基于GPRS及CAN總線的遠程電機群控制

引言

電機在各個領域中的應用已經(jīng)相當廣泛，并且正向網(wǎng)絡化、智能化的方向發(fā)展。在復雜控制系統(tǒng)中，往往需要多臺電機同時進行工作，如油田電機、礦山平臺、工業(yè)切割、電梯控制、農(nóng)業(yè)加工等。而電機往往安裝分散且工作于復雜的工作環(huán)境中，因此，遠程控制不但有利于提高工作效率，改善工作環(huán)境，而且還可以大大提高安全系數(shù)。在許多調(diào)速過程中，由于過程的龐雜性(如電機數(shù)量眾多、傳動要求高、時序復雜、地域分布分散等)使得控制設備變得龐大，對由大量電機組成的電機群傳動調(diào)速系統(tǒng)進行網(wǎng)絡一體化管理及控制顯得尤為重要。

傳統(tǒng)的電機控制一般采用控制器與電機驅動器一對一的控制模式，存在抗干擾能力差、可靠性低、控制線路復雜、可維護性差等缺點。近年來多電機群控技術和方法的研究多種多樣，多電機群控系統(tǒng)改進側重點。一般為優(yōu)化控制方法和基于現(xiàn)場總線或遠程網(wǎng)絡控制等。結合油田的生產(chǎn)實際，張詠軍設計出了一套抽油機電機群控系統(tǒng)，采用分布式結構，通過無線傳輸實現(xiàn)電機遠程群控系統(tǒng)，用于檢測、保護和控制電機，以提高電機系統(tǒng)的可靠性和工作效率。中國計量科學研究院在2006年針對電機群控系統(tǒng)提出了一種基于3層網(wǎng)絡的控制方法，從上到下分別為信息層、控制層和設備層。應慧娟等在此基礎上研究了基于三層網(wǎng)絡的制粉廠生產(chǎn)線電機群控系統(tǒng)，實現(xiàn)了設備網(wǎng)上多臺電機的遠程監(jiān)控。

目前，多電機群控技術仍然存在許多的問題和不足，比如，通信的可靠性與準確性低、缺少電機工作環(huán)境參數(shù)的采集等。本文研究的基于GPRS及CAN總線的電機群控制系統(tǒng)，是將微控制器技術、CAN總線技術應用于電機群的通信控制中，同時結合GPRS遠程收發(fā)設備和計算機技術構成遠程電機群的控制系統(tǒng)，以此來實現(xiàn)現(xiàn)場和遠程監(jiān)控。CAN總線具有很高的安全性，當某個節(jié)點嚴重錯誤時，能夠自動脫離總線，能夠有效地提高通信的可靠性與準確性;GPRS收發(fā)設備可以使任意具備發(fā)送短信功能的手機和其他GPRS收發(fā)設備隨時隨地對電機群的運行狀態(tài)進行監(jiān)測和遠程控制，具有很高的靈活性和便捷性，在保證了遠程通信功能的同時提高了可靠性和穩(wěn)定性。

1 總體方案設計

參照中國計量科學研究院提出的三層網(wǎng)絡控制方法，本系統(tǒng)的信息層采用GPRS無線通信，控制層使用CAN總線通信，設備層使用RS485通信。考慮到可靠性以及可拓展性，本系統(tǒng)采用一點對多點的通信方式，以主控制節(jié)點作為主監(jiān)控，定時巡檢多個從控制節(jié)點，接收從控制節(jié)點發(fā)送的電機信息數(shù)據(jù)，并進行存儲。通過這些數(shù)據(jù)信息，工作人員可以及時進行判斷并作相應的處理，通過主控制節(jié)點發(fā)送控制命令給從控制節(jié)點，由從控制節(jié)點完成對電機的直接控制。系統(tǒng)結構設置為分布式控制，即一個主控制節(jié)點，多個從控制節(jié)點。當任何一個從控制節(jié)點發(fā)生故障時，其他從控制節(jié)點不受影響，主控制節(jié)點與從控制節(jié)點之間進行實時的雙向數(shù)據(jù)傳輸。

該系統(tǒng)采用模塊化設計，主要由三部分組成，分別為主控制部分(包含嵌入式觸控PC和主節(jié)點)、電機部分(包含多個從節(jié)點)和遠程GPRS終端(遠程節(jié)點)。該系統(tǒng)總體效果示意如圖1所示。

2 主控制部分

主控制部分包含嵌入式觸控PC和主節(jié)點兩部分。嵌入式觸控PC為工業(yè)現(xiàn)場的控制終端，用來實時顯示和控制電機的運行狀態(tài)。主節(jié)點作為嵌入式觸控PC、從節(jié)點和遠程GPRS終端的連接點，接收嵌入式觸控PC和遠程GPRS終端發(fā)來的電機狀態(tài)查詢、控制指令，下發(fā)至從節(jié)點，然后將從節(jié)點發(fā)來的電機狀態(tài)信息返回至嵌入式觸控PC和遠程GPRS終端。

2.1 嵌入式觸控PC

嵌入式觸控PC型號為藍海微芯LJD—eWin7000，這是一款基于WinCE操作系統(tǒng)下的控制平臺，它擁有32位ARM920T高速處理器內(nèi)核，主要用于系統(tǒng)平臺上的人機界面。使用VS2 005中C#語言作為開發(fā)工具，包含監(jiān)控界面(是這個電機群控系統(tǒng)的控制終端)，可以實時顯示電機轉速及溫濕度、記錄報警狀態(tài)、設置電機轉速以及報警參數(shù)。

2.2 主節(jié)點

主節(jié)點原理框圖如圖2所示。一個主節(jié)點可以連接多個從節(jié)點，可以對每個從節(jié)點所連接的電機進行參數(shù)設定、啟停控制操作，與此同時可實現(xiàn)單臺和多臺電機的運行狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)保存、查詢等功能，便于保存信息和自動化管理。主節(jié)點的通信模塊通過RS232通信接口連接GPRS無線通信模塊，以及嵌入式觸控PC來實現(xiàn)信息傳輸。GPRS無線通信模塊用來實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)發(fā)送，接收其他GPRS模塊或者具有短信發(fā)送功能手機等指令請求終端發(fā)送的查詢、控制信息，GPRS無線通信模塊將接收到的信息發(fā)送給主節(jié)點，主節(jié)點進行判斷和解析并作相應回復，最終通過GPRS無線模塊將數(shù)據(jù)信息返回至發(fā)送指令請求的設備終端。

嵌入式觸控PC作為操作員現(xiàn)場操作的人機交互界面，實時顯示各個電機的運行狀態(tài)，包括轉速、轉向、報警參數(shù)等信息。交互界面上包含參數(shù)設置以及控制按鈕，可以方便操作人員現(xiàn)場對電機狀態(tài)監(jiān)測的同時有效地進行啟停與轉速控制。

2.2.1 主節(jié)點硬件設計

主節(jié)點電路的核心部件為STM32F103VET微控制器，便于數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化等現(xiàn)場總線連接監(jiān)控，其抗干擾能力強、精度高、工作性能穩(wěn)定可靠。在原有的電機控制環(huán)節(jié)中增加STM32微控制器，同時增加了對外通信的CAN總線接口，用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳送，上傳電機運行狀態(tài)信息的同時接收嵌入式觸控PC的控制命令。CAN總線控制器采用CTM8 251T，這是一款帶隔離的通用CAN收發(fā)器芯片，CANG引腳為隔離電源輸出地。因此電路中不再需要光耦、DC/DC隔離器等隔離器件。

2.2.2 主節(jié)點軟件設計

主節(jié)點通過3個對外接口來接收從節(jié)點上傳的電機信息和嵌入式觸控PC發(fā)出的控制信息，同時向嵌入式觸控PC發(fā)送狀態(tài)信息和從控制器發(fā)送詢問、控制等信息，圖3為主節(jié)點程序流程圖。

GPRS中斷函數(shù)用來發(fā)送和接收GPRS遠程命令及狀態(tài)信息;上位機中斷函數(shù)用來接收嵌入式觸控PC發(fā)出的控制命令;CAN中斷函數(shù)用來接收從板上傳的電機狀態(tài)信息以及控制命令后的響應;TIM2計時中斷函數(shù)用來集中處理GPRS、嵌入式觸控PC發(fā)出的命令，包括解析與下發(fā)對應的控制命令到目的從節(jié)點。

2.2.3 主節(jié)點應用層數(shù)據(jù)格式定義

通過對系統(tǒng)功能分析發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)通信需要傳遞的變量主要有從節(jié)點地址、電機狀態(tài)、電機轉速、溫度值以及濕度值。依據(jù)功能可將數(shù)據(jù)類型分為詢問指令、電機設置指令、系統(tǒng)參數(shù)設置指令、急停指令、應答信息以及報警信息。以嵌入式觸控PC與主控制板之間RS 232通信為例，其通信數(shù)據(jù)格式如表1所列，主要包括起始、結束、變量數(shù)值以及CRC校驗。主節(jié)點與GPRS遠程收發(fā)模塊之間的RS 232通信、GPRS遠程收發(fā)模塊之間的短信通信以及主節(jié)點與從節(jié)點之間的CAN總線通信，其數(shù)據(jù)類型與通信協(xié)議基本相同，在此不再贅述。

3 電機部分

電機部分包含多個從節(jié)點，接下來分別從硬件和軟件兩個方面來說明從節(jié)點的設計。

3.1 從節(jié)點硬件設計

與主節(jié)點類似，從節(jié)點的微控制器同樣選用STM32F103VET6，從節(jié)點原理圖如圖4所示。溫濕度傳感器對工作現(xiàn)場進行溫度和濕度情況進行信息采集，其串行數(shù)據(jù)通信接口直接連接微控制器的I/O引腳。從節(jié)點通過RS485總線定時向變頻器發(fā)送電機狀態(tài)詢問指令，收到變頻器回復后將電機的運行狀態(tài)(轉向和轉速)存儲至Flash芯片。如果收到CAN總線上來自主節(jié)點的詢問請求，則返回電機狀態(tài)信息。如果收到的是主節(jié)點發(fā)送的控制命令，則將設定的轉速和轉向下發(fā)至變頻器，同時應答主節(jié)點的控制指令。

3.2 從節(jié)點軟件設計

從節(jié)點通過與變頻器的通信來實現(xiàn)對電機轉速、轉向的控制，通過CAN總線接收主板下發(fā)的控制命令并且返回狀態(tài)信息(包括電機轉向、轉速、溫度、濕度、報警狀態(tài))，圖5為從節(jié)點程序流程圖。

4 系統(tǒng)調(diào)試

通過對兩個三相異步電機Y80L-2測試發(fā)現(xiàn)，本方案能夠通過現(xiàn)場嵌入式觸控PC終端的軟件界面、連接GPRS通信模塊的上位機和任意能夠發(fā)送短信的手機這3種途徑來實現(xiàn)對多電機信息(包括電機轉向、轉速、現(xiàn)場溫度、濕度)的采集，以及電機轉向、轉速、報警溫度、報警濕度的現(xiàn)場及遠程的監(jiān)測和控制。圖6為嵌入式觸控PC控制終端顯示界面，圖7為遠程GPRS設備終端上位機界面。

結語

本文基于GPRS及CAN總線技術設計的遠程電機群控制系統(tǒng)，結合實際生產(chǎn)情況采用分布式結構和無線數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了低成本、高效率的控制系統(tǒng)。無論是在電機工作的工業(yè)現(xiàn)場，還是工作人員的辦公室或者是任何其他地方，工作人員都可以實時獲得電機運行狀態(tài)的參數(shù)并且對其進行控制。這極大地提高了操作的便捷性、降低了控制的復雜性。

為了得到更好的控制效果，還可以加入先進的控制算法。此系統(tǒng)開放靈活，易于擴展和改造，可以將其廣泛地應用到實際工業(yè)場合，解決許多工業(yè)現(xiàn)場的相關問題，具有很高的應用價值。