基于GPRS及CAN總線的遠(yuǎn)程電機(jī)群控制

引言

電機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，并且正向網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展。在復(fù)雜控制系統(tǒng)中，往往需要多臺(tái)電機(jī)同時(shí)進(jìn)行工作，如油田電機(jī)、礦山平臺(tái)、工業(yè)切割、電梯控制、農(nóng)業(yè)加工等。而電機(jī)往往安裝分散且工作于復(fù)雜的工作環(huán)境中，因此，遠(yuǎn)程控制不但有利于提高工作效率，改善工作環(huán)境，而且還可以大大提高安全系數(shù)。在許多調(diào)速過程中，由于過程的龐雜性(如電機(jī)數(shù)量眾多、傳動(dòng)要求高、時(shí)序復(fù)雜、地域分布分散等)使得控制設(shè)備變得龐大，對(duì)由大量電機(jī)組成的電機(jī)群傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)一體化管理及控制顯得尤為重要。

傳統(tǒng)的電機(jī)控制一般采用控制器與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一對(duì)一的控制模式，存在抗干擾能力差、可靠性低、控制線路復(fù)雜、可維護(hù)性差等缺點(diǎn)。近年來多電機(jī)群控技術(shù)和方法的研究多種多樣，多電機(jī)群控系統(tǒng)改進(jìn)側(cè)重點(diǎn)。一般為優(yōu)化控制方法和基于現(xiàn)場(chǎng)總線或遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制等。結(jié)合油田的生產(chǎn)實(shí)際，張?jiān)佨娫O(shè)計(jì)出了一套抽油機(jī)電機(jī)群控系統(tǒng)，采用分布式結(jié)構(gòu)，通過無線傳輸實(shí)現(xiàn)電機(jī)遠(yuǎn)程群控系統(tǒng)，用于檢測(cè)、保護(hù)和控制電機(jī)，以提高電機(jī)系統(tǒng)的可靠性和工作效率。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院在2006年針對(duì)電機(jī)群控系統(tǒng)提出了一種基于3層網(wǎng)絡(luò)的控制方法，從上到下分別為信息層、控制層和設(shè)備層。應(yīng)慧娟等在此基礎(chǔ)上研究了基于三層網(wǎng)絡(luò)的制粉廠生產(chǎn)線電機(jī)群控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備網(wǎng)上多臺(tái)電機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

目前，多電機(jī)群控技術(shù)仍然存在許多的問題和不足，比如，通信的可靠性與準(zhǔn)確性低、缺少電機(jī)工作環(huán)境參數(shù)的采集等。本文研究的基于GPRS及CAN總線的電機(jī)群控制系統(tǒng)，是將微控制器技術(shù)、CAN總線技術(shù)應(yīng)用于電機(jī)群的通信控制中，同時(shí)結(jié)合GPRS遠(yuǎn)程收發(fā)設(shè)備和計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成遠(yuǎn)程電機(jī)群的控制系統(tǒng)，以此來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控。CAN總線具有很高的安全性，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，能夠自動(dòng)脫離總線，能夠有效地提高通信的可靠性與準(zhǔn)確性;GPRS收發(fā)設(shè)備可以使任意具備發(fā)送短信功能的手機(jī)和其他GPRS收發(fā)設(shè)備隨時(shí)隨地對(duì)電機(jī)群的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制，具有很高的靈活性和便捷性，在保證了遠(yuǎn)程通信功能的同時(shí)提高了可靠性和穩(wěn)定性。

1 總體方案設(shè)計(jì)

參照中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院提出的三層網(wǎng)絡(luò)控制方法，本系統(tǒng)的信息層采用GPRS無線通信，控制層使用CAN總線通信，設(shè)備層使用RS485通信?？紤]到可靠性以及可拓展性，本系統(tǒng)采用一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信方式，以主控制節(jié)點(diǎn)作為主監(jiān)控，定時(shí)巡檢多個(gè)從控制節(jié)點(diǎn)，接收從控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送的電機(jī)信息數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲(chǔ)。通過這些數(shù)據(jù)信息，工作人員可以及時(shí)進(jìn)行判斷并作相應(yīng)的處理，通過主控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令給從控制節(jié)點(diǎn)，由從控制節(jié)點(diǎn)完成對(duì)電機(jī)的直接控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)置為分布式控制，即一個(gè)主控制節(jié)點(diǎn)，多個(gè)從控制節(jié)點(diǎn)。當(dāng)任何一個(gè)從控制節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，其他從控制節(jié)點(diǎn)不受影響，主控制節(jié)點(diǎn)與從控制節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行實(shí)時(shí)的雙向數(shù)據(jù)傳輸。

該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由三部分組成，分別為主控制部分(包含嵌入式觸控PC和主節(jié)點(diǎn))、電機(jī)部分(包含多個(gè)從節(jié)點(diǎn))和遠(yuǎn)程GPRS終端(遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn))。該系統(tǒng)總體效果示意如圖1所示。

2 主控制部分

主控制部分包含嵌入式觸控PC和主節(jié)點(diǎn)兩部分。嵌入式觸控PC為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制終端，用來實(shí)時(shí)顯示和控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。主節(jié)點(diǎn)作為嵌入式觸控PC、從節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程GPRS終端的連接點(diǎn)，接收嵌入式觸控PC和遠(yuǎn)程GPRS終端發(fā)來的電機(jī)狀態(tài)查詢、控制指令，下發(fā)至從節(jié)點(diǎn)，然后將從節(jié)點(diǎn)發(fā)來的電機(jī)狀態(tài)信息返回至嵌入式觸控PC和遠(yuǎn)程GPRS終端。

2.1 嵌入式觸控PC

嵌入式觸控PC型號(hào)為藍(lán)海微芯LJD—eWin7000，這是一款基于WinCE操作系統(tǒng)下的控制平臺(tái)，它擁有32位ARM920T高速處理器內(nèi)核，主要用于系統(tǒng)平臺(tái)上的人機(jī)界面。使用VS2 005中C#語言作為開發(fā)工具，包含監(jiān)控界面(是這個(gè)電機(jī)群控系統(tǒng)的控制終端)，可以實(shí)時(shí)顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速及溫濕度、記錄報(bào)警狀態(tài)、設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速以及報(bào)警參數(shù)。

2.2 主節(jié)點(diǎn)

主節(jié)點(diǎn)原理框圖如圖2所示。一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可以連接多個(gè)從節(jié)點(diǎn)，可以對(duì)每個(gè)從節(jié)點(diǎn)所連接的電機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定、啟停控制操作，與此同時(shí)可實(shí)現(xiàn)單臺(tái)和多臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)保存、查詢等功能，便于保存信息和自動(dòng)化管理。主節(jié)點(diǎn)的通信模塊通過RS232通信接口連接GPRS無線通信模塊，以及嵌入式觸控PC來實(shí)現(xiàn)信息傳輸。GPRS無線通信模塊用來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)發(fā)送，接收其他GPRS模塊或者具有短信發(fā)送功能手機(jī)等指令請(qǐng)求終端發(fā)送的查詢、控制信息，GPRS無線通信模塊將接收到的信息發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行判斷和解析并作相應(yīng)回復(fù)，最終通過GPRS無線模塊將數(shù)據(jù)信息返回至發(fā)送指令請(qǐng)求的設(shè)備終端。

嵌入式觸控PC作為操作員現(xiàn)場(chǎng)操作的人機(jī)交互界面，實(shí)時(shí)顯示各個(gè)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，包括轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、報(bào)警參數(shù)等信息。交互界面上包含參數(shù)設(shè)置以及控制按鈕，可以方便操作人員現(xiàn)場(chǎng)對(duì)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的同時(shí)有效地進(jìn)行啟停與轉(zhuǎn)速控制。

2.2.1 主節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

主節(jié)點(diǎn)電路的核心部件為STM32F103VET微控制器，便于數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等現(xiàn)場(chǎng)總線連接監(jiān)控，其抗干擾能力強(qiáng)、精度高、工作性能穩(wěn)定可靠。在原有的電機(jī)控制環(huán)節(jié)中增加STM32微控制器，同時(shí)增加了對(duì)外通信的CAN總線接口，用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳送，上傳電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息的同時(shí)接收嵌入式觸控PC的控制命令。CAN總線控制器采用CTM8 251T，這是一款帶隔離的通用CAN收發(fā)器芯片，CANG引腳為隔離電源輸出地。因此電路中不再需要光耦、DC/DC隔離器等隔離器件。

2.2.2 主節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

主節(jié)點(diǎn)通過3個(gè)對(duì)外接口來接收從節(jié)點(diǎn)上傳的電機(jī)信息和嵌入式觸控PC發(fā)出的控制信息，同時(shí)向嵌入式觸控PC發(fā)送狀態(tài)信息和從控制器發(fā)送詢問、控制等信息，圖3為主節(jié)點(diǎn)程序流程圖。

GPRS中斷函數(shù)用來發(fā)送和接收GPRS遠(yuǎn)程命令及狀態(tài)信息;上位機(jī)中斷函數(shù)用來接收嵌入式觸控PC發(fā)出的控制命令;CAN中斷函數(shù)用來接收從板上傳的電機(jī)狀態(tài)信息以及控制命令后的響應(yīng);TIM2計(jì)時(shí)中斷函數(shù)用來集中處理GPRS、嵌入式觸控PC發(fā)出的命令，包括解析與下發(fā)對(duì)應(yīng)的控制命令到目的從節(jié)點(diǎn)。

2.2.3 主節(jié)點(diǎn)應(yīng)用層數(shù)據(jù)格式定義

通過對(duì)系統(tǒng)功能分析發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)通信需要傳遞的變量主要有從節(jié)點(diǎn)地址、電機(jī)狀態(tài)、電機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度值以及濕度值。依據(jù)功能可將數(shù)據(jù)類型分為詢問指令、電機(jī)設(shè)置指令、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置指令、急停指令、應(yīng)答信息以及報(bào)警信息。以嵌入式觸控PC與主控制板之間RS 232通信為例，其通信數(shù)據(jù)格式如表1所列，主要包括起始、結(jié)束、變量數(shù)值以及CRC校驗(yàn)。主節(jié)點(diǎn)與GPRS遠(yuǎn)程收發(fā)模塊之間的RS 232通信、GPRS遠(yuǎn)程收發(fā)模塊之間的短信通信以及主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)之間的CAN總線通信，其數(shù)據(jù)類型與通信協(xié)議基本相同，在此不再贅述。

3 電機(jī)部分

電機(jī)部分包含多個(gè)從節(jié)點(diǎn)，接下來分別從硬件和軟件兩個(gè)方面來說明從節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

3.1 從節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

與主節(jié)點(diǎn)類似，從節(jié)點(diǎn)的微控制器同樣選用STM32F103VET6，從節(jié)點(diǎn)原理圖如圖4所示。溫濕度傳感器對(duì)工作現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行溫度和濕度情況進(jìn)行信息采集，其串行數(shù)據(jù)通信接口直接連接微控制器的I/O引腳。從節(jié)點(diǎn)通過RS485總線定時(shí)向變頻器發(fā)送電機(jī)狀態(tài)詢問指令，收到變頻器回復(fù)后將電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)(轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速)存儲(chǔ)至Flash芯片。如果收到CAN總線上來自主節(jié)點(diǎn)的詢問請(qǐng)求，則返回電機(jī)狀態(tài)信息。如果收到的是主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制命令，則將設(shè)定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向下發(fā)至變頻器，同時(shí)應(yīng)答主節(jié)點(diǎn)的控制指令。

3.2 從節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

從節(jié)點(diǎn)通過與變頻器的通信來實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向的控制，通過CAN總線接收主板下發(fā)的控制命令并且返回狀態(tài)信息(包括電機(jī)轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、溫度、濕度、報(bào)警狀態(tài))，圖5為從節(jié)點(diǎn)程序流程圖。

4 系統(tǒng)調(diào)試

通過對(duì)兩個(gè)三相異步電機(jī)Y80L-2測(cè)試發(fā)現(xiàn)，本方案能夠通過現(xiàn)場(chǎng)嵌入式觸控PC終端的軟件界面、連接GPRS通信模塊的上位機(jī)和任意能夠發(fā)送短信的手機(jī)這3種途徑來實(shí)現(xiàn)對(duì)多電機(jī)信息(包括電機(jī)轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、現(xiàn)場(chǎng)溫度、濕度)的采集，以及電機(jī)轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、報(bào)警溫度、報(bào)警濕度的現(xiàn)場(chǎng)及遠(yuǎn)程的監(jiān)測(cè)和控制。圖6為嵌入式觸控PC控制終端顯示界面，圖7為遠(yuǎn)程GPRS設(shè)備終端上位機(jī)界面。

結(jié)語

本文基于GPRS及CAN總線技術(shù)設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程電機(jī)群控制系統(tǒng)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況采用分布式結(jié)構(gòu)和無線數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了低成本、高效率的控制系統(tǒng)。無論是在電機(jī)工作的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，還是工作人員的辦公室或者是任何其他地方，工作人員都可以實(shí)時(shí)獲得電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)并且對(duì)其進(jìn)行控制。這極大地提高了操作的便捷性、降低了控制的復(fù)雜性。

為了得到更好的控制效果，還可以加入先進(jìn)的控制算法。此系統(tǒng)開放靈活，易于擴(kuò)展和改造，可以將其廣泛地應(yīng)用到實(shí)際工業(yè)場(chǎng)合，解決許多工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)問題，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。