摘 要:介绍了基于CAN总线的分布式铝电解控制系统的设计和实现方法,给出了CAN总线的硬件接口电路设计和槽控机逻辑电路结构图。

关键词:CAN总线电解槽槽控机

　　铝电解生产计算机监控系统的形成和发展,已由早期的集中型发展到集散型,又进一步发展到了分布式系统。集中控制采用单机群控技术,比较成功地解决了铝电解生产过程监控系统的设计和应用问题。为了对每台铝电解槽比较复杂的控制进行解析、响应现场实时性强的多种操作、控制程序多任务调度等,同时也为了解决集中控制的脆弱性、实时性差等问题,需要对铝电解槽实施分布式控制方案。现在分布式控制已成为铝行业计算机控制系统的发展趋势。为此,本文介绍铝行业比较先进的基于CAN总线的分布式铝电解控制系统。

1 铝电解生产工艺控制要求

　　铝电解生产系列是由多台串联式直流铝电解槽组成。计算机数据采集信号为每台电解槽槽电压和系列电流,对电解槽的监控主要是槽电压和氧化铝浓度。槽电压控制是采用带电流补偿的槽电阻数学模型控制算法,即调节槽电压,主要控制槽内的能量平衡;对于氧化铝浓度的控制,由于该浓度无法直接测定而无法建立精确的数学模型。但是它和槽电阻的变化有一定的对应关系,为此采用模糊控制算法控制氧化铝浓度,即打壳下料,主要控制槽内的物料平衡。

2 CAN总线简述

　　CAN总线即控制器局域网络,是由德国Bosch公司为汽车的监测和控制系统而设计的总线式串行通讯网络,适用于工业过程控制设备和监控设备之间的互联。CAN可以多主方式工作,网络上任意节点均可主动向其它节点发送信息;网络节点可按系统实时性要求分成不同的优先级,一旦发生总线冲突,会减少总线仲裁时间。CAN采用短帧结构，每一帧为8个字节,保证了数据的出错率极低,被公认为最有发展前途的现场总线之一。其传输介质可用双绞线、同轴电缆或光纤,通讯速率最高达1Mbps，传输距离可达10km。

3 系统结构

　　本系统由智能槽控机、监控计算机和CAN总线三部分构成。其系统结构图见图1。其中智能槽控机是直接面向生产过程的,主要功能是采集和控制现场数据。其数据交换是通过CAN总线网络送到监控计算机,监控计算机由一台工业控制PC机构成,主要功能是对现场槽控机参数进行设置;通过现场总线网络实时获取现场槽控机的数据;监测系统异常和完成报表输出等功能。CAN总线部分主要由智能CAN-PC总线适配卡PC CAN、通讯介质以及相应通讯软件组成。CAN接口卡是具有高性能价格比的智能通讯适配卡PCCAN,它使监控计算机方便地连接到CAN总线上。PCCAN上高性能的嵌入式微处理器80C188(12MHz)极大地减轻了主机PC 的负担,而且可以完成用户复杂的通讯任务。卡上有1KB或2KB高速双口RAM,直接映射到主机内存空间,实现CAN与主机PC的高速数据交换。PCCAN上带有光电隔离,使其避免由于地环流而导致损坏,增强系统在恶劣环境中使用的可靠性。PCCAN上带有可配置的Hilon协议及DOS、Windows驱动程序。

　　该系统采用的传输介质为双绞线,负载连接在CAN-H和CAN-L之间,终端匹配阻抗的值应该等于信号线的特性阻抗值(约120Ω)。如果电阻不匹配,有可能降低数据的有效传输。

3.1 智能槽控机的设计

　　槽控机以LG公司的GMS90C32单片机为核心而设计。该单片机为90年代产品,与Intel MCS-51系列单片机兼容。每台槽控机由两个机箱组成,分别为动力箱和逻辑箱。动力箱主要由常规控制电路和信号采集板组成,是槽控机的供电部分和控制执行机构。逻辑箱是槽控机的核心部分,其本质是一台功能复杂的专用计算机。逻辑箱的硬件结构示意图见图2。它主要由5块均带CPU的功能相对独立的智能模板组成。通过CAN总线联接起来组成先进的多CPU网络体系。内、外数据交换均基于CAN总线。各模板功能如下:

　　主板:主要对过程控制进行解析

　　采样模板:主要完成槽电压、系列电流的采样

　　通讯模板:实现与上位机的数据交换

　　操作模板:完成所有输入/输出操作

　　显示模板:接受触摸开关的输入信号,输出运行信息

　　采用软件模拟方式完成原来靠硬件电路实现的组合逻辑关系。其输入手动信号采用无机械触点和机械运动的触摸式开关。

3.2 智能模板接口电路的设计

　　上述5块智能模板,除通信模块需增加CAN收发器(型号 PCA82C250)以及其它模板有一些常规电路外,其核心主要由5部分组成。槽控机智能模板结构图见图3。GMS90C32为单片机,属总线型结构,可以根据应用需要扩展不同功能。X25045为监测电路,它把常用的三种功能即看门狗定时器、电压监控和EEPROM组合在单个封装之内。这种组合降低了系统成本并减小了电路板面积。看门狗定时器对单片机提供保护作用。当系统出现故障时,在选定的超时时间之后,X25045的看门狗将以RESET信号做出响应。利用X25045低Vcc检测电路,可以保护系统使之免受低电压的影响。当Vcc降到最小Vcc转换点以下时,系统复位。复位一直到Vcc返回规定值且稳定为止。X25045的存储器是CMOS的4K位EEPROM。PSD311为可编程单片机通用外围接口芯片,该芯片将EPROM、RAM、PAD、地址锁存器和I/O口集成在单一的芯片上,取代了传统的分散器件,使设计者不再考虑由离散器件构成所需的存储器译码电路、端口和地址锁存器。SJA1000为CAN通信控制器,是CAN总线接口电路的核心,主要完成CAN的通讯协议。SJA1000的复位/RST和中断/INT分别由GMS90C32的P13、/INT0引脚控制;与CAN总线接口主要由TX0和RX0引脚实现;片选信号/CS由PSD311 PC0口控制。PCA82C250为CAN收发器,主要功能是提高CAN总线的保护和驱动功能;TXD和RXD引脚分别用于发送和接收信号。

3.3 CAN通讯软件设计

　　CAN设计的三层结构模型为:物理层、数据链路层和应用层。网络物理层和数据链路层的功能由CAN接口器件完成,包括硬件电路和通讯协议两部分。CAN通讯协议规定了四种不同用处的网络通讯帧,即数据帧、远程帧、错误指示帧和超载帧。CAN通讯协议的实现,包括各种通讯帧的组织和发送,均是由集成在SJA1000通讯控制器中的电路实现的,因此系统的开发主要在应用层软件的设计上。应用层软件的核心部分是CPU与SJA1000通讯控制器之间的数据接收和发送程序,即CPU把待发的数据发给SJA1000通讯控制器,再由SJA1000通讯控制器发到总线上;当SJA1000通讯控制器从总线接收到数据后,CPU再把数据取走。首先,应对SJA1000中的有关控制寄存器写入控制字,进行初始化。之后,CPU即可通过SJA1000接收/发送缓存区向物理总线接收和发送数据。本系统采用中断方式实现CAN的通讯过程,其中断服务程序流程图见图4。

在程序设计中,设置了DW、XW两个标志,这样CPU不通过SJA1000即可知道当前数据收发情况,提高程序的执行速度。

基于CAN总线的分布式铝电解控制系统,可实现对电解槽生产的高效控制,保证电解槽在新型工艺技术条件下的平稳运行。该系统结构简洁,集成度、智能化程度高,安全可靠性高,结构与功能可扩展性好,且易于操作与维护。CAN总线性能优越,可广泛应用于分布式控制系统。

参考文献

1 阳宪惠.现场总线技术及应用.北京:清华大学出版社,1999

2 邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计.北京:北京航空航天大学出版社,1996

3 詹树仁.GMS90及GMS97系列单片机的工作原理及其应用.武汉力源电子股份有限公司,1999.1