基于CANopen的鋁合金板帶快速電磁鑄軋通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(shí)時(shí)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(jì)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(shí)還為實(shí)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(jì)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(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，它有著很高的實(shí)時(shí)性、可靠性、抗干擾能力和驗(yàn)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(shí)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(bào)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(jì)，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(shí)現(xiàn)面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)?；贑ANopen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(shí)時(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)應(yīng)用層結(jié)構(gòu)上的統(tǒng)一。為了實(shí)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。