iCAN系列功能模塊及其在起重力矩限制系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　1 引言

　　現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是用于現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制系統(tǒng)之間的全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、百聯(lián)、多變量、多點(diǎn)、多站的串行通信系統(tǒng)。CAN-bUS總線是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。國(guó)內(nèi)CAN-bus總線應(yīng)用廣泛，但大多數(shù)對(duì)CAN-bus總線的應(yīng)用還處于基礎(chǔ)階段，沒(méi)有真正發(fā)揮CAN-bus總線實(shí)時(shí)、可靠的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在應(yīng)用層協(xié)議的選擇。目前占領(lǐng)市場(chǎng)的兩個(gè)應(yīng)用層協(xié)議是DeviceNet協(xié)議和CANopen協(xié)議。但兩者規(guī)范比較復(fù)雜，理解和開(kāi)發(fā)難度較大，用戶在前期開(kāi)發(fā)階段需投入大量的資金和人力，不適用于簡(jiǎn)單的基于CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)。因此就有必要開(kāi)發(fā)一種簡(jiǎn)單可靠的CAN高層協(xié)議，以適用于CAN總線簡(jiǎn)單應(yīng)用場(chǎng)合，由此誕生了iCAN系統(tǒng)及iCAN協(xié)議規(guī)范。

　　2 iCAN系統(tǒng)及iCAN協(xié)議規(guī)范

　　2.1 iCAN系統(tǒng)

　　iCAN系統(tǒng)全稱為"工業(yè)CAN-bus現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(Industry CAN-bus Fieldbus Control System)"，是一種基于CAN-bus的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。iCAN系統(tǒng)提供一個(gè)低成本的通信鏈路，主要用于實(shí)現(xiàn)CAN-bus應(yīng)用中的通信控制和數(shù)據(jù)采集。iCAN系統(tǒng)具有構(gòu)建靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低的優(yōu)點(diǎn)，由于采用CAN-bus總線，iCAN系統(tǒng)還具有良好的可靠性和穩(wěn)定性。同時(shí)，還具有易于組態(tài)，安裝、運(yùn)行、維護(hù)簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。它使用CAN-bus總線將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(如傳感器、儀表等)與管理設(shè)備(PC、工控機(jī)、PLC等)連成網(wǎng)絡(luò)，無(wú)需昂貴的連接線路。iCAN系統(tǒng)主要由iCAN協(xié)議、iCAN系列功能模塊和PC-CAN接口卡構(gòu)成。

　　2.2 iCAN協(xié)議

　　iCAN協(xié)議全稱為"Industry CAN-bus Application Protocol"，是現(xiàn)場(chǎng)總線CAN-bus的最新應(yīng)用層協(xié)議之一，具有理解簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、實(shí)時(shí)可靠的特點(diǎn)。它采用與CANopen、DeviceNet協(xié)議基本相同的連接管理方式，刪除了較復(fù)雜的握手管理、資源分配等內(nèi)容，并使用預(yù)定義數(shù)據(jù)組合方式管理CAN-bus總線上的節(jié)點(diǎn)。它在汲取DeviceNet和CANopen協(xié)議精粹的基礎(chǔ)上，充分繼承發(fā)展了基于連接和對(duì)象尋址兩種核心功能。支持多種傳輸方式，包括輪詢方式、狀態(tài)觸發(fā)方式以及定時(shí)循環(huán)方式，還根據(jù)實(shí)際情況，除去了諸如復(fù)雜的基于對(duì)象模式、通信波特率限制等因素，以高效精練的協(xié)議，保證數(shù)據(jù)通信的可靠性、實(shí)時(shí)性，有效降低了硬件成本。iCAN協(xié)議授權(quán)支持行業(yè)客戶免費(fèi)使用，開(kāi)發(fā)基于iCAN協(xié)議的產(chǎn)品不需要支付額外的協(xié)議費(fèi)用。

　　3 iCAN系列功能模塊原理

　　3.1模塊型號(hào)簡(jiǎn)介

　　表1為iCAN功能模塊型號(hào)表。iCAN功能模塊集成有CAN-bus通訊接口和iCAN應(yīng)用層協(xié)議，提供DI、DO、AI、AO、RTD、TC、計(jì)數(shù)器、頻率計(jì)等數(shù)據(jù)采集功能，為主控PC與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間提供完整的信號(hào)采集與通訊功能。 3.2模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)(以iCAN-4050模塊為例)

　　iCAN-4050功能模塊原理框圖如圖1所示，是由微處理器、電源、CAN通信接口、設(shè)置開(kāi)關(guān)以及輸入／輸出處理電路組成。根據(jù)模塊功能不同，有些模塊采用8位的單片機(jī)作為微處理器，有些采用16位甚至32位的ARM微處理器。而在CAN通信接口的設(shè)計(jì)采用獨(dú)立的CAN控制器SJA1000T與微處理器相連。不同模塊的輸入／輸出電路都是根據(jù)自身的功能設(shè)計(jì)。為了提高模塊的抗干擾性，有些模塊的微處理器和輸入／輸出單元之間采用光電隔離(HllLl光電隔離器件)避免外界干擾噪聲。采用直流電源供電，供電電源范同是+10 V～+30 V。因此，即使在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電源電壓產(chǎn)生波動(dòng)，模塊也能獲取穩(wěn)定的工作電源。模塊電源同時(shí)提供反接保護(hù)，以防止因電源的接線錯(cuò)誤而導(dǎo)致模塊損壞。

　　模塊工作時(shí)，將輸入的電壓型數(shù)字信號(hào)或無(wú)源觸點(diǎn)信號(hào)經(jīng)訓(xùn)理后，送人微處理器，通過(guò)CAN總線通信將輸入的數(shù)字信號(hào)狀態(tài)傳送到網(wǎng)絡(luò)中的主控設(shè)備，主控設(shè)備可通過(guò)CAN總線將輸出的數(shù)字量狀態(tài)傳送到模塊，控制外部開(kāi)關(guān)。通過(guò)運(yùn)行硬件看門狗監(jiān)控模塊，防止模塊死機(jī)，有效提高模塊的可靠性。

　　4 起重力矩限制系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　4.1系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　起重力矩限制系統(tǒng)是汽車起重機(jī)控制系統(tǒng) 的一個(gè)重要組成部分。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)起重機(jī)械中長(zhǎng)度傳感器、角度傳感器以及壓力傳感器等輸出數(shù)據(jù)分析處理，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)工作時(shí)起重力矩，保證起重機(jī)工作在安全狀態(tài)下。而且系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)記錄起重機(jī)作業(yè)中的危險(xiǎn)工況，為事故的分析處理提供可靠依據(jù)。系統(tǒng)要求能夠?qū)崟r(shí)采集長(zhǎng)度傳感器、角度傳感器以及壓力傳感器的輸出數(shù)據(jù)，其中長(zhǎng)度傳感器、角度傳感器以及壓力傳感器的信號(hào)輸出類型主要為電壓或電流信號(hào)，傳感器信號(hào)共有4路。此外系統(tǒng)要求提供4路數(shù)字量輸出通道。

　　4.2系統(tǒng)解決方案

　　系統(tǒng)采用高可靠性的PC104工控機(jī)，人機(jī)接口采用10.4″觸摸式TFTLCD顯示器，提供鍵盤控制。人機(jī)界面用MCGS組態(tài)軟件編寫系統(tǒng)組態(tài)界面。PC104-CAN2雙路CAN接口卡通過(guò)CAN總線模塊iCAN-4017、iCAN-4050采集各傳感器輸出數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)工作狀態(tài)及數(shù)據(jù)參數(shù)，通過(guò)ZOPC-SEVER服務(wù)器傳輸?shù)焦た貦C(jī)的組態(tài)系統(tǒng)中，同時(shí)組態(tài)系統(tǒng)作為服務(wù)器向工控機(jī)提供數(shù)據(jù)，工控機(jī)接收相應(yīng)數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析處理，系統(tǒng)工作狀態(tài)實(shí)時(shí)在人機(jī)界面上顯示。系統(tǒng)能夠警示危險(xiǎn)工況，診斷并排除故障。在危險(xiǎn)工況下，通過(guò)實(shí)時(shí)控制輸出模塊，使系統(tǒng)處于安全狀態(tài)，防止事故發(fā)生，并在危險(xiǎn)工況時(shí)提示操作人員，操作人員根據(jù)鍵盤指令進(jìn)行相應(yīng)控制。起重力矩限制系統(tǒng)的原理圖如圖2所示。

　　4.3模塊外部接口

　　iCAN-4017模塊具有接口及設(shè)置開(kāi)關(guān)如圖3(a)所示，模塊內(nèi)部各接線端子、撥碼開(kāi)關(guān)、跳線器以及指示燈功能說(shuō)明如下：SW1為模塊CAN波特率以及MAC ID設(shè)置開(kāi)關(guān)；RL1為電源指示燈；SL2為網(wǎng)絡(luò)通訊指示燈；JP1為DC電源、CAN通訊接口以及模擬量輸人信號(hào)通道接線端了；JP2為模擬量輸入信號(hào)通道接線端子。

　　iCAN-4017模塊的接線端子JP1、JP2引腳定義如圖3(b)所示。+VS為+10 V～+30 V DC電源正端：GND為+10 V～+30 V DC電源負(fù)端；CANL為CAN通訊信號(hào)CAN_L端；CANH為CAN通訊信號(hào)CAN_H端；Res-為接CAN網(wǎng)絡(luò)終端匹配電阻；Res+為接CAN網(wǎng)絡(luò)終端匹配電阻：Ain0+～Ain7+為接模擬量輸入通道0～7信號(hào)正端；Ain0-～Ain5-為接模擬量輸入通道0～7信號(hào)負(fù)端；AGND為模擬量輸入通道6、7輸人參考地；NC為未用端。

　　4.4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)采用組態(tài)軟件的開(kāi)發(fā)方式。用戶無(wú)需了解iCAN系統(tǒng)原理，只需清楚系統(tǒng)有哪些被測(cè)和被控信號(hào)；市面流行的組態(tài)軟件都支持OPC接口，用戶可采用熟悉的組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)，提高開(kāi)發(fā)效率；易于開(kāi)發(fā)出圖形化控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用MCGS組態(tài)軟件和ZOPC服務(wù)器。軟件開(kāi)發(fā)包括配制ZOPC服務(wù)器、在MCGS中添加OPC設(shè)備和編寫MCGS應(yīng)用工程三部分。由于后面兩部分比較簡(jiǎn)單，下面給出配置ZOPC服務(wù)器的流程框圖，如圖4所示。

　　4.5系統(tǒng)方案的特點(diǎn)

　　利用iCAN協(xié)議、iCAN系列功能模塊和PC-CAN接口卡．通過(guò)CAN-bus總線實(shí)現(xiàn)各傳感器信號(hào)采集以及輸出裝置控制，使得系統(tǒng)容易構(gòu)建，布線安裝方便；同時(shí)系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、可靠件高、實(shí)時(shí)響應(yīng)性好。而且通過(guò)CAN-bus總線的應(yīng)用，使該起重力矩限制系統(tǒng)易于作為一個(gè)子系統(tǒng)嵌入到起重機(jī)的控制系統(tǒng)中。通過(guò)實(shí)際的運(yùn)行測(cè)試表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，維護(hù)接口方便，性價(jià)比高。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　重點(diǎn)介紹了iCAN系列功能模塊的原理及應(yīng)用，并介紹了iCAN系統(tǒng)和iCAN協(xié)議的概況，iCAN協(xié)議授權(quán)支持行業(yè)客戶免費(fèi)使用，開(kāi)發(fā)基于iCAN協(xié)議的產(chǎn)品不需要支付額外的協(xié)議費(fèi)用，這使其在與國(guó)外許多現(xiàn)場(chǎng)總線CAN-bus應(yīng)用層協(xié)議的競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)有利位置。隨著CAN-bus總線在國(guó)內(nèi)行業(yè)應(yīng)用日漸廣泛，以及工業(yè)控制領(lǐng)域中DCS和FCS的互相融合，iCAN系統(tǒng)一定會(huì)成為分布式數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的一種有效通信方式，具有良好的應(yīng)用前景。