基于CANopen的火花檢測和自動滅火系統(tǒng)

　　在木材加工工業(yè)、食品加工工業(yè)、飼料加工業(yè)、紡織品工業(yè)、羽絨加工業(yè)和一些化學(xué)品工業(yè)的自動化過程中普遍存在著較高的火災(zāi)和爆炸的風(fēng)險。由電器或者機械設(shè)備引起的火花將導(dǎo)致陰火和粉塵爆炸，從而危害到下游設(shè)備比如過濾器或者存儲容器的安全。如果這些火災(zāi)風(fēng)險不被及時的發(fā)覺并且處理，那么隨著原料的輸入將導(dǎo)致更大的設(shè)備損壞和人員危險，進一步將導(dǎo)致花費巨大的設(shè)備停工期。

　　為了最小化這一風(fēng)險，一種專用的火花消除控制系統(tǒng)被研發(fā)出來。一種專用的紅外線傳感器可以通過電壓導(dǎo)火裝置提早檢測出火花，在高速控制單元的協(xié)調(diào)下定向滅火裝置可以熄滅設(shè)備中的潛在火源。這樣，潛在的火源就不會繼續(xù)發(fā)展從而形成火災(zāi)。

　　系統(tǒng)方案

　　一旦檢測到火花，預(yù)編程的一系列處理過程將被自動的觸發(fā)，比如：釋放滅火泡沫，關(guān)閉或者隔離管道，在情況危急的時刻，甚至可以關(guān)閉或者淹沒相應(yīng)的干燥或者過濾設(shè)備。

　　在滅火過程中，緊接著的過程就是高壓的水霧被噴射到粉塵區(qū)域。專用的噴嘴和高速閥使得注入水的劑量非常的精確。這一措施既保證了火源被準(zhǔn)確消滅同時又保證了整個設(shè)備不會被水浸泡。因此這一解決方案非常適用于連續(xù)性生產(chǎn)過程，避免了不必要的停工周期。

　　為了得到最優(yōu)的性價比以獲得較高的市場競爭力，我們選擇了微控制器的解決方案來滿足較高的性價比。

　　盡管有著低成本嵌入式解決方案的資源限制，控制系統(tǒng)仍然需要滿足以下需求：

　　從火花檢測到反應(yīng)的時間小于1ms

　　高效的實時操作系統(tǒng)以保證動作的準(zhǔn)確

　　支持兩個獨立可操作的CANopen通訊接口

　　一個主控制器可以管理高達48個數(shù)據(jù)采集模塊

　　為最終用戶提供IEC 61131-3兼容的開發(fā)環(huán)境

　　集成的用戶自定義功能，可使用C代碼編程

　　可通過CANopen進行編程和調(diào)試

　　CANopen SDO網(wǎng)關(guān)提供端對端和下位模塊通訊

　　控制過程參數(shù)的可視化

　　帶時間戳的日志系統(tǒng)和非易失性存儲用于保存危險事件日志

　　數(shù)據(jù)采集模塊的主要任務(wù)就是要連續(xù)的采集并且評估傳感器數(shù)據(jù)，并在檢測到潛在危險火源的情況下初始化滅火過程。這一模塊需要實現(xiàn)一種專用的電路既能夠保證高速的數(shù)據(jù)采集又能夠保證穩(wěn)定的及時檢測出短路和斷路。

　　傳感器數(shù)據(jù)被設(shè)備固件中的一個特殊的用戶任務(wù)程序進行周期性檢測評估。由于這一任務(wù)的安全性要求，這一任務(wù)將獨立運行在IEC 61131-3的運行時系統(tǒng)和PLC程序外。為了保證高速的響應(yīng)，用戶程序可以獨占的訪問專用的輸入和輸出并且可以直接的操作這些I/O通道。為了進一步的數(shù)據(jù)存儲和評估，全部的事件都被保存在非易失性存儲器中并且同時保存了時間戳信息。一個定制版本的高效實時操作系統(tǒng)負責(zé)全部任務(wù)的管理，可以保證任務(wù)的巡檢周期小于1ms并且按照優(yōu)先級運行相應(yīng)的任務(wù)。為了優(yōu)化任務(wù)的執(zhí)行速度，高優(yōu)先級的任務(wù)將以C代碼實現(xiàn)并且被編譯為主CPU可以直接運行的目標(biāo)代碼。我們使用相應(yīng)的UML工具來設(shè)計這些軟件組件，這一方法為整個內(nèi)部過程和數(shù)據(jù)流提供了較高層次的圖形化抽象模型。這些圖形化模型可以被直接轉(zhuǎn)化為C代碼，開發(fā)人員節(jié)省了大量的精力和時間可以更加專注于系統(tǒng)的特定實現(xiàn)細節(jié)，并且節(jié)省了編碼出錯的風(fēng)險。

　　盡管用戶程序和PLC程序是單獨被執(zhí)行的，但是這兩部分代碼將通過OpenPCS開發(fā)環(huán)境被一起下載到目標(biāo)硬件中。這一方式提供了一種簡單的方法用于更新用戶程序而無需修改目標(biāo)系統(tǒng)的固件，并且用戶也可以下載不同的用戶程序而不用修改PLC程序。

　　盡管用戶程序和PLC程序是獨立運行的，他們之間仍然需要必要的接口用于數(shù)據(jù)交換、事件通知和任務(wù)管理。因此我們定義了一段共享的地址空間用于過程數(shù)據(jù)的鏡像，這一段地址空間可以被兩個過程的程序訪問。比如：PLC程序可以獲得事件通知并且可以將相應(yīng)的信息傳輸?shù)截撠?zé)的主控制器處理。

　　在數(shù)據(jù)采集模塊和主控制器之間傳遞信息的最簡單的方式就是使用我們稱作網(wǎng)絡(luò)變量的方法。這里，CANopen提供了相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)變量機制。CANopen的網(wǎng)絡(luò)變量提供了一種訪問過程數(shù)據(jù)的方法，這一方法使得用戶無需關(guān)心通訊協(xié)議的底層機制。在PLC程序中，訪問網(wǎng)絡(luò)變量和訪問本地變量的方法是一致的。這樣，應(yīng)用開發(fā)人員就無需關(guān)心所使用的是本地開關(guān)量輸出還是遠程的單元。市面上有很多的CANopen配置工具可以用來簡化CANopen的配置工作。CANopen的實現(xiàn)層既管理了信息的傳輸又管理了從CAN信息到網(wǎng)絡(luò)變量的自動轉(zhuǎn)化過程。作為網(wǎng)絡(luò)變量的附加功能，專用的PLC功能模塊提供了對于CAN信息和CANopen服務(wù)(比如：SDO數(shù)據(jù)交換、狀態(tài)恢復(fù)、遠程CANopen節(jié)點錯誤信息)的直接訪問。

　　C代碼的用戶程序和PLC程序中的CANopen函數(shù)功能塊都可以訪問網(wǎng)絡(luò)變量。這使得用戶程序可以進行遠程CANopen節(jié)點的信息交換。用戶應(yīng)用程序可以通過本地的對象字典完成兩個CANopen實例的數(shù)據(jù)讀寫。

　　整個應(yīng)用的拓撲是雙層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。每一個主控制器都具有兩個CANopen接口。其中一個CANopen接口連接叫做Line-Bus的總線，這是一個設(shè)備端的精簡擴展總線，通訊速率能夠達到1Mbps。Line-Bus能夠支持高速的信息傳輸用以滿足實時要求。在Line-Bus總線上主控制器可以管理高達48個數(shù)據(jù)采集模塊。而且這一總線只接受數(shù)據(jù)采集模塊的接入。

　　第二個CANopen接口連接管理總線。這一總線連接所有的主控制器到控制臺?？刂婆_是這一火花檢測和滅火系統(tǒng)的核心部分。它負責(zé)記錄、分析并且存儲全部的事件。一旦發(fā)生報警和錯誤信息，相應(yīng)的計數(shù)測量過程將被自動啟動。所有記錄的事件都可以被傳輸?shù)絇C以供

　　進一步的詳細分析進而評估火災(zāi)的風(fēng)險和設(shè)備或者生產(chǎn)過程的故障?？刂婆_還將記錄每一個獨立的火花發(fā)生信息，比如發(fā)生的時間、火花的數(shù)量、事件的持續(xù)時間以及火花發(fā)生的位置。按照時間順序排列的報警時間可以達到萬分之一秒的精度。系統(tǒng)可以按照時間順序根據(jù)報警產(chǎn)生的原因、傳播范圍和影響進行評估連接區(qū)域的風(fēng)險。

　　管理總線的開放式架構(gòu)可以使火花熄滅系統(tǒng)被靈活的改造以適應(yīng)不同的設(shè)備和生產(chǎn)過程。

　　為了便于管理和維護，編程PC可以通過管理總線直接訪問主控制器。通過SDO傳輸，編程PC可以遠程的向模塊中下載新的應(yīng)用程序。同時也支持在線的觀察和修改程序變量。因此全部的調(diào)試、測試以及初裝過程都變得非常的容易和方便。

　　為了在數(shù)據(jù)采集模塊上實現(xiàn)這種端到端的便捷訪問，每一個主控制器都可以作為一個CANopen網(wǎng)關(guān)服務(wù)器。每一個網(wǎng)關(guān)服務(wù)器都可以處理路由請求并且將SDO信息轉(zhuǎn)發(fā)到總線的相應(yīng)目標(biāo)節(jié)點上。

　　系統(tǒng)總結(jié)

　　這一特定的解決方案表明了即使低成本的嵌入式系統(tǒng)也可以在較低的資源限制下達到較高的系統(tǒng)要求。這一系統(tǒng)的成功關(guān)鍵是集成了高性價比的硬件和強大的帶有C代碼擴展的PLC運行時核心，因此系統(tǒng)即降低了成本又獲得了成熟產(chǎn)品的優(yōu)勢。