基于CAN總線的橡膠加工分布式計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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企業(yè)：控制網(wǎng)
領(lǐng)域：PLC /PAC/PCC/RTU
行業(yè)：制藥/醫(yī)療
- 點(diǎn)擊數(shù)：1255 發(fā)布時(shí)間：2008-01-08 10:44:46
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為了提高橡膠加工廠的生產(chǎn)工藝執(zhí)行率，強(qiáng)化工藝管理，便于現(xiàn)場檢查工藝參數(shù)，利于企業(yè)推行企業(yè)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS、企業(yè)管理信息系統(tǒng)MIS和貫徹ISO9000～9002質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，我們?yōu)槟诚鹉z加工廠設(shè)計(jì)一套基于CAN總線的橡膠加工過程的分布式計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)。整個(gè)計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)由4個(gè)工程師站和13個(gè)現(xiàn)場控制站點(diǎn)組成，整個(gè)測控系統(tǒng)以Windows9x為操作平臺(tái)，采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)已平穩(wěn)運(yùn)行一年，運(yùn)行良好。
橡膠加工廠一般均設(shè)有：配合劑稱量、混煉、硫化、修補(bǔ)等工段，其中最為關(guān)鍵的兩個(gè)工段為稱量和硫化工段。現(xiàn)在，我國的一些橡膠加工廠的稱重配料和硫化為人工操作、控制，人為因素極大地影響了橡膠制品的加工質(zhì)量和硫化性能。為了減少人為的因素的影響，配料稱量、橡膠硫化生產(chǎn)過程采用計(jì)算機(jī)控制是十分必要的。整個(gè)計(jì)算機(jī)控制過程主要是硫化溫度的采集、控制，在溫度控制時(shí)，加入數(shù)字增量PID調(diào)節(jié)功能。
根據(jù)橡膠加工廠的特點(diǎn),整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)具有工藝流程畫面顯示、曲線趨勢圖顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)故障報(bào)警及報(bào)表打印、歷史數(shù)據(jù)查詢、配方更改、工藝流程更改等功能。為了使整個(gè)分布式測控系統(tǒng)能安全、可靠、高性能地運(yùn)行，同時(shí)考慮用戶將來的擴(kuò)展需要，整個(gè)系統(tǒng)采用如下設(shè)計(jì)思路：
(1)系統(tǒng)采用三級(jí)分布式結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò),由工程師管理站和現(xiàn)場測控站點(diǎn)構(gòu)成。工程師管理站對(duì)其所監(jiān)控的分現(xiàn)場測控站進(jìn)行管理和調(diào)度，通過熱鍵切換，也可對(duì)整個(gè)分布式測控系統(tǒng)中的各個(gè)現(xiàn)場測控站進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)度。各個(gè)現(xiàn)場測控站分管若干個(gè)現(xiàn)場輸入/輸出（I/O)單元，且相互之間獨(dú)立，共同完成各個(gè)現(xiàn)場測控站點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集、控制及通信功能,從而可以保證系統(tǒng)在某一個(gè)現(xiàn)場I/O單元或某一現(xiàn)場測控站出現(xiàn)故障時(shí)不出現(xiàn)失控現(xiàn)象。
(2)現(xiàn)場工程師站向上與廠信息處理工作站、總工程師等組成快速以太網(wǎng)（Ethernet），以備將來與Internet網(wǎng)互聯(lián)。
(3)系統(tǒng)采用總線式的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，它具備多主協(xié)議、通信速率高、實(shí)時(shí)能力、錯(cuò)誤糾正、強(qiáng)噪聲抑制能力，同時(shí)，系統(tǒng)具備一定的擴(kuò)充能力。
(4)硬件采用模塊化結(jié)構(gòu)：現(xiàn)場單元全部采用智能化的測控模塊，且全為插拔式或插入螺絲端子接線，以使現(xiàn)場若發(fā)生故障時(shí)維修人員可以方便、快速地進(jìn)行更換，而不影響正常的生產(chǎn)。
根據(jù)用戶需求，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，從信號(hào)采集和控制流程看，本系統(tǒng)分為4個(gè)獨(dú)立的部分：配合劑稱量工段分站；橡膠混合工段分站；橡膠硫化工段分站；成品修補(bǔ)工段分站。其中每個(gè)部分設(shè)1臺(tái)工程師站對(duì)本站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制。同時(shí)要求四部分的工程師站能互為備份，當(dāng)某一臺(tái)工程師站出現(xiàn)故障時(shí)，通過熱鍵切換，系統(tǒng)進(jìn)入應(yīng)急托管狀態(tài)，由其他3臺(tái)工程師站進(jìn)行臨時(shí)托管。從適用性、先進(jìn)性和系統(tǒng)低成本考慮，現(xiàn)場總線采用CAN(控制器區(qū)域網(wǎng))總線[2] [3]，它是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的先進(jìn)的現(xiàn)場總線，具有以下顯著特性：
它是一種高速串行總線，具備多主協(xié)議，網(wǎng)上任意兩個(gè)接點(diǎn)都可以直接交換數(shù)據(jù)。
具備實(shí)時(shí)能力。CAN網(wǎng)通過非破壞性的位總線仲裁技術(shù)來處理多接點(diǎn)同時(shí)訪問網(wǎng)絡(luò)的沖突，從而滿足實(shí)時(shí)性的需要，也保證不丟失數(shù)據(jù)和損失帶寬。
廣播式數(shù)據(jù)通訊。采用CSMA/CD協(xié)議進(jìn)行總線控制及數(shù)據(jù)通信，當(dāng)節(jié)點(diǎn)往網(wǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，其他所有節(jié)點(diǎn)都同時(shí)收到數(shù)據(jù)。
高傳輸可靠性
CAN特別適合于網(wǎng)絡(luò)化智能設(shè)備，滿足ISO11898，傳輸速率可達(dá)1Mbps，傳輸距離1000m，傳輸方式和介質(zhì)為差分電壓和雙絞線。驅(qū)動(dòng)器/接受器為64/64，經(jīng)CAN總線擴(kuò)展器可擴(kuò)充到256個(gè)。
工程師站
根據(jù)用戶的需求，本方案選用臺(tái)灣研華公司的工控機(jī)IPC610P，其主頻為233MHz。為適應(yīng)總線需求，在工控機(jī)內(nèi)配置一塊研華PCL841雙通道隔離式CAN總線卡。它支持工控機(jī)與CAN網(wǎng)的聯(lián)接及通訊，傳輸速率最大為1Mbps。比工控機(jī)通過RS-232經(jīng)ADAM4525再上CAN網(wǎng)的通訊速率大大提高。 現(xiàn)場智能單元
現(xiàn)場智能單元采用研華產(chǎn)品ADAM5000/CAN，它主要用來做獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集控制，可通過其CAN網(wǎng)接口與上位機(jī)通信，特別適合應(yīng)用于現(xiàn)場總線式的數(shù)據(jù)采集場合。ADAM5000/CAN內(nèi)置16位微處理器，具有4個(gè)模塊插槽（支持64個(gè)I/O點(diǎn)），內(nèi)置CAN口。具有足夠的現(xiàn)場響應(yīng)能力和I/O 處理能力。同時(shí)支持現(xiàn)場站點(diǎn)直接與CAN接口(可選DeviceNET或CANopen協(xié)議），且自帶軟硬件自檢和看門狗。
ADAM5000/CAN使用中斷方法完成狀態(tài)改變功能，在狀態(tài)改變功能時(shí)，僅當(dāng)數(shù)據(jù)改變時(shí)才產(chǎn)生數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)然后廣播到網(wǎng)上的所有設(shè)備，計(jì)算機(jī)或控制器在事件發(fā)生的同時(shí)接收數(shù)據(jù)。
現(xiàn)場I/O模塊
現(xiàn)場I/O模塊采用ADAM5000系列，它具有體積緊湊、符合現(xiàn)場總線的趨勢，其數(shù)據(jù)采集、模擬輸出以及數(shù)字I/O等3種不同的數(shù)據(jù)采集，使現(xiàn)場I/O設(shè)備容易構(gòu)成計(jì)算機(jī)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)。具有系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活、易于安裝和組網(wǎng)、適合于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境、支持的軟件豐富等特點(diǎn)。
現(xiàn)場I/O 模塊根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際控制需要，分為模擬輸出模塊、模擬輸入模塊、數(shù)字輸入模塊、數(shù)字輸出模塊以及熱電偶(RTD)輸入模塊，所用的幾種主要功能模塊如下：
模擬量采集：ADAM5017(8通道），模擬量輸出：ADAM5024(4通道），數(shù)字量輸出：ADAM5056（16通道)，數(shù)字量輸入：ADAM5052(隔離、8通道），熱電偶輸入：ADAM50(3通道），繼電器輸入：ADAM5068(8通道）。
過程控制流程
現(xiàn)場過程信號(hào)采集及監(jiān)控流程由4部分組成：配合劑稱量工段控制流程、橡膠混合工段分站控制流程、橡膠硫化工段分站控制流程、成品修補(bǔ)工段分站控制流程，4個(gè)工段由相應(yīng)的工程師站管理。每個(gè)工段又分為若干個(gè)現(xiàn)場站點(diǎn)，每個(gè)現(xiàn)場站點(diǎn)又實(shí)時(shí)監(jiān)控若干個(gè)現(xiàn)場I/O單元，形成四級(jí)管理。
數(shù)據(jù)采集監(jiān)控流程為：每個(gè)現(xiàn)場I/O單元實(shí)時(shí)變送相應(yīng)的現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)，現(xiàn)場測控站點(diǎn)ADAM5000/CAN實(shí)時(shí)采集所屬的現(xiàn)場I/O單元的數(shù)值，然后ADAM5000/CAN將一些重要的數(shù)據(jù)通過CAN總線上報(bào)到工程師站，工程師站根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測到的各種模擬信號(hào)以及數(shù)字量進(jìn)行邏輯判斷、實(shí)時(shí)處理后，形成歷史數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)報(bào)警、實(shí)時(shí)顯示各現(xiàn)場測控站點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)，產(chǎn)生必要的控制參數(shù)，再通過CAN總線傳輸?shù)浆F(xiàn)場站點(diǎn)ADAM5000/CAN，現(xiàn)場站點(diǎn)ADAM5000/CAN再分別通過數(shù)字輸出模塊和模擬輸出模塊實(shí)時(shí)控制相應(yīng)的現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以調(diào)整現(xiàn)場的工作環(huán)境。
為了用戶操作方便，需要畫面顯示、曲線趨勢圖顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)故障報(bào)警及報(bào)表打印等功能，因此，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，采用組態(tài)式設(shè)計(jì)方法。應(yīng)用軟件采用Windows視窗技術(shù)，且為全新的中文瀏覽器界面，操作界面圖形化，使操作更為直觀、方便、靈活，視窗界面更為友好。應(yīng)用軟件采用現(xiàn)場總線的通信協(xié)議，具有多主、實(shí)時(shí)、高可靠性、較低的系統(tǒng)硬件成本等優(yōu)點(diǎn)，使應(yīng)用軟件可在環(huán)境較為惡劣的工作現(xiàn)場中穩(wěn)定運(yùn)行，降低了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險(xiǎn)性。
軟件功能
工程師站完成相應(yīng)工段分網(wǎng)的檢測、控制及管理任務(wù)，作為工程師的工具，使分網(wǎng)能夠低耗、安全運(yùn)行，其主要功能有：（1)巡檢、存儲(chǔ)并實(shí)時(shí)顯示分網(wǎng)的運(yùn)行參數(shù)，使工程師能夠隨時(shí)查看到分網(wǎng)的實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)，從而對(duì)分網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一的檢測和管理。（2)根據(jù)分網(wǎng)實(shí)時(shí)參數(shù)，分析運(yùn)行工況、及時(shí)發(fā)現(xiàn)分網(wǎng)出現(xiàn)的各種異?，F(xiàn)象，分析系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障，并及時(shí)顯示報(bào)警。（3）隨時(shí)打印各種報(bào)表和記錄，包括：報(bào)警打印、報(bào)表定時(shí)打印、操作記錄打印。（4）各種信息顯示，包括：日期、時(shí)間顯示，流程畫面顯示，分組控制顯示，趨勢顯示，操作指示顯示等。(5）配方管理、簡單實(shí)用的報(bào)表處理系統(tǒng)；（6）各種先進(jìn)控制算法及其參數(shù)的自整定。
現(xiàn)場站點(diǎn)的功能包括：
數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、處理、顯示；
故障實(shí)時(shí)報(bào)警、顯示；
現(xiàn)場設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控；
軟件模塊
為了使系統(tǒng)具有畫面顯示、曲線趨勢圖、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)故障報(bào)警及報(bào)表打印的功能，軟件分為，二級(jí)工程師站的應(yīng)用程序和現(xiàn)場站點(diǎn)的應(yīng)用程序，其中：二級(jí)工程師站的應(yīng)用程序有以下幾個(gè)大的功能模塊：（1）初始化模塊；（2）控制參數(shù)設(shè)定模塊；（3）通信模塊；（4）數(shù)據(jù)采集模塊；（5）現(xiàn)場/遠(yuǎn)程控制模塊；（6）數(shù)據(jù)記錄、查詢以及報(bào)表打印模塊；（7）故障診斷報(bào)警模塊；（8）生產(chǎn)工藝流程畫面顯示模塊。
現(xiàn)場站點(diǎn)的應(yīng)用程序有以下幾個(gè)大的功能模塊：（1）初始化模塊；（2）控制參數(shù)設(shè)定模塊；（3）控制參數(shù)設(shè)定模塊；（4）數(shù)據(jù)采集與顯示模塊；（5）故障監(jiān)測和報(bào)警模塊。
為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)采取了如下幾點(diǎn)重要的措施：（1）網(wǎng)絡(luò)采用非破壞性的總線仲裁，避免了各通信設(shè)備爭用總線而導(dǎo)致通信失敗和數(shù)據(jù)丟失的弊端。（2）采用CRC校驗(yàn)方式，使通信系統(tǒng)具有強(qiáng)有力的錯(cuò)誤偵測和糾正功能。（3）在線分網(wǎng)監(jiān)控，且互為備份。（4）采用“Watchdog(看門狗)”技術(shù)，保證系統(tǒng)在強(qiáng)干擾下不會(huì)出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象。（5）軟件中采用了數(shù)字濾波技術(shù)。
該系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線控制技術(shù)，并選用CAN式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，極大地提高了整個(gè)測控系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性。整個(gè)系統(tǒng)采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想，保證了系統(tǒng)的先進(jìn)性。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行一年來，性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，并為該企業(yè)創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
（本文來源：中國工控網(wǎng)）
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