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

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控與控制系統(tǒng)功能。各個(gè)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(jì)
基于“MCU+CPLD”的設(shè)計(jì)是當(dāng)前數(shù)字電路研究開發(fā)的一種重要實(shí)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(gè)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(shí)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(jì)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(gè)發(fā)送緩沖器和兩個(gè)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(dòng)發(fā)送和接收功能。兩個(gè)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(shí)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(shí)，選擇異步模式UART；當(dāng)SYNC=1時(shí)，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(jì)
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(jì)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(jì)監(jiān)控上位機(jī)。其中PLC是上位機(jī)的中心，利用PLC實(shí)現(xiàn)對上位機(jī)的監(jiān)控，比采用工控計(jì)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(shí)還能夠方便地實(shí)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(jì)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(gè)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(diǎn)輸入，14點(diǎn)繼電器輸出和2點(diǎn)源型晶體管輸出，同時(shí)帶有一個(gè)RS-485端口和一個(gè)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(shí)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(gè)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(gè)有差動(dòng)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(jì)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。