鑄軋系統(tǒng)

鋁合金板帶快速電磁鑄軋生產(chǎn)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的大系統(tǒng)。它主要由鑄軋?zhí)胤N電源控制系統(tǒng)、熔爐溫度控制系統(tǒng)和軋機(jī)傳動控制系統(tǒng)三部分組成。該系統(tǒng)存在著大量的企業(yè)管理與決策信息和現(xiàn)場實時信息需要協(xié)調(diào)處理。為了適應(yīng)鋁生產(chǎn)過程管控一體化和綜合自動化的需要，本設(shè)計采用基于工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)。圖l所示為鋁合金板帶快速電磁鑄軋生產(chǎn)系統(tǒng)的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，它通過工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)的相互融合，從而有效解決了基礎(chǔ)自動化控制網(wǎng)絡(luò)與過程和管理控制系統(tǒng)之間的無縫集成問題，同時還為實現(xiàn)ERP(Enterprise Resource Planning)管理提供了良好的必要條件。下面主要設(shè)計基于CANopen協(xié)議的現(xiàn)場設(shè)備層的通信系統(tǒng)。

2 CANopen簡介

CAN (Controller Area Network)是控制器局域網(wǎng)的簡稱，是德國Bosch公司在1986年為解決現(xiàn)代汽車中眾多測量控制部件之間的數(shù)據(jù)交換問題而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線。該總線現(xiàn)已經(jīng)被列入ISO國際標(biāo)準(zhǔn)(稱為ISO 11898)。CAN現(xiàn)場總線網(wǎng)是一種可有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，它有著很高的實時性、可靠性、抗干擾能力和驗錯能力，十分適合于鋁合金板帶快速電磁鑄軋生產(chǎn)過程的分布式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用。

在OSI參考模型中，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)被劃分為7層。而CAN只定義了第1層(物理層)和第2層(數(shù)據(jù)鏈路層)，這兩層完全由硬件實現(xiàn)。由于沒有定義應(yīng)用層，故其本身并不完整，還需要一個高層協(xié)議來定義CAN報文的11／29位標(biāo)識符、8字節(jié)數(shù)據(jù)的使用。CANopen就是建立在CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層基礎(chǔ)上的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用層協(xié)議，它包括應(yīng)用層規(guī)范、通信協(xié)議和設(shè)備協(xié)議。CANopen是一種公共、開放、通用的協(xié)議，能夠在CAN網(wǎng)絡(luò)中提供標(biāo)準(zhǔn)的、統(tǒng)一的通訊模式以及設(shè)備功能描述方式，并可執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)管理功能。另外，由于其采用面向?qū)ο蟮乃枷朐O(shè)計，因此，具有很好的模塊特性和很高的適應(yīng)性，而且精練透明、容易開發(fā)。

在CANopen應(yīng)用層，設(shè)備之間交換的是通訊對象(COB)，它們被映射到帶有標(biāo)識符(ID)的CAN幀中，在數(shù)據(jù)鏈路層上傳輸。在物理層上，信號以兩線之陽的“差分”電壓形式出現(xiàn)，并用“顯性”(Dominant)和“隱性”(Recessive)兩個互補(bǔ)邏輯值來表示“0”和“1”。圖2所示描述了該協(xié)議層間的通訊關(guān)系。

CANopen協(xié)議對總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行了分類，即每一個傳輸數(shù)據(jù)都是某一特定類的對象，從而實現(xiàn)面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計。基于CANopen協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸中共定義了4類通訊對象：一是過程數(shù)據(jù)對象(PDO)，用來傳輸實時數(shù)據(jù)；二是服務(wù)數(shù)據(jù)對象(SDO)，用來訪問對象字典中的設(shè)備配置參數(shù)；三是特殊功能對象，它包括同步(SYNC)對象和應(yīng)急(Emergency)對象；最后是時間標(biāo)記(Time Stamp)對象。

CANopen中的每一類通訊對象都有其規(guī)范化的格式，故可實現(xiàn)應(yīng)用層結(jié)構(gòu)上的統(tǒng)一。為了實現(xiàn)對各類對象進(jìn)行規(guī)范化和方便管理，在CAN-open協(xié)議中定義了對象字典(ObjectDictionary，OD)的概念。每個設(shè)備都有一個獨(dú)有的對象字典，它描述了設(shè)備所使用的所有數(shù)據(jù)類型，包括描述這個和該網(wǎng)絡(luò)行為的所有參數(shù)。對象字典是具體應(yīng)用于CAN總線通信接口之間的數(shù)據(jù)交換的媒介，是整個CANopen協(xié)議的核心。CANopen對象字典的結(jié)構(gòu)如表l所列。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3．1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于CANopen的通信系統(tǒng)由上位機(jī)與現(xiàn)場設(shè)備層的電源控制系統(tǒng)(包括三相特種電源控制系統(tǒng)與直流輔助電源控制系統(tǒng))共同構(gòu)成。上位機(jī)通過CAN現(xiàn)場總線與下位機(jī)進(jìn)行通信，以實現(xiàn)實時監(jiān)控與控制系統(tǒng)功能。各個子系統(tǒng)之間也通過CAN總線連接進(jìn)行通信。通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用總線式結(jié)構(gòu)。其系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3．2 下位機(jī)通信系統(tǒng)設(shè)計

基于“MCU+CPLD”的設(shè)計是當(dāng)前數(shù)字電路研究開發(fā)的一種重要實現(xiàn)形式。本控制系統(tǒng)將MCU和CPLD相結(jié)合，以用于鋁電磁場快速連續(xù)鑄軋?zhí)胤N電源控制，并將其作為系統(tǒng)的控制核心。
MCU采用美國TI公司的MSP430F1611，該器件是16位超低功耗MSP430系列微控制器中的一款。MSP430系列單片機(jī)(或稱為微控制器)是具有超低功耗特性且功能強(qiáng)大的單片機(jī)，它有多個子系列，其中MSP430F1x子系列是TI公司在2000年開發(fā)的、帶FLASH的單片機(jī)，其存儲器容量和片內(nèi)外圍模塊隨著具體型號的不同而不同，用戶可以根據(jù)需要具體選擇。其控制系統(tǒng)硬件框圖如圖4所示。

CANopen通信協(xié)議可由CAN通信控制器來實現(xiàn)。由于MSP430F16ll內(nèi)部沒有集成CAN控制器模塊，因此需要在外圍進(jìn)行擴(kuò)展。本設(shè)計選擇美國Microchip公司的MCP2510作為系統(tǒng)的CAN總線通信控制器，圖5所示為CAN總線通信接口電路。MCP2510是帶有SPI接口的獨(dú)立CAN控制器，它完全支持CAN總線V2．0A／B技術(shù)規(guī)范，通信速率為lMbps，芯片包含三個發(fā)送緩沖器和兩個接收緩沖器，可以減少M(fèi)CU的管理負(fù)擔(dān)。CAN總線收發(fā)器采用的PCA82C250是CAN控制器與物理總線之間的接口，可以提供對總線的差動發(fā)送和接收功能。兩個高速光電隔離器件TLPll3用來提高通信電路的抗干擾能力，防止總線上的干擾信號竄入控制器和MCU，同時也可以完成MCP25lO與82C250之間3．3V和5V電平的轉(zhuǎn)換。

MSP430F16ll的USART接口可支持兩種不同的串行協(xié)議，即通用異步協(xié)議(UART協(xié)議)和同步協(xié)議(SPI協(xié)議)。用控制寄存器UCTL中的控制位SYNC可選擇所需模式，當(dāng)SYNC為0時，選擇異步模式UART；當(dāng)SYNC=1時，選擇同步模式SPI。MCP2510可與USARTl通信模塊的SPI進(jìn)行接口。

3．3 上位機(jī)設(shè)計

上位機(jī)要能完成對下位機(jī)監(jiān)測及參數(shù)設(shè)置等功能。他的硬件選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計的好壞直接影響系統(tǒng)現(xiàn)場的工作效率。本系統(tǒng)選用PLC與觸摸屏相結(jié)合的方式來設(shè)計監(jiān)控上位機(jī)。其中PLC是上位機(jī)的中心，利用PLC實現(xiàn)對上位機(jī)的監(jiān)控，比采用工控計算機(jī)監(jiān)控上位機(jī)更加符合現(xiàn)場操作的要求，并能夠適用現(xiàn)場高溫的惡劣環(huán)境，也具有更高的可靠性，同時還能夠方便地實現(xiàn)邏輯控制。而監(jiān)控采用觸摸屏技術(shù)，也比鍵盤和鼠標(biāo)操作更加簡單和方便，也更加符合現(xiàn)場操作習(xí)慣，可大大提高現(xiàn)場操作的效率。

本設(shè)計采用施耐德公司的Twido系列PLC。Twido PLC帶有多種不同的通信方式及接口，包括工業(yè)以太網(wǎng)、CANopen、MODBUS、AS-I。一般它最少帶1個標(biāo)準(zhǔn)的RS-485／422的串行通信接口，而且運(yùn)算速度快，PLC循環(huán)周期短，擴(kuò)展性能好。Twido PLC不僅具有眾多的開關(guān)量I／O擴(kuò)展模塊，而且還具有眾多的特殊功能模塊可供用戶選擇，故可大大提高PLC的控制性能。系統(tǒng)中的處理器可選擇TWDLAE40DRF，它是一體型控制器，該控制器具有24點輸入，14點繼電器輸出和2點源型晶體管輸出，同時帶有一個RS-485端口和一個RJ-45以太網(wǎng)口，可直接接入工業(yè)以太網(wǎng)與上層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。該控制器本身不具有CAN通信功能，但可通過外接CANopen主站模塊TWDNC01M實現(xiàn)基于CANopen協(xié)議的CAN現(xiàn)場總線通信。

TWDNC01M CANopen主站模塊可安裝在PLC的擴(kuò)展總線上，它支持16個從設(shè)備，但不支持對CAN從設(shè)備的擴(kuò)展尋址，其傳輸速度決定于總線長度和電纜長度。用于連接到CAN現(xiàn)場總線的總線連接器位于TWDNC01M CANopen主站模塊的中下部，包含管腳CAN_L(CAN_L bus線)、CAN_H(CAN_H bus線)，PLC通過這兩個有差動接收和發(fā)送能力的總線終端連接到CAN總線上。

為配合PLC的工作。監(jiān)控平臺應(yīng)選用操作方便的人機(jī)界面(觸摸屏)，本系統(tǒng)選中eView公司的MT500系列觸摸屏MT510，其配套的軟件為EasyBuilder。EasyBuilder是組態(tài)軟件，主要用來配置各種元件。該軟件是專門面向PLC應(yīng)用的，其功能非常強(qiáng)大，使用非常方便，完全可以滿足現(xiàn)代工業(yè)龐大的工作量及功能需求。

eView MTS00觸摸屏定義了RS-232和RS-485兩種通信接口，本設(shè)計選用RS-485接口定義。Twido系列PLC通過CPU單元上的通信端口與e-View MT500觸摸屏相連接，它們之間采用Modbus協(xié)議進(jìn)行通信。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4．1 CANopen標(biāo)識符

通訊對象的標(biāo)識符(COB-ID)可唯一確定CAN網(wǎng)絡(luò)中的每個通訊對象及其優(yōu)先級。通訊對象優(yōu)先級的大小可通過標(biāo)識符數(shù)值的大小來確定，標(biāo)識符數(shù)值較小的優(yōu)先級較大。CANopen信息幀的標(biāo)識符分為兩部分，一部分為4位的功能碼，另一部分為7位的節(jié)點ID。功能碼代表數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級，節(jié)點ID用于區(qū)別不同的節(jié)點，其標(biāo)識符的格式如圖6所示。

標(biāo)識符的分配可以由預(yù)定義主／從連接集來實現(xiàn)。也可以由CALDBT服務(wù)進(jìn)行動態(tài)分配。由于大多數(shù)通信系統(tǒng)的標(biāo)識符的分配都可由預(yù)定義主／從連接集來實現(xiàn)，所以，本系統(tǒng)也采用預(yù)定義主／從連接集來實現(xiàn)CANopen標(biāo)識符的分配。表2所列是CANopen預(yù)定主／從連接集。

4．2 CANopen協(xié)議棧的軟件設(shè)計

從節(jié)點中實現(xiàn)CANopen協(xié)議棧的軟件內(nèi)容十分豐富，主要包括節(jié)點通訊初始化和硬件設(shè)備初始化、CAN報文基本通訊、定義和訪問對象字典、NMT從節(jié)點功能、PDO通訊、SDO通訊和節(jié)點保護(hù)等功能。其程序流程圖如圖7所示。

4．3 CANopen主站模塊的配置

在硬件連線接好之后，就可以通過TwidosoftV3．0或更高的CANopen配置工具來對CANopen現(xiàn)場總線主模塊進(jìn)行配置。CANopen網(wǎng)絡(luò)的主、從配置以及通信參數(shù)的配置只能在離線模式下進(jìn)行，而且除了某幾個參數(shù)可以調(diào)節(jié)(例如％IWC和％QWC PDO尋址參數(shù))外，其他參數(shù)都不允許在線模式配置。

5 結(jié)束語

實驗結(jié)果表明，本文所設(shè)計的CANopen通信系統(tǒng)可以達(dá)到較好的效果，可以實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備層的鑄造電源系統(tǒng)參數(shù)的顯示、設(shè)定以及歷史記錄和報表打印等功能，同時，通過觸摸屏組態(tài)還可以完成對變頻電源A、B、C三相和輔助電源的集中管理和監(jiān)控。