基于CAN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(gè)交變復(fù)合磁場(chǎng)來(lái)對(duì)鑄軋區(qū)內(nèi)的鋁熔體進(jìn)行電磁攪拌、電磁擾動(dòng)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(gè)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(dòng)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(chǎng)實(shí)時(shí)信息需要協(xié)調(diào)處理。為了適應(yīng)鋁生產(chǎn)過(guò)程管控一體化和綜合自動(dòng)化的需要，本設(shè)計(jì)采用基于工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(jiàn)，它通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的相互融合，從而有效解決了基礎(chǔ)自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)與過(guò)程和管理控制系統(tǒng)之間的無(wú)縫集成問(wèn)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(chǎng)設(shè)備層的通信系統(tǒng)。

2 CANopen簡(jiǎn)介

CAN (Controller Area Network)是控制器局域網(wǎng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是德國(guó)Bosch公司在1986年為解決現(xiàn)代汽車(chē)中眾多測(cè)量控制部件之間的數(shù)據(jù)交換問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線(xiàn)。該總線(xiàn)現(xiàn)已經(jīng)被列入ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(稱(chēng)為ISO 11898)。CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(cuò)能力，十分適合于鋁合金板帶快速電磁鑄軋生產(chǎn)過(guò)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(méi)有定義應(yīng)用層，故其本身并不完整，還需要一個(gè)高層協(xié)議來(lái)定義CAN報(bào)文的11／29位標(biāo)識(shí)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(kāi)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(kāi)發(fā)。

在CANopen應(yīng)用層，設(shè)備之間交換的是通訊對(duì)象(COB)，它們被映射到帶有標(biāo)識(shí)符(ID)的CAN幀中，在數(shù)據(jù)鏈路層上傳輸。在物理層上，信號(hào)以?xún)删€(xiàn)之陽(yáng)的“差分”電壓形式出現(xiàn)，并用“顯性”(Dominant)和“隱性”(Recessive)兩個(gè)互補(bǔ)邏輯值來(lái)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(duì)總線(xiàn)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行了分類(lèi)，即每一個(gè)傳輸數(shù)據(jù)都是某一特定類(lèi)的對(duì)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(lèi)通訊對(duì)象：一是過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象(PDO)，用來(lái)傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；二是服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象(SDO)，用來(lái)訪(fǎng)問(wèn)對(duì)象字典中的設(shè)備配置參數(shù)；三是特殊功能對(duì)象，它包括同步(SYNC)對(duì)象和應(yīng)急(Emergency)對(duì)象；最后是時(shí)間標(biāo)記(Time Stamp)對(duì)象。

CANopen中的每一類(lèi)通訊對(duì)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(duì)各類(lèi)對(duì)象進(jìn)行規(guī)范化和方便管理，在CAN-open協(xié)議中定義了對(duì)象字典(ObjectDictionary，OD)的概念。每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)獨(dú)有的對(duì)象字典，它描述了設(shè)備所使用的所有數(shù)據(jù)類(lèi)型，包括描述這個(gè)和該網(wǎng)絡(luò)行為的所有參數(shù)。對(duì)象字典是具體應(yīng)用于CAN總線(xiàn)通信接口之間的數(shù)據(jù)交換的媒介，是整個(gè)CANopen協(xié)議的核心。CANopen對(duì)象字典的結(jié)構(gòu)如表l所列。

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(chǎng)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(guò)CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(guò)CAN總線(xiàn)連接進(jìn)行通信。通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用總線(xiàn)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(kāi)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(chǎng)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(guó)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(chēng)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(kāi)發(fā)的、帶FLASH的單片機(jī)，其存儲(chǔ)器容量和片內(nèi)外圍模塊隨著具體型號(hào)的不同而不同，用戶(hù)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(lái)實(shí)現(xiàn)。由于MSP430F16ll內(nèi)部沒(méi)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(guó)Microchip公司的MCP2510作為系統(tǒng)的CAN總線(xiàn)通信控制器，圖5所示為CAN總線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)收發(fā)器采用的PCA82C250是CAN控制器與物理總線(xiàn)之間的接口，可以提供對(duì)總線(xiàn)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(lái)提高通信電路的抗干擾能力，防止總線(xiàn)上的干擾信號(hào)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(duì)下位機(jī)監(jiān)測(cè)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(chǎng)的工作效率。本系統(tǒng)選用PLC與觸摸屏相結(jié)合的方式來(lái)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(duì)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(chǎng)操作的要求，并能夠適用現(xiàn)場(chǎng)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(pán)和鼠標(biāo)操作更加簡(jiǎn)單和方便，也更加符合現(xiàn)場(chǎng)操作習(xí)慣，可大大提高現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)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(hù)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(guò)外接CANopen主站模塊TWDNC01M實(shí)現(xiàn)基于CANopen協(xié)議的CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通信。

TWDNC01M CANopen主站模塊可安裝在PLC的擴(kuò)展總線(xiàn)上，它支持16個(gè)從設(shè)備，但不支持對(duì)CAN從設(shè)備的擴(kuò)展尋址，其傳輸速度決定于總線(xiàn)長(zhǎng)度和電纜長(zhǎng)度。用于連接到CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的總線(xiàn)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(xiàn))、CAN_H(CAN_H bus線(xiàn))，PLC通過(guò)這兩個(gè)有差動(dòng)接收和發(fā)送能力的總線(xiàn)終端連接到CAN總線(xiàn)上。

為配合PLC的工作。監(jiān)控平臺(tái)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(lái)配置各種元件。該軟件是專(zhuān)門(mén)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(mǎn)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(guò)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。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4．1 CANopen標(biāo)識(shí)符

通訊對(duì)象的標(biāo)識(shí)符(COB-ID)可唯一確定CAN網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)通訊對(duì)象及其優(yōu)先級(jí)。通訊對(duì)象優(yōu)先級(jí)的大小可通過(guò)標(biāo)識(shí)符數(shù)值的大小來(lái)確定，標(biāo)識(shí)符數(shù)值較小的優(yōu)先級(jí)較大。CANopen信息幀的標(biāo)識(shí)符分為兩部分，一部分為4位的功能碼，另一部分為7位的節(jié)點(diǎn)ID。功能碼代表數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)，節(jié)點(diǎn)ID用于區(qū)別不同的節(jié)點(diǎn)，其標(biāo)識(shí)符的格式如圖6所示。

標(biāo)識(shí)符的分配可以由預(yù)定義主／從連接集來(lái)實(shí)現(xiàn)。也可以由CALDBT服務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配。由于大多數(shù)通信系統(tǒng)的標(biāo)識(shí)符的分配都可由預(yù)定義主／從連接集來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以，本系統(tǒng)也采用預(yù)定義主／從連接集來(lái)實(shí)現(xiàn)CANopen標(biāo)識(shí)符的分配。表2所列是CANopen預(yù)定主／從連接集。

4．2 CANopen協(xié)議棧的軟件設(shè)計(jì)

從節(jié)點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)CANopen協(xié)議棧的軟件內(nèi)容十分豐富，主要包括節(jié)點(diǎn)通訊初始化和硬件設(shè)備初始化、CAN報(bào)文基本通訊、定義和訪(fǎng)問(wèn)對(duì)象字典、NMT從節(jié)點(diǎn)功能、PDO通訊、SDO通訊和節(jié)點(diǎn)保護(hù)等功能。其程序流程圖如圖7所示。

4．3 CANopen主站模塊的配置

在硬件連線(xiàn)接好之后，就可以通過(guò)TwidosoftV3．0或更高的CANopen配置工具來(lái)對(duì)CANopen現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)主模塊進(jìn)行配置。CANopen網(wǎng)絡(luò)的主、從配置以及通信參數(shù)的配置只能在離線(xiàn)模式下進(jìn)行，而且除了某幾個(gè)參數(shù)可以調(diào)節(jié)(例如％IWC和％QWC PDO尋址參數(shù))外，其他參數(shù)都不允許在線(xiàn)模式配置。

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的CANopen通信系統(tǒng)可以達(dá)到較好的效果，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的鑄造電源系統(tǒng)參數(shù)的顯示、設(shè)定以及歷史記錄和報(bào)表打印等功能，同時(shí)，通過(guò)觸摸屏組態(tài)還可以完成對(duì)變頻電源A、B、C三相和輔助電源的集中管理和監(jiān)控。