CAN總線在張緊器驅(qū)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

作者：時(shí)間：2009-10-15 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

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鋪管船用張緊器是海底油氣管道鋪設(shè)的關(guān)鍵配套設(shè)備，由夾緊系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)組成，我國(guó)從上世紀(jì) 90年代開始鋪管船用張緊器的研究， 1998年完成勝利油田灘海鋪管船用張緊器項(xiàng)目，2007年開始深水鋪管張緊器的研究。張緊器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由上下兩套履帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成，在灘海鋪管船用張緊器中，采用上下兩履帶各用兩個(gè)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的方式來(lái)輸送管線，但深水鋪管的張緊力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于灘海鋪管所需的張緊力，若采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，則進(jìn)出油管直徑較大，由泵站到馬達(dá)的管路設(shè)計(jì)、布置難度大。相對(duì)而言，電機(jī)安裝方便、控制方式簡(jiǎn)單，所以采用四個(gè)交流伺服電機(jī)代替液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)張緊器。張緊器在工作過(guò)程中上下履帶同步運(yùn)動(dòng)，并確保管線的張力在一定范圍內(nèi)，這就要求監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)交流伺服電機(jī)的控制信號(hào)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、同步性好的特點(diǎn)，同時(shí)，鋪管船總控制室與張緊器距離約 150m，要求監(jiān)控系統(tǒng)在信號(hào)傳輸過(guò)程中有良好的抗干擾能力。本文通過(guò)分析 CAN總線特點(diǎn)，將 CAN總線技術(shù)應(yīng)用于張緊器驅(qū)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中。 CAN總線技術(shù)為張緊器驅(qū)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)提供了一個(gè)實(shí)時(shí)可靠的信息交互網(wǎng)絡(luò)，解決了傳統(tǒng) I/O模塊多，干擾嚴(yán)重、系統(tǒng)軟件復(fù)雜、硬件兼容性差等問(wèn)題，提高了信號(hào)傳輸實(shí)時(shí)性和可靠性, 便于安裝、調(diào)試和維護(hù)。 1 CAN總線的特點(diǎn)及應(yīng)用
CAN作為一種串行總線, 特別適用于含有一群智能設(shè)備的系統(tǒng)或子系統(tǒng)中，總線上任一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可在任一時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，而從不分主從，通信靈活，總線上的節(jié)點(diǎn)可分為不同的優(yōu)先級(jí)，可以滿足不同的實(shí)時(shí)要求。采用非破壞性總線仲裁，當(dāng)兩節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、通信速率快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、互操作性好、總線協(xié)議具有完善的錯(cuò)誤處理機(jī)制、靈活性高和價(jià)格低廉等特點(diǎn)，在工業(yè)測(cè)控和工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景。
在歐美等國(guó)，CAN總線已被廣泛地應(yīng)用于汽車、火車、輪船、機(jī)器人、智能樓宇、機(jī)械制造、數(shù)控機(jī)床、各種機(jī)械設(shè)備、交通管理、傳感器、自動(dòng)化儀表等領(lǐng)域。
在國(guó)內(nèi)，CAN總線技術(shù)被大量地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)監(jiān)控、電廠測(cè)控、火災(zāi)報(bào)警、變電站控制、煤炭綜合監(jiān)控等。 2張緊器驅(qū)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)
電機(jī)驅(qū)動(dòng)上、下履帶運(yùn)動(dòng)，在摩擦力的作用下拖動(dòng)管線運(yùn)動(dòng)，正常鋪管速度為 30m/min，但在鋪管過(guò)程中，受風(fēng)浪影響，當(dāng)船上升時(shí)，管線將承受很大拉力，當(dāng)拉力超過(guò)昀大許用拉力值 Fmax時(shí)，造成管線破壞或使鋪管船定位錨走錨造成事故；當(dāng)船下降時(shí)，管線承受拉力減小，若拉力值小于昀小拉力值 Fmin時(shí)，管線將承受很大彎曲應(yīng)力，該應(yīng)力將超過(guò)管線材料的屈服極限，從而引起管線產(chǎn)生塑性變形。這就要求管線在鋪設(shè)過(guò)程中受張緊力 F范圍為： FminFFmax。所以電機(jī)在工作過(guò)程中除驅(qū)動(dòng)履帶進(jìn)行正常鋪管外，還應(yīng)在船上升時(shí)快速放管，船下降時(shí)放慢鋪管速度直至停止或者收管，時(shí)刻保持張緊力在規(guī)定范圍內(nèi)。
驅(qū)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的監(jiān)控為實(shí)時(shí)過(guò)程，通過(guò)采集張緊力、電機(jī)轉(zhuǎn)速等信息，實(shí)時(shí)控制電機(jī)的運(yùn)行，且四個(gè)交流伺服電機(jī)具有良好的同步性。監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1所示

單片機(jī)與 CAN總線連接方式有兩種：片外連接和片內(nèi)集成。傳統(tǒng)的方式是將 CPU與 CAN總線控制器和總線收發(fā)器相連后再接入總線網(wǎng)絡(luò)，這樣使 CPU外圍電路復(fù)雜化，整個(gè)系統(tǒng)受外部影響較大。因此本系統(tǒng)選用其中以 Silicon Laboratories公司的 C8051F040型單片機(jī)，它在一塊芯片上集成了 64KB Flash、4352B RAM、CAN控制器 2.0、2個(gè)串行接口、 5個(gè) 16位定時(shí)器、 12位 A/D轉(zhuǎn)換器、8位 A/D轉(zhuǎn)換器及 12位 D/A轉(zhuǎn)換器等。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在 CAN控制器引腳 CANTX、CANRX和收發(fā)器 PCA82C250之間并不是直接相連，而是通過(guò)由高速光耦 6N137構(gòu)成隔離電路后再與 PCA82C250相連[9]，這樣可以很好的實(shí)現(xiàn)總線上各節(jié)點(diǎn)的電氣隔離。
為保護(hù) PCA82C250免受過(guò)電流沖擊，在其 CANH和 CANL引腳各自通過(guò)一個(gè) 5的限流電阻與 CAN總線相連，在 CANH和 CANL與地之間各聯(lián)一個(gè)瞬態(tài)電壓抑制二極管。為防止總線上的高頻干擾和電磁輻射，CANH和 CANL與地之間各自接一個(gè) 30pF濾波電容。硬件接口電路如圖 2所示。此外，操作員通過(guò)觸摸屏幕設(shè)置參數(shù)，通過(guò) LCD顯示器監(jiān)視系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)。電機(jī)控制單元采用：?jiǎn)纹瑱C(jī)―變頻器―交流伺服電機(jī)的控制方式，信號(hào)通過(guò) CAN總線對(duì)變頻器進(jìn)行控制進(jìn)而控制電機(jī)的運(yùn)行狀況。

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