基于CAN總線的變頻設(shè)備遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

概述：

近年來，隨著國家建設(shè)節(jié)約型社會的提出，對節(jié)能節(jié)電的重視程度越來越高，特別是加大了對國有企業(yè)中的大型用電設(shè)備的節(jié)能改造力度，變頻器在油田，煤礦，發(fā)電廠，鋼鐵廠等國有大型企業(yè)中的使用數(shù)量越來越多。特別是油田上，抽油機變頻器，潛油電泵變頻器，注水泵變頻器和加熱電源等電力電子設(shè)備在油田的大面積推廣使用。根據(jù)油田生產(chǎn)野外作業(yè)的特殊性----每個設(shè)備之間的距離比較遠，但又相對集中，所以基于各種現(xiàn)場總線的集中控制顯得越來越有必要。CAN總線在變頻設(shè)備的集中管理和控制上顯示了突出的優(yōu)勢，其超遠距離傳輸，和超強的抗干擾性是其他總線所不能比擬的。另外最重要的一點是在整個控制系統(tǒng)中，不分主從的組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，方便的增減通訊節(jié)點。

山東新風光電子科技發(fā)展有限公司的中、低壓變頻器和加熱電源性能穩(wěn)定，各種保護功能齊全，具有RS232和RS485通訊接口。到2007年6月份止，在大慶油田，勝利油田的使用總數(shù)數(shù)量超過700臺，其中勝利油田大概500臺左右，并且呈現(xiàn)快速上升的趨勢。另外新鄉(xiāng)制藥集團的發(fā)酵罐變頻器設(shè)備也有上百套。這對于同一品牌的變頻器在同一領(lǐng)域內(nèi)的市場占有率是相當高的。這就為基于CAN總線的遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)提供了很大的市場條件，也有了推廣的必要性。另外該系統(tǒng)對于同時擁有多臺變頻設(shè)備的生產(chǎn)現(xiàn)場都能靈活的應(yīng)用。

CAN總線介紹：

CAN使用的通訊協(xié)議是CSMA／CD協(xié)議（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）。網(wǎng)絡(luò)上的每個節(jié)點在向總線發(fā)送數(shù)據(jù)的時候總是要監(jiān)聽總線的狀態(tài)是否空閑，若檢測到?jīng)]有沖突，即總線處于空閑狀態(tài)，這時候每個節(jié)點向總線發(fā)送數(shù)據(jù)且每個節(jié)點的機會均等，既載波監(jiān)聽多路訪問。如果兩個節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點檢測到?jīng)_突，并做出相應(yīng)的無損仲裁處理。即在沖突以后，數(shù)據(jù)能保持不變,繼續(xù)監(jiān)聽總線，等待下一次發(fā)送。

CAN協(xié)議是一個基于消息格式的協(xié)議而不是完全基于節(jié)點ID的傳輸?shù)膮f(xié)議，廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼?；谶@種協(xié)議：消息的傳輸不只是按照地址從一個節(jié)點傳輸?shù)搅硪粋€節(jié)點，還可以實現(xiàn)組播和廣播。廣播時，系統(tǒng)中的每個節(jié)點都能接收總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并確認是否每個消息都能被正確的接收。同時每個節(jié)點都能判斷接收的數(shù)據(jù)是應(yīng)該被保存還是立刻丟棄。在CAN通訊過程中的錯誤檢測中主要包括：應(yīng)答錯誤，格式錯誤，位錯誤，填充錯誤。其中主要的錯誤狀態(tài)有錯誤激活，錯誤認可，總線關(guān)閉等。

CAN總線有以下特點：

(1)CAN可以是對等結(jié)構(gòu)，即多主機工作方式，

圖1系統(tǒng)拓撲圖

變頻器節(jié)點信息采集：

節(jié)點信息主要是指變頻器的各個運行參數(shù)以及運行狀態(tài)，風光變頻器常用的參數(shù)設(shè)置主要有：運行頻率，最高頻率，起始頻率，加速時間，減速時間，額定電流，V/F曲線選擇，開環(huán)/閉環(huán)設(shè)定，多段速設(shè)定，實際輸入電流、電壓，實際輸出電流、電壓，低頻補償；另外還有多種故障保護監(jiān)測：短路保護（瞬間電流超過額定電流的1.8倍），過流保護（電流超過額定電流的1.5倍并持續(xù)1Min），過壓保護（輸入電壓超出額定電壓的1.2倍），欠壓保護（輸入電壓低于額定電壓的0.8倍），溫升保護（變頻器內(nèi)部溫度高于75攝氏度），缺相保護，外部異常保護等等。

目前的采集方式有兩種：對于原來的機型主控芯片為N87C196MC，主控板的對外的通訊方式為RS485，所以在與CAN總線通訊是必須外加一個RS485－CAN的轉(zhuǎn)換電路。

圖2節(jié)點信息采集示意圖

隨著產(chǎn)品的升級換代，DSP的應(yīng)用使得通訊變得更加容易，TI公司的TSMLF2407A芯片上集成了CAN通訊接口，可以省略上面的電路。升級后的風光變頻器實現(xiàn)起來CAN總線通訊將會變得更加的簡單。

數(shù)據(jù)的傳輸與轉(zhuǎn)換：

數(shù)據(jù)在送到總線上后，要通過介質(zhì)傳輸，于CAN協(xié)議本身對差錯控制算法比較優(yōu)化，所以對介質(zhì)沒有很高的要求，就普通的雙絞線由就能夠達到10km的傳輸距離。但是考慮到變頻器運行和設(shè)備控制的絕對可靠性，我們在5km的傳輸范圍內(nèi)使用雙絞線，在超出5km時采用光纖作為中間傳輸介質(zhì)用來提高抗干擾能力。

CAN在傳輸?shù)娇刂朴嬎銠C時，必須外加一個電平轉(zhuǎn)換器來完成與主控計算機的數(shù)據(jù)交換，其轉(zhuǎn)換原理如圖2所示。另外這種轉(zhuǎn)換裝置在目前的市場上有比較成熟的產(chǎn)品，如圖3所示為周立功推出的轉(zhuǎn)換接口，使用起來對用戶來說基本上屬于透明設(shè)備，使用起來比較方便。

圖3 CAN-232轉(zhuǎn)換接口卡

人機界面：

監(jiān)控計算機的監(jiān)控程序配置有特定系統(tǒng)和通用型系統(tǒng)兩種，下面是一個通用型20套設(shè)備的集中監(jiān)控人機界面。整個人機界面系統(tǒng)包括兩個部分：設(shè)備監(jiān)測部分和設(shè)備控制部分。

若在系統(tǒng)中增加一個設(shè)備后，可以人為的為該設(shè)備設(shè)置一個設(shè)備號，并在系統(tǒng)中存儲，既啟用一個設(shè)備號。在系統(tǒng)移除一個設(shè)備后，可以刪除設(shè)備號，可以再重新利用。啟用后的設(shè)備編號為可操作編號，否則該編號不可操作。設(shè)備正常運行后，正常指示綠燈亮，出現(xiàn)異常，紅燈亮。

為方便操作，可以對整個系統(tǒng)中的多臺設(shè)備分成若干個控制組進行管理，在按組操作時，對該組中的所有設(shè)備同時做出相應(yīng)操作：開機，停機，緊急停機，參數(shù)設(shè)置，頻率調(diào)節(jié)等。可以同時查看該組中的共同的參數(shù)設(shè)置。雙擊設(shè)備號也可以按設(shè)備查看運行狀態(tài)和運行曲線，也可以方便的對單個設(shè)備進行各種操作。也可以對給系統(tǒng)中的全部設(shè)備同時操作。

圖4人機界面示意圖

結(jié)束語：

在整個系統(tǒng)中，設(shè)計本著靈活方便的原則，能夠適應(yīng)于多個工作現(xiàn)場的思想來設(shè)計的。硬件節(jié)點部分發(fā)生故障后，能夠在最短的時間內(nèi)把數(shù)據(jù)上傳。上位機也能實時的對各個設(shè)備進行觀測和控制，實現(xiàn)了遠程監(jiān)控的目的，方便了操作，增強了系統(tǒng)的可靠性，同時還節(jié)約了生產(chǎn)成本。