基于CAN總線的橡膠加工分布式計算機測控系統的設計與實現
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企業：控制網
領域：PLC /PAC/PCC/RTU
行業：制藥/醫療
- 點擊數：1250 發布時間：2008-01-08 10:44:46
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為了提高橡膠加工廠的生產工藝執行率，強化工藝管理，便于現場檢查工藝參數，利于企業推行企業計算機集成制造系統CIMS、企業管理信息系統MIS和貫徹ISO9000～9002質量標準，我們為某橡膠加工廠設計一套基于CAN總線的橡膠加工過程的分布式計算機測控系統。整個計算機測控系統由4個工程師站和13個現場控制站點組成，整個測控系統以Windows9x為操作平臺，采用CAN總線網絡結構。整個系統已平穩運行一年，運行良好。
橡膠加工廠一般均設有：配合劑稱量、混煉、硫化、修補等工段，其中最為關鍵的兩個工段為稱量和硫化工段。現在，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、橡膠硫化生產過程采用計算機控制是十分必要的。整個計算機控制過程主要是硫化溫度的采集、控制，在溫度控制時，加入數字增量PID調節功能。
根據橡膠加工廠的特點,整個系統應具有工藝流程畫面顯示、曲線趨勢圖顯示、數據存儲、實時故障報警及報表打印、歷史數據查詢、配方更改、工藝流程更改等功能。為了使整個分布式測控系統能安全、可靠、高性能地運行，同時考慮用戶將來的擴展需要，整個系統采用如下設計思路：
(1)系統采用三級分布式結構網絡,由工程師管理站和現場測控站點構成。工程師管理站對其所監控的分現場測控站進行管理和調度，通過熱鍵切換，也可對整個分布式測控系統中的各個現場測控站進行統一管理和調度。各個現場測控站分管若干個現場輸入/輸出（I/O)單元，且相互之間獨立，共同完成各個現場測控站點的數據采集、控制及通信功能,從而可以保證系統在某一個現場I/O單元或某一現場測控站出現故障時不出現失控現象。
(2)現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（Ethernet），以備將來與Internet網互聯。
(3)系統采用總線式的現場通信網絡，它具備多主協議、通信速率高、實時能力、錯誤糾正、強噪聲抑制能力，同時，系統具備一定的擴充能力。
(4)硬件采用模塊化結構：現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，以使現場若發生故障時維修人員可以方便、快速地進行更換，而不影響正常的生產。
根據用戶需求，系統正常運行時，從信號采集和控制流程看，本系統分為4個獨立的部分：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；成品修補工段分站。其中每個部分設1臺工程師站對本站進行數據采集和控制。同時要求四部分的工程師站能互為備份，當某一臺工程師站出現故障時，通過熱鍵切換，系統進入應急托管狀態，由其他3臺工程師站進行臨時托管。從適用性、先進性和系統低成本考慮，現場總線采用CAN(控制器區域網)總線[2] [3]，它是一種廣泛應用于工業自動化領域的先進的現場總線，具有以下顯著特性：
它是一種高速串行總線，具備多主協議，網上任意兩個接點都可以直接交換數據。
具備實時能力。CAN網通過非破壞性的位總線仲裁技術來處理多接點同時訪問網絡的沖突，從而滿足實時性的需要，也保證不丟失數據和損失帶寬。
廣播式數據通訊。采用CSMA/CD協議進行總線控制及數據通信，當節點往網上發送數據時，其他所有節點都同時收到數據。
高傳輸可靠性
CAN特別適合于網絡化智能設備，滿足ISO11898，傳輸速率可達1Mbps，傳輸距離1000m，傳輸方式和介質為差分電壓和雙絞線。驅動器/接受器為64/64，經CAN總線擴展器可擴充到256個。
工程師站
根據用戶的需求，本方案選用臺灣研華公司的工控機IPC610P，其主頻為233MHz。為適應總線需求，在工控機內配置一塊研華PCL841雙通道隔離式CAN總線卡。它支持工控機與CAN網的聯接及通訊，傳輸速率最大為1Mbps。比工控機通過RS-232經ADAM4525再上CAN網的通訊速率大大提高。 現場智能單元
現場智能單元采用研華產品ADAM5000/CAN，它主要用來做獨立的數據采集控制，可通過其CAN網接口與上位機通信，特別適合應用于現場總線式的數據采集場合。ADAM5000/CAN內置16位微處理器，具有4個模塊插槽（支持64個I/O點），內置CAN口。具有足夠的現場響應能力和I/O 處理能力。同時支持現場站點直接與CAN接口(可選DeviceNET或CANopen協議），且自帶軟硬件自檢和看門狗。
ADAM5000/CAN使用中斷方法完成狀態改變功能，在狀態改變功能時，僅當數據改變時才產生數據，數據然后廣播到網上的所有設備，計算機或控制器在事件發生的同時接收數據。
現場I/O模塊
現場I/O模塊采用ADAM5000系列，它具有體積緊湊、符合現場總線的趨勢，其數據采集、模擬輸出以及數字I/O等3種不同的數據采集，使現場I/O設備容易構成計算機應用網絡。具有系統設計靈活、易于安裝和組網、適合于工業現場環境、支持的軟件豐富等特點。
現場I/O 模塊根據現場的實際控制需要，分為模擬輸出模塊、模擬輸入模塊、數字輸入模塊、數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），數字量輸出：ADAM5056（16通道)，數字量輸入：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
現場過程信號采集及監控流程由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、成品修補工段分站控制流程，4個工段由相應的工程師站管理。每個工段又分為若干個現場站點，每個現場站點又實時監控若干個現場I/O單元，形成四級管理。
數據采集監控流程為：每個現場I/O單元實時變送相應的現場環境參數，現場測控站點ADAM5000/CAN實時采集所屬的現場I/O單元的數值，然后ADAM5000/CAN將一些重要的數據通過CAN總線上報到工程師站，工程師站根據實時監測到的各種模擬信號以及數字量進行邏輯判斷、實時處理后，形成歷史數據，實時報警、實時顯示各現場測控站點的運行狀態，同時，產生必要的控制參數，再通過CAN總線傳輸到現場站點ADAM5000/CAN，現場站點ADAM5000/CAN再分別通過數字輸出模塊和模擬輸出模塊實時控制相應的現場執行機構，以調整現場的工作環境。
為了用戶操作方便，需要畫面顯示、曲線趨勢圖顯示、數據存儲、實時故障報警及報表打印等功能，因此，在軟件設計時，采用組態式設計方法。應用軟件采用Windows視窗技術，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。應用軟件采用現場總線的通信協議，具有多主、實時、高可靠性、較低的系統硬件成本等優點，使應用軟件可在環境較為惡劣的工作現場中穩定運行，降低了整個網絡的風險性。
軟件功能
工程師站完成相應工段分網的檢測、控制及管理任務，作為工程師的工具，使分網能夠低耗、安全運行，其主要功能有：（1)巡檢、存儲并實時顯示分網的運行參數，使工程師能夠隨時查看到分網的實時和歷史數據，從而對分網進行統一的檢測和管理。（2)根據分網實時參數，分析運行工況、及時發現分網出現的各種異常現象，分析系統可能出現的故障，并及時顯示報警。（3）隨時打印各種報表和記錄，包括：報警打印、報表定時打印、操作記錄打印。（4）各種信息顯示，包括：日期、時間顯示，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、簡單實用的報表處理系統；（6）各種先進控制算法及其參數的自整定。
現場站點的功能包括：
數據實時采集、處理、顯示；
故障實時報警、顯示；
現場設備實時監控；
軟件模塊
為了使系統具有畫面顯示、曲線趨勢圖、數據存儲、實時故障報警及報表打印的功能，軟件分為，二級工程師站的應用程序和現場站點的應用程序，其中：二級工程師站的應用程序有以下幾個大的功能模塊：（1）初始化模塊；（2）控制參數設定模塊；（3）通信模塊；（4）數據采集模塊；（5）現場/遠程控制模塊；（6）數據記錄、查詢以及報表打印模塊；（7）故障診斷報警模塊；（8）生產工藝流程畫面顯示模塊。
現場站點的應用程序有以下幾個大的功能模塊：（1）初始化模塊；（2）控制參數設定模塊；（3）控制參數設定模塊；（4）數據采集與顯示模塊；（5）故障監測和報警模塊。
為保證系統穩定運行，系統采取了如下幾點重要的措施：（1）網絡采用非破壞性的總線仲裁，避免了各通信設備爭用總線而導致通信失敗和數據丟失的弊端。（2）采用CRC校驗方式，使通信系統具有強有力的錯誤偵測和糾正功能。（3）在線分網監控，且互為備份。（4）采用“Watchdog(看門狗)”技術，保證系統在強干擾下不會出現死機現象。（5）軟件中采用了數字濾波技術。
該系統采用現場總線控制技術，并選用CAN式的網絡結構，極大地提高了整個測控系統的可靠性、實時性。整個系統采用先進的設計思想，保證了系統的先進性。整個系統運行一年來，性能穩定，運行可靠，并為該企業創造了一定的經濟和社會效益。
（本文來源：中國工控網）
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