基于CANbus和SNMP的起重力矩監(jiān)控系統(tǒng)

1 概述

在工程機械的控制系統(tǒng)中，計算機技術(shù)、網(wǎng)絡通訊技術(shù)的應用日趨廣泛。CAN 總線由于其數(shù)據(jù)傳輸高可靠性和高實時性的特點，已經(jīng)成為工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸方式的事實標準之一，現(xiàn)已被廣泛應用于汽車、工業(yè)控制、智能樓宇、煤礦設備等各個行業(yè)的數(shù)據(jù)通訊。CAN 總線采用短幀報文結(jié)構(gòu)，實時性好，并具有完善的數(shù)據(jù)校驗、錯誤處理以及檢錯機制，此外CAN 總線節(jié)點在嚴重錯誤下會自動脫離總線，對總線通訊沒有影響^[1]。CAN 總線網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)收發(fā)、硬件檢錯均由CAN 控制器硬件完成，大大增強了CAN 總線網(wǎng)絡的抗電磁干擾能力，因此非常適用于對實時性、安全性要求十分嚴格的機械控制網(wǎng)絡。

SNMP 作為TCP/IP 協(xié)議族的一個子協(xié)議，是IEITF 研究小組提出的網(wǎng)絡管理解決方案之一，它作為一種簡潔而流行的網(wǎng)絡管理協(xié)議在工業(yè)界獲得了廣泛的應用。SNMP 網(wǎng)絡管理模型中的重要組成部分包括：網(wǎng)絡管理協(xié)議、管理端（Manager）、代理（Agent ）和管理信息庫（MIB）。其管理的基本思想是，通過管理端與代理之間的相互合作，以分布方式執(zhí)行網(wǎng)絡管理活動^[2]。管理端負責管理網(wǎng)絡中各種資源和設備，采用輪詢（polling ）或手動方式向遠程的代理發(fā)送Get（讀取）和Set（設置）請求命令，以獲取信息或?qū)嵤┛刂啤４眈v留在設備上，負責設備的實際管理和控制，響應和執(zhí)行管理端的管理命令，并且返回應答信息。MIB 存放被管對象資源的所有信息，管理端通過代理來讀取和設置MIB 文件中的變量值，以實現(xiàn)對被管理設備的監(jiān)控。每個網(wǎng)絡設備上的MIB 又由代理負責維護。SNMP 最大的優(yōu)點是協(xié)議簡潔，可擴展性強，只要將新的MIB 裝載在管理軟件上就可以實現(xiàn)對新的終端的控制與訪問。

起重力矩限制系統(tǒng)是起重機械運行中重要的安全保障裝置，其核心在于對規(guī)定動作執(zhí)行的精確度，這不僅有賴于傳感器和執(zhí)行器的精度，還有賴于數(shù)據(jù)采集信號和命令的執(zhí)行速度。比如起落桿的左右轉(zhuǎn)動角度信號，通過數(shù)據(jù)采集模塊將信號標準化，主控工控機接收到該信號后和預先設定的參數(shù)做比較，并根據(jù)偏差指揮左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)開關(guān)動作，并最終到位。傳統(tǒng)的起重力矩控制系統(tǒng)采用基于RS485 的信號傳輸，其通訊波特率僅為57.6Kbps ，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，電動機和其他大功率設備常常影響系統(tǒng)的正常運行。而采用CAN 總線傳輸信號則不僅提高系統(tǒng)的抗電磁干擾能力，而且可使通訊波特率大大提高?；?/span>SNMP 協(xié)議的遠程通信，傳輸距離不受限制，這相對于其他工業(yè)控制總線有不可比擬的優(yōu)勢。本文提出的方案結(jié)合應用CAN 總線和SNMP 協(xié)議的優(yōu)點，構(gòu)建遠程起重力矩監(jiān)控系統(tǒng)，現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸速率可高達500Kbps ，并具有硬件自動校驗和錯誤自動重發(fā)功能。該方案可以保障可靠、實時的數(shù)據(jù)傳輸和命令執(zhí)行，保障起重機械的安全運行。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與特點

在起重機工作現(xiàn)場，通過CAN 總線實現(xiàn)對各傳感器信號的采集以及對輸出裝置的控制，具有抗干擾能力強、可靠性高、實時響應性好，線纜少易敷設、成本低等優(yōu)點。現(xiàn)場工控機與遠程監(jiān)控計算機之間的通信采用Internet 作為媒介，使用基于SNMP 協(xié)議的遠程傳輸，進一步拓展了CAN 總線的優(yōu)勢。

現(xiàn)場起重機工作的角度、長度、壓力等信號由各類傳感器采集，輸入iCAN 數(shù)據(jù)采集模塊，經(jīng)過CAN 總線傳給現(xiàn)場工控機，并存儲在駐留工控機內(nèi)的MIB 文件中，供運行在遠程監(jiān)控計算機中的管理端軟件查詢調(diào)用。同時，各開關(guān)的狀態(tài)變量也存儲在該MIB 文件中，根據(jù)管理端發(fā)來的設置值變更成新值，再經(jīng)由現(xiàn)場CAN 總線網(wǎng)絡傳遞給輸出控制模塊以控制各開關(guān)的狀態(tài)，達到起重力矩遠程監(jiān)控的目的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

其中，iCAN-4017 AI 功能模塊具有8 路模擬量輸入通道，符合CAN2.0B 協(xié)議規(guī)范，用于采集傳感器的輸入信號，將輸入信號經(jīng)多路開關(guān)、AD 轉(zhuǎn)換后經(jīng)光耦隔離模塊，通過CAN 總線通訊將輸入的模擬量信號傳送給現(xiàn)場工控機^[3]。iCAN-2404 繼電器功能模塊有4 路具有自保持功能的繼電器輸出通道，它在工作時，工控機通過CAN 總線將輸出的繼電器控制數(shù)據(jù)傳送給該模塊，模塊通過光電隔離后輸出驅(qū)動繼電器，實現(xiàn)對上升、下降、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)開關(guān)的控制。

3 系統(tǒng)軟件工作原理及實現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件主要分為兩部分，其一是為了提取和設置CANbus 現(xiàn)場總線中的據(jù)，其二是基于SNMP 協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程通信。

       3.1 提取和設置現(xiàn)場總線中的數(shù)據(jù)

              為了對傳感器數(shù)據(jù)進行處理，實時獲取系統(tǒng)工作狀態(tài)，并對各執(zhí)行器進行相應的控制，我們利用iCAN 模塊附帶的函數(shù)庫在VC++開發(fā)平臺下編寫了相應的程序來通過各iCAN 模塊采集傳感器的信號，控制各開關(guān)的狀態(tài)。iCAN 主站函數(shù)庫以動態(tài)鏈接庫（DLL）的形式提供，內(nèi)部封裝了iCAN 協(xié)議，屏蔽訪問控制細節(jié)，提供對現(xiàn)場總線iCAN 網(wǎng)絡中設備訪問的接口^[3]。通過調(diào)用此函數(shù)庫，可以使PC-CAN 主站卡和iCAN 從站模塊進行通訊，完成工控機與現(xiàn)場總線上各節(jié)點設備之間的信息交換。

    3.2      基于SNMP 協(xié)議的通信實現(xiàn)

為了基于SNMP 協(xié)議在遠程監(jiān)控計算機與現(xiàn)場工控機之間進行通信，需要開發(fā)兩部分的程序，即管理端程序和代理程序。管理端程序運行在遠程監(jiān)控計算機中，代理程序駐留在與現(xiàn)場CAN 總線相連的工控機上，代理中還包括管理信息庫MIB，MIB 存儲被管理對象的信息，包括角度、壓力數(shù)據(jù)，各開關(guān)的開閉狀態(tài)等。管理端以輪詢方式向遠程的代理發(fā)送Get（讀?。┖?/span>Set（設置）請求命令，以獲取角度、長度和壓力信息或?qū)嵤╅_關(guān)控制。代理將根據(jù)請求的內(nèi)容從本地 MIB 中提取所需信息，并以響應報文方式將結(jié)果回送給管理端。具體地，它一方面不斷地檢查本地的狀態(tài)，更新MIB 庫中的變量值；另一方面，循環(huán)偵聽管理端的請求報文，并作出相應的響應，讀取或修改 MIB 中的變量值，將結(jié)果返回給管理端。通信交互過程如圖2 所示^[4] 。

 圖2 管理端與代理的通信交互過程

（1）Get 操作

管理端向代理發(fā)送Get 請求，要求返回壓力、角度等數(shù)據(jù)。代理接受請求后，對PDU 進行解析處理，并調(diào)用相應的子功能模塊，從MIB 文件中讀出“壓力”、“角度”、“長度”等變量的值，然后代理調(diào)用編碼模塊，將這些數(shù)據(jù)打包成相應的PDU 發(fā)送給管理端作為對Get 請求的響應。管理端接收到相應數(shù)據(jù)后，將它們與預先設定的參考值作比較，根據(jù)實際值與設定值之間的偏差，判斷起重力矩是否超過限制，并據(jù)此發(fā)出相應的開關(guān)控制命令。

（2）Set 操作

Set 請求的原理與Get 類似，不過是將某一新的值寫給相應的變量，而不是讀，從而實現(xiàn)對被管理設備的控制。在該系統(tǒng)中，管理端向代理發(fā)送Set 請求，以設置各開關(guān)的狀態(tài)變量。代理接受請求后，向MIB 文件中寫入各“開關(guān)”變量的新值，并通過現(xiàn)場的CAN 總線傳遞給輸出控制模塊來控制上升、下降、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)開關(guān)的動作。

3.3 MIB 的編寫

MIB 是有關(guān)被管理目標對象的數(shù)據(jù)庫，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)呈樹形。本系統(tǒng)中的MIB 文件存儲了現(xiàn)場傳感器采集的各種信號以及開關(guān)的狀態(tài)，通過讀取和設置這些MIB 對象的值，管理端完成監(jiān)測和控制。MIB 文件編寫中最關(guān)鍵的一點是確定要定義的變量。在該系統(tǒng)的MIB 設計中定義的變量如表1 所示。

表1 遠程起重力矩監(jiān)控系統(tǒng)MIB 變量表

3.4 代理與管理端程序的開發(fā)

采用AdventNet Agent Toolkit C Edition 工具包來開發(fā)代理程序，該工具包提供了一個廣泛而完整的開發(fā)環(huán)境，并帶有代理信息定義編輯器、編譯器等一系列代理開發(fā)工具及測試工具，降低了代理開發(fā)的復雜性。所開發(fā)的代理僅占用極小的空間，卻具有較高的性能，而且代理的擴展幾乎不會影響到應用和設備的性能。在編寫好MIB 文件后，依據(jù)Agent Toolkit C Edition 工具的開發(fā)流程編寫代理程序，其主要功能是對MIB 文件進行管理，并實現(xiàn)對網(wǎng)絡端口的偵聽，SNMP 數(shù)據(jù)報的解碼及編碼，對管理端的請求進行處理，以及對硬件的管理。

在VC++.NET 開發(fā)平臺下利用NET-SNMP 開發(fā)包來編寫管理端程序。NET-SNMP 開發(fā)包是目前最為流行的基于C++的SNMP 協(xié)議開發(fā)包之一，開發(fā)包中的SNMP 協(xié)議模塊為用戶使用SNMP 協(xié)議來構(gòu)建網(wǎng)絡管理應用層軟件提供了良好的協(xié)議通訊的基礎(chǔ)，它提供了一系列的API 函數(shù)可供開發(fā)者使用。本系統(tǒng)的管理端程序運行在遠程監(jiān)控計算機上，與工作現(xiàn)場工控機上駐留的代理之間進行遠程數(shù)據(jù)通信，主要完成Get 和Set 操作兩項任務。

5 結(jié)論

CAN 總線因其自身的諸多優(yōu)點適合于對實時性、可靠性、安全性要求十分嚴格的機械控制網(wǎng)絡。SNMP 協(xié)議簡潔，可擴展性強，基于SNMP 協(xié)議的網(wǎng)絡傳輸以Internet 作為媒介，傳輸距離不受限制，可進一步拓展CAN 總線的優(yōu)勢。本文的創(chuàng)新點在于，結(jié)合這兩種技術(shù)的優(yōu)點，實現(xiàn)了基于CAN 總線和SNMP 協(xié)議的起重力矩遠程監(jiān)控系統(tǒng)，該方案可以保障可靠、實時的遠程數(shù)據(jù)傳輸和命令執(zhí)行，確保起重機械的安全運行。項目經(jīng)濟效益達20 萬元。