基于CAN總線的分布式鋁電解控制系統(tǒng)

關(guān)鍵詞：CAN總線 電解槽 槽控機(jī)

鋁電解生產(chǎn)計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的形成和發(fā)展，已由早期的集中型發(fā)展到集散型，又進(jìn)一步發(fā)展到了分布式系統(tǒng)。集中控制采用單機(jī)群控技術(shù)，比較成功地解決了鋁電解生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用問題。為了對每臺鋁電解槽比較復(fù)雜的控制進(jìn)行解析、響應(yīng)現(xiàn)場實時性強(qiáng)的多種操作、控制程序多任務(wù)調(diào)度等，同時也為了解決集中控制的脆弱性、實時性差等問題，需要對鋁電解槽實施分布式控制方案?，F(xiàn)在分布式控制已成為鋁行業(yè)計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。為此，本文介紹鋁行業(yè)比較先進(jìn)的基于CAN總線的分布式鋁電解控制系統(tǒng)。

1 鋁電解生產(chǎn)工藝控制要求

鋁電解生產(chǎn)系列是由多臺串聯(lián)式直流鋁電解槽組成。計算機(jī)數(shù)據(jù)采集信號為每臺電解槽槽電壓和系列電流，對電解槽的監(jiān)控主要是槽電壓和氧化鋁濃度。槽電壓控制是采用帶電流補(bǔ)償?shù)牟垭娮钄?shù)學(xué)模型控制算法，即調(diào)節(jié)槽電壓，主要控制槽內(nèi)的能量平衡；對于氧化鋁濃度的控制，由于該濃度無法直接測定而無法建立精確的數(shù)學(xué)模型。但是它和槽電阻的變化有一定的對應(yīng)關(guān)系，為此采用模糊控制算法控制氧化鋁濃度，即打殼下料，主要控制槽內(nèi)的物料平衡。

2 CAN總線簡述

CAN總線即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，是由德國Bosch公司為汽車的監(jiān)測和控制系統(tǒng)而設(shè)計的總線式串行通訊網(wǎng)絡(luò)，適用于工業(yè)過程控制主設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備之間的互聯(lián)。CAN可以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點均可主動向其它節(jié)點發(fā)送信息；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可按系統(tǒng)實時性要求分成不同的優(yōu)先級，一旦發(fā)生總線沖突，會減少總線仲裁時間。CAN采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀為8個字節(jié)，保證了數(shù)據(jù)的出錯率極低，被公認(rèn)為最有發(fā)展前途的現(xiàn)場總線之一。其傳輸介質(zhì)可用雙絞線、同軸電纜或光纖，通訊速率最高達(dá)1Mbps，傳輸距離可達(dá)10km。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由智能槽控機(jī)、監(jiān)控計算機(jī)和CAN總線三部分構(gòu)成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。其中智能槽控機(jī)是直接而向生產(chǎn)過程的，主要功能是采集和控制現(xiàn)場數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)交換是通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)送到監(jiān)控計算機(jī)，監(jiān)控計算機(jī)由一臺工業(yè)控制PC機(jī)構(gòu)成，主要功能是對現(xiàn)場槽控機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)時獲取現(xiàn)場槽控機(jī)的數(shù)據(jù)；監(jiān)測系統(tǒng)異常和完成報表輸出等功能。CAN總線部分主要由智能（CAN-PC總線適配卡PC CAN、通訊介質(zhì)以及相應(yīng)通訊軟件組成。CAN接口卡是具有高性能價格比的智能通訊適配卡PCCAN，它使監(jiān)控計算機(jī)方便地連接到CAN總線上。PCCAN上高懷能的嵌入式微處理器80C188（12MHz)極大地減輕了主機(jī)PC的負(fù)擔(dān)，而且可以完成用戶復(fù)雜的通訊任務(wù)?？ㄉ嫌?KB或2KB高速雙口RAM，直接映射到主機(jī)內(nèi)存空間，實現(xiàn)CAN與主機(jī)PC的高速數(shù)據(jù)交換。PCCAN上帶有光電隔離，使其避免由于地環(huán)流而導(dǎo)致?lián)p壞，增強(qiáng)系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使用的可靠性。PCCAN上帶有可配置的Hilon協(xié)議及DOS、Windows驅(qū)動程序。

該系統(tǒng)采用的傳輸介質(zhì)為雙絞線，負(fù)載連接在CAN-H和CAN-L之間，終端匹配阻抗的值應(yīng)該等于信號線的特性阻抗值（約120）。如果電阻不匹配，有可能降低數(shù)據(jù)的有效傳輸。

3.1 智能槽控機(jī)的設(shè)計

槽控機(jī)以LG公司的GMS90C32單片機(jī)為核心而設(shè)計。該單片機(jī)為90年代產(chǎn)品，與Intel MCS-51系列單片同兼容。每臺槽控機(jī)由兩上機(jī)箱組成，分別為動力箱和邏輯箱。動力箱主要由常規(guī)控制電路和信號采集板組成，是槽控機(jī)的供電部分和控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。邏輯箱是槽控機(jī)的核心部分，其本質(zhì)是一臺功能復(fù)雜的專用計算機(jī)。邏輯箱的硬件結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。它主要由5塊均帶CPU的功能相對獨立的智能模擬組成。通過CAN總線聯(lián)接起來組成先進(jìn)的多CPU網(wǎng)絡(luò)體系。內(nèi)、外數(shù)據(jù)交換均基于CAN總線。各模板功能如下：

主板：主要對過程控制進(jìn)行解析

采樣模塊：主要完成槽電壓、系列電流的采樣

通訊模板；實現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換

操作模板：完成所有輸入/輸出操作

顯示模板：接受觸模開關(guān)的輸入信號，輸出運行信息

采用軟件模擬方式完成原來靠硬件電路實現(xiàn)的組合邏輯關(guān)系。其輸入手動信號采用無機(jī)械觸點和機(jī)械運動的觸摸式開關(guān)。

3.2 智能模板接口電路的設(shè)計

上述5塊智能模板，除通信模塊需增加CAN收發(fā)器（型號PCA82C250）以及其它模板有一些常規(guī)電路外，其核心主要由5部分組成。槽控機(jī)智能模板結(jié)構(gòu)圖見圖3。GMS90C32為單片機(jī)，屬總線型結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)應(yīng)用需要擴(kuò)展不同功能。X25045為監(jiān)測電路，它根據(jù)應(yīng)用需要擴(kuò)展不同功能。X25045為監(jiān)測電路，它把常用的三種功能即看門狗定時器、電壓監(jiān)控和EEPROM組合在單個封裝之內(nèi)。這種組合降低了系統(tǒng)成本并減小了電路板面積?？撮T狗定時器對單片機(jī)提供保護(hù)作用。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，在選定的超時時間之后，X25045的看門狗將以RESET信號做出響應(yīng)。利用X25045低Vcc檢測電路，可以保護(hù)系統(tǒng)使之免受低電壓的影響。當(dāng)Vcc降到最小Vcc轉(zhuǎn)換點以下時，系統(tǒng)復(fù)位。復(fù)位一直到Vcc返回規(guī)定值穩(wěn)定為止。X25045的存儲器是CMOS的4K位EEPROM。PSD311為可編程單片機(jī)通用外圍接口芯片，該芯片將EPROM、RAM、PAD、地址鎖存器和I/O口集成在單一的芯片上中，取代了傳統(tǒng)的分散器件，使設(shè)計者不再考慮由離散器件構(gòu)成所需的存儲器譯碼電路、端口和地址鎖存器。SJA1000為CAN通信控制器，是CAN總線接口電路的核心，主要完成CAN的通訊協(xié)議。SJA1000的復(fù)位/RST和中斷/INT分別由CMS90C32的P13、/INT0引腳控制；與CAN總線接口主要由TX0和RX0引腳實現(xiàn)；片選信號/CS由PSD311 PC0口控制。PCA82C250為CAN收發(fā)器，主要功能是提高CAN總線的保護(hù)和驅(qū)動功能；TXD和RXD引腳分別用于發(fā)送和接收信號。

3.3 CAN通訊軟件設(shè)計

CAN設(shè)計的三層結(jié)構(gòu)模型為：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)物理層和數(shù)據(jù)鏈數(shù)層的功能由CAN接口器件完成，包括硬件電路和通訊協(xié)議兩部分。CAN通訊協(xié)議規(guī)定了四種不同用處的網(wǎng)絡(luò)通訊幀，即數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯誤指示幀和超載幀。CAN通訊協(xié)議的實現(xiàn)，包括各種通訊幀的組織和發(fā)送，均是由集成在SJA1000通訊控制器中的電路實現(xiàn)的，因此系統(tǒng)的開發(fā)主要在應(yīng)用層軟件的設(shè)計上。應(yīng)用層軟件的核心部分是CPU與SJA1000通訊控制器之間的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送程序，即CPU把待發(fā)的數(shù)據(jù)發(fā)給SJA1000通訊控制器，再由SJA1000通訊控制器發(fā)到總線上；當(dāng)SJA1000通訊控制器從總線接收到數(shù)據(jù)后，CPU再把數(shù)據(jù)取走。首先，應(yīng)對SJA1000中的有關(guān)控制寄存器寫入控制字，進(jìn)行初始化。之后，CPU即可通過SJA1000接收/發(fā)送緩存區(qū)向物理總線接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用中斷方式實現(xiàn)CAN的通訊過程，其中斷服務(wù)程序流程圖見圖4.

在程序設(shè)計中，設(shè)置了DW、XW兩個標(biāo)志，這樣CPU不通過SJA1000即可知道當(dāng)前數(shù)據(jù)收發(fā)情況，把高程序的執(zhí)行速度。

基于CAN總線的分布式鋁電解控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)對電解槽生產(chǎn)的高效控制，保證電解槽在新型工藝技術(shù)條件下的平穩(wěn)運行。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔，集成度、智能化程度高，安全可靠性高，結(jié)構(gòu)與功能可擴(kuò)展性好，且易于操作與維護(hù)。CAN總線性能優(yōu)越，可廣泛應(yīng)用分布式控制系統(tǒng)。