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案例頻道1. 引言：
為確保性能可靠和安全運輸，鐵路內(nèi)燃機車用柴油機每次新造出廠前或大修后必須進入柴油機試驗站進行臺架試驗，經(jīng)驗收合格后方可裝車運行。實現(xiàn)柴油機臺架試驗自動控制與數(shù)據(jù)采集的主要困難是：邏輯關(guān)系復(fù)雜，步驟繁多，各種條件相互關(guān)聯(lián)；所測參數(shù)種類眾多。怎樣設(shè)計出一種有效的控制系統(tǒng)和合理的控制方案是解決問題的關(guān)鍵。因此，采用基于CAN總線技術(shù)的現(xiàn)場測控系統(tǒng)，無論從實時性，可靠性，還是通信距離上都滿足柴油機臺架實驗的需要。
2. CAN總線技術(shù)特點
CAN總線屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)，由于采用了許多新技術(shù)及其獨特的設(shè)計于一般通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。其特點可概括如下：CAN總線以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活，且無須占地址等節(jié)點信息，利用這一特點可方便地構(gòu)成多機備份系統(tǒng)。CAN總線網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點信息分不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時要求，高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)最多可在34μs內(nèi)得到傳輸。CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當多個節(jié)點同時向總線發(fā)出信息時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省總線沖突仲裁時間，尤其是在網(wǎng)絡(luò)負載很重的情況下也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況。CAN總線只需通過報文濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接受數(shù)據(jù)，無需專門的“調(diào)度”。CAN總線的直接通信距離最遠可達10Km(速率5Kbps以下)；通信速率最高可達1Mbps（此時通信距離最長為40 m）。.CAN總線上的節(jié)點主要取決于總線驅(qū)動電路，目前可達110個；報文標識符可達2032種，而擴展標識符幾乎不受限制。采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾概率低，具有極好檢錯效果。CAN總線的每幀信息都有CRC校驗及其它檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)出錯率極低。CAN總線的通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。CAN總線節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關(guān)閉輸出的功能，以使總線上的其它節(jié)點的操作不受影響。
3. 系統(tǒng)組成及硬件
1. 本系統(tǒng)采用兩層體系結(jié)構(gòu)，即操作站―現(xiàn)場智能單元。操作站由工控機加上網(wǎng)卡組成，網(wǎng)卡的功能是完成RS-232C與CAN總線之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)工業(yè)PC機與CAN總線的連接。現(xiàn)場智能設(shè)備（現(xiàn)場控制單元）具有“功能全分散”的特點，使現(xiàn)場控制單元成了控制系統(tǒng)的核心。CAN總線控制節(jié)點由微處理器，CAN總線控制器及CAN接口電路組成。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)“功能全分散”的特點，使現(xiàn)場控制單元成了控制系統(tǒng)的核心。我們采用了自行開發(fā)的SHCAN2000型現(xiàn)場控制單元采用了由實時多任務(wù)操作系統(tǒng)、實時監(jiān)控軟件、任務(wù)級組態(tài)軟件、實時數(shù)據(jù)庫等構(gòu)成的現(xiàn)場智能測控儀表軟件組件集成技術(shù)，支持在線組態(tài)。由于現(xiàn)場總線的特點之一是將控制功能徹底分散到現(xiàn)場，因此在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場控制單元就成了系統(tǒng)的核心部件。SHCAN2000系統(tǒng)中，現(xiàn)場控制單元將PLC和回路調(diào)節(jié)器的全部功能有機的溶為一體：用于順序控制可取代PLC；用于連續(xù)控制可替換回路調(diào)節(jié)器和DCS；用于間歇過程工業(yè)則可替代DCS與PLC的復(fù)雜組合；并使所有的工業(yè)自動化系統(tǒng)都有一個簡單、統(tǒng)一的解決方案。SHCAN2000型現(xiàn)場控制單元的硬件結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。其中CAN驅(qū)動器82C250和CAN控制器SJA1000完成CAN總線通信，其余的采集和控制單元由Philips公司的微處理器芯片P80C552單片機系統(tǒng)構(gòu)成。
4. 系統(tǒng)軟件體系設(shè)計
系統(tǒng)的軟件設(shè)：我們采用軟件構(gòu)件技術(shù)，以編寫功能塊的方法來實現(xiàn)。本系統(tǒng)下位機的核心是分布的現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)庫和功能模塊庫，組態(tài)序列調(diào)用功能模塊庫，實現(xiàn)對現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)庫的操作。現(xiàn)場控制單元組態(tài)軟件是嵌入在現(xiàn)場智能測控組件中的組態(tài)、數(shù)據(jù)采集、控制、輸入輸出和通訊軟件模塊。其中，智能測控組件功能模塊庫由14大類，共80余種特定的功能塊組成，是各種控制和算法的集合。功能模塊組態(tài)序列是智能測控組件所需功能的集合，是所要完成的各種功能的選擇和按前后順序方式實現(xiàn)的組織形式。智能測控組件的不同功能，由不同的組態(tài)隊列形式來實現(xiàn)。實時數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)參數(shù)、功能模塊工作參數(shù)、控制參數(shù)、運行變量等的參數(shù)集合。實時數(shù)據(jù)庫中任一點數(shù)據(jù)，都可通過CAN通信模塊實現(xiàn)雙向通信。CAN總線通訊軟件完成上位機與實時數(shù)據(jù)庫之間、任意兩個實時數(shù)據(jù)庫之間的雙向數(shù)據(jù)交換。智能測控組件工作過程是：以實時數(shù)據(jù)庫為核心，由功能模塊組態(tài)序列調(diào)用功能模塊庫，通過功能模塊控制操作實時數(shù)據(jù)庫，其結(jié)果再返回數(shù)據(jù)庫中，再由輸入/輸出系統(tǒng)和CAN總線通信模塊實現(xiàn)控制功能。其軟件功能圖如圖3所示。
圖3 SHCAN2000型現(xiàn)場控制單元軟件結(jié)構(gòu)
5．系統(tǒng)控制方案
監(jiān)控站要進行柴油機臺架實驗，實驗分成磨合，調(diào)整，驗收三個實驗。實驗要求柴油機在一定的轉(zhuǎn)速和功率條件下運轉(zhuǎn)一定的時間之后測試柴油機的各項數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)檢查柴油機的各項性能，同時調(diào)節(jié)進入柴油機的燃油溫度和冷卻水溫度。當出現(xiàn)異常情況是系統(tǒng)會在界面中顯示報警并通過聲光信號提醒實驗人員，同時還要完成質(zhì)量平定，和實驗記錄的功能。對于實驗過程的監(jiān)控我們應(yīng)用上位機直觀、友好的人機界面是系統(tǒng)功能的一個重要體現(xiàn)。隨著計算機和軟件技術(shù)的發(fā)展，上位機的界面設(shè)計變得越來越方便、直觀。在設(shè)計上位機監(jiān)控界面時，我們采用FIX軟件的畫圖程序（DRAW）,借助于畫圖程序的強大功能，實現(xiàn)了柴油機試驗臺線路狀態(tài)的實時顯示、柴油機參數(shù)的實時監(jiān)控和柴油機試驗當前步驟狀態(tài)顯示，使試驗員能全面、直觀地監(jiān)控柴油機試驗全過程。監(jiān)控界面由模擬試驗線路、虛擬儀表和操作按鈕組成。試驗員可以通過模擬試驗線路觀察電路開關(guān)狀態(tài)；虛擬儀表顯示柴油機主發(fā)機組的電壓、電流、轉(zhuǎn)速、溫度、壓力等參數(shù)；試驗步驟指示燈顯示當前試驗狀態(tài)；操作按鈕控制柴油機試驗項目和試驗流程。整個監(jiān)控界面形象直觀，易于操作。為了設(shè)計出直觀、形象的監(jiān)控界面，采用了動態(tài)顯示技術(shù)。試驗線路的開關(guān)狀態(tài)根據(jù)現(xiàn)場狀態(tài)動態(tài)顯示；各種壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、電流、電壓等參數(shù)通過虛擬儀表動態(tài)顯示；柴油機試驗的當前步驟通過虛擬指示燈動態(tài)顯示。動態(tài)顯示技術(shù)的原理如下：監(jiān)控界面上幾何圖形的大小、位置、顏色、旋轉(zhuǎn)角度以及可見性等并不是固定不變的，而是由FIX過程數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)點所決定的。例如：試驗步驟N指示燈的可見性由數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的試驗步驟。對于系統(tǒng)的控制功能我們運用功能強大的軟件模塊庫，將控制功能通過功能模塊組態(tài)的形式按找系統(tǒng)的要求組織起來下載到現(xiàn)場智能單元中，這樣現(xiàn)場智能單元就會根據(jù)分配給各自的任務(wù)完成系統(tǒng)的功能。并利用他們之間的通訊功能將整個系統(tǒng)統(tǒng)一連接起來達到時實多任務(wù)要求實現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能。
6. 結(jié)束語
本課題的主要創(chuàng)新點是分析了間歇控制的特點和難點，研究基于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實現(xiàn)間歇控制的方法。具體論述了采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實現(xiàn)柴油機試驗的自動控制，包括試驗流程的自動控制、試驗數(shù)據(jù)自動采集和管理、友好的人機接口等，并討論了上位機操作站和現(xiàn)場控制單元的功能組態(tài)實現(xiàn)。實現(xiàn)了柴油機試驗過程的全自動，且試驗臺系統(tǒng)全部控制功能由現(xiàn)場測控儀表完成，充分體現(xiàn)了控制全分散這一發(fā)展趨勢, 較好地完成了柴油機試驗臺計算機改造項目。
參考文獻
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北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號