基于CANopen的火花檢測(cè)和自動(dòng)滅火系統(tǒng)

　　在木材加工工業(yè)、食品加工工業(yè)、飼料加工業(yè)、紡織品工業(yè)、羽絨加工業(yè)和一些化學(xué)品工業(yè)的自動(dòng)化過(guò)程中普遍存在著較高的火災(zāi)和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。由電器或者機(jī)械設(shè)備引起的火花將導(dǎo)致陰火和粉塵爆炸，從而危害到下游設(shè)備比如過(guò)濾器或者存儲(chǔ)容器的安全。如果這些火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)不被及時(shí)的發(fā)覺(jué)并且處理，那么隨著原料的輸入將導(dǎo)致更大的設(shè)備損壞和人員危險(xiǎn)，進(jìn)一步將導(dǎo)致花費(fèi)巨大的設(shè)備停工期。

　　為了最小化這一風(fēng)險(xiǎn)，一種專用的火花消除控制系統(tǒng)被研發(fā)出來(lái)。一種專用的紅外線傳感器可以通過(guò)電壓導(dǎo)火裝置提早檢測(cè)出火花，在高速控制單元的協(xié)調(diào)下定向滅火裝置可以熄滅設(shè)備中的潛在火源。這樣，潛在的火源就不會(huì)繼續(xù)發(fā)展從而形成火災(zāi)。

　　系統(tǒng)方案

　　一旦檢測(cè)到火花，預(yù)編程的一系列處理過(guò)程將被自動(dòng)的觸發(fā)，比如：釋放滅火泡沫，關(guān)閉或者隔離管道，在情況危急的時(shí)刻，甚至可以關(guān)閉或者淹沒(méi)相應(yīng)的干燥或者過(guò)濾設(shè)備。

　　在滅火過(guò)程中，緊接著的過(guò)程就是高壓的水霧被噴射到粉塵區(qū)域。專用的噴嘴和高速閥使得注入水的劑量非常的精確。這一措施既保證了火源被準(zhǔn)確消滅同時(shí)又保證了整個(gè)設(shè)備不會(huì)被水浸泡。因此這一解決方案非常適用于連續(xù)性生產(chǎn)過(guò)程，避免了不必要的停工周期。

　　為了得到最優(yōu)的性價(jià)比以獲得較高的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，我們選擇了微控制器的解決方案來(lái)滿足較高的性價(jià)比。

　　盡管有著低成本嵌入式解決方案的資源限制，控制系統(tǒng)仍然需要滿足以下需求：

　　從火花檢測(cè)到反應(yīng)的時(shí)間小于1ms

　　高效的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以保證動(dòng)作的準(zhǔn)確

　　支持兩個(gè)獨(dú)立可操作的CANopen通訊接口

　　一個(gè)主控制器可以管理高達(dá)48個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊

　　為最終用戶提供IEC 61131-3兼容的開(kāi)發(fā)環(huán)境

　　集成的用戶自定義功能，可使用C代碼編程

　　可通過(guò)CANopen進(jìn)行編程和調(diào)試

　　CANopen SDO網(wǎng)關(guān)提供端對(duì)端和下位模塊通訊

　　控制過(guò)程參數(shù)的可視化

　　帶時(shí)間戳的日志系統(tǒng)和非易失性存儲(chǔ)用于保存危險(xiǎn)事件日志

　　數(shù)據(jù)采集模塊的主要任務(wù)就是要連續(xù)的采集并且評(píng)估傳感器數(shù)據(jù)，并在檢測(cè)到潛在危險(xiǎn)火源的情況下初始化滅火過(guò)程。這一模塊需要實(shí)現(xiàn)一種專用的電路既能夠保證高速的數(shù)據(jù)采集又能夠保證穩(wěn)定的及時(shí)檢測(cè)出短路和斷路。

　　傳感器數(shù)據(jù)被設(shè)備固件中的一個(gè)特殊的用戶任務(wù)程序進(jìn)行周期性檢測(cè)評(píng)估。由于這一任務(wù)的安全性要求，這一任務(wù)將獨(dú)立運(yùn)行在IEC 61131-3的運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)和PLC程序外。為了保證高速的響應(yīng)，用戶程序可以獨(dú)占的訪問(wèn)專用的輸入和輸出并且可以直接的操作這些I/O通道。為了進(jìn)一步的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和評(píng)估，全部的事件都被保存在非易失性存儲(chǔ)器中并且同時(shí)保存了時(shí)間戳信息。一個(gè)定制版本的高效實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)全部任務(wù)的管理，可以保證任務(wù)的巡檢周期小于1ms并且按照優(yōu)先級(jí)運(yùn)行相應(yīng)的任務(wù)。為了優(yōu)化任務(wù)的執(zhí)行速度，高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)將以C代碼實(shí)現(xiàn)并且被編譯為主CPU可以直接運(yùn)行的目標(biāo)代碼。我們使用相應(yīng)的UML工具來(lái)設(shè)計(jì)這些軟件組件，這一方法為整個(gè)內(nèi)部過(guò)程和數(shù)據(jù)流提供了較高層次的圖形化抽象模型。這些圖形化模型可以被直接轉(zhuǎn)化為C代碼，開(kāi)發(fā)人員節(jié)省了大量的精力和時(shí)間可以更加專注于系統(tǒng)的特定實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，并且節(jié)省了編碼出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)。

　　盡管用戶程序和PLC程序是單獨(dú)被執(zhí)行的，但是這兩部分代碼將通過(guò)OpenPCS開(kāi)發(fā)環(huán)境被一起下載到目標(biāo)硬件中。這一方式提供了一種簡(jiǎn)單的方法用于更新用戶程序而無(wú)需修改目標(biāo)系統(tǒng)的固件，并且用戶也可以下載不同的用戶程序而不用修改PLC程序。

　　盡管用戶程序和PLC程序是獨(dú)立運(yùn)行的，他們之間仍然需要必要的接口用于數(shù)據(jù)交換、事件通知和任務(wù)管理。因此我們定義了一段共享的地址空間用于過(guò)程數(shù)據(jù)的鏡像，這一段地址空間可以被兩個(gè)過(guò)程的程序訪問(wèn)。比如：PLC程序可以獲得事件通知并且可以將相應(yīng)的信息傳輸?shù)截?fù)責(zé)的主控制器處理。

　　在數(shù)據(jù)采集模塊和主控制器之間傳遞信息的最簡(jiǎn)單的方式就是使用我們稱作網(wǎng)絡(luò)變量的方法。這里，CANopen提供了相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)變量機(jī)制。CANopen的網(wǎng)絡(luò)變量提供了一種訪問(wèn)過(guò)程數(shù)據(jù)的方法，這一方法使得用戶無(wú)需關(guān)心通訊協(xié)議的底層機(jī)制。在PLC程序中，訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)變量和訪問(wèn)本地變量的方法是一致的。這樣，應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員就無(wú)需關(guān)心所使用的是本地開(kāi)關(guān)量輸出還是遠(yuǎn)程的單元。市面上有很多的CANopen配置工具可以用來(lái)簡(jiǎn)化CANopen的配置工作。CANopen的實(shí)現(xiàn)層既管理了信息的傳輸又管理了從CAN信息到網(wǎng)絡(luò)變量的自動(dòng)轉(zhuǎn)化過(guò)程。作為網(wǎng)絡(luò)變量的附加功能，專用的PLC功能模塊提供了對(duì)于CAN信息和CANopen服務(wù)(比如：SDO數(shù)據(jù)交換、狀態(tài)恢復(fù)、遠(yuǎn)程CANopen節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤信息)的直接訪問(wèn)。

　　C代碼的用戶程序和PLC程序中的CANopen函數(shù)功能塊都可以訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)變量。這使得用戶程序可以進(jìn)行遠(yuǎn)程CANopen節(jié)點(diǎn)的信息交換。用戶應(yīng)用程序可以通過(guò)本地的對(duì)象字典完成兩個(gè)CANopen實(shí)例的數(shù)據(jù)讀寫。

　　整個(gè)應(yīng)用的拓?fù)?/strong>是雙層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。每一個(gè)主控制器都具有兩個(gè)CANopen接口。其中一個(gè)CANopen接口連接叫做Line-Bus的總線，這是一個(gè)設(shè)備端的精簡(jiǎn)擴(kuò)展總線，通訊速率能夠達(dá)到1Mbps。Line-Bus能夠支持高速的信息傳輸用以滿足實(shí)時(shí)要求。在Line-Bus總線上主控制器可以管理高達(dá)48個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊。而且這一總線只接受數(shù)據(jù)采集模塊的接入。

　　第二個(gè)CANopen接口連接管理總線。這一總線連接所有的主控制器到控制臺(tái)?？刂婆_(tái)是這一火花檢測(cè)和滅火系統(tǒng)的核心部分。它負(fù)責(zé)記錄、分析并且存儲(chǔ)全部的事件。一旦發(fā)生報(bào)警和錯(cuò)誤信息，相應(yīng)的計(jì)數(shù)測(cè)量過(guò)程將被自動(dòng)啟動(dòng)。所有記錄的事件都可以被傳輸?shù)絇C以供

　　進(jìn)一步的詳細(xì)分析進(jìn)而評(píng)估火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)備或者生產(chǎn)過(guò)程的故障。控制臺(tái)還將記錄每一個(gè)獨(dú)立的火花發(fā)生信息，比如發(fā)生的時(shí)間、火花的數(shù)量、事件的持續(xù)時(shí)間以及火花發(fā)生的位置。按照時(shí)間順序排列的報(bào)警時(shí)間可以達(dá)到萬(wàn)分之一秒的精度。系統(tǒng)可以按照時(shí)間順序根據(jù)報(bào)警產(chǎn)生的原因、傳播范圍和影響進(jìn)行評(píng)估連接區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)。

　　管理總線的開(kāi)放式架構(gòu)可以使火花熄滅系統(tǒng)被靈活的改造以適應(yīng)不同的設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程。

　　為了便于管理和維護(hù)，編程PC可以通過(guò)管理總線直接訪問(wèn)主控制器。通過(guò)SDO傳輸，編程PC可以遠(yuǎn)程的向模塊中下載新的應(yīng)用程序。同時(shí)也支持在線的觀察和修改程序變量。因此全部的調(diào)試、測(cè)試以及初裝過(guò)程都變得非常的容易和方便。

　　為了在數(shù)據(jù)采集模塊上實(shí)現(xiàn)這種端到端的便捷訪問(wèn)，每一個(gè)主控制器都可以作為一個(gè)CANopen網(wǎng)關(guān)服務(wù)器。每一個(gè)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器都可以處理路由請(qǐng)求并且將SDO信息轉(zhuǎn)發(fā)到總線的相應(yīng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)上。

　　系統(tǒng)總結(jié)

　　這一特定的解決方案表明了即使低成本的嵌入式系統(tǒng)也可以在較低的資源限制下達(dá)到較高的系統(tǒng)要求。這一系統(tǒng)的成功關(guān)鍵是集成了高性價(jià)比的硬件和強(qiáng)大的帶有C代碼擴(kuò)展的PLC運(yùn)行時(shí)核心，因此系統(tǒng)即降低了成本又獲得了成熟產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)。