基于CAN總線的燒結(jié)配料監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

燒結(jié)廠配料系統(tǒng)是整個(gè)燒結(jié)生產(chǎn)的源頭,配料過(guò)程中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的收集與傳輸直接影響著燒結(jié)生產(chǎn)的產(chǎn)量和質(zhì)量,影響企業(yè)的勞動(dòng)生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益,而燒結(jié)配料現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境有大量的變頻器和電機(jī)設(shè)備并且布線與通信總線比較接近,這些設(shè)備在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生比較大的噪聲作用于周邊的信號(hào)線上,引起設(shè)備的誤動(dòng)作[1],嚴(yán)重影響了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、精確性。

本文針對(duì)燒結(jié)混合配料系統(tǒng)的以上問(wèn)題,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套基于CAN總線的燒結(jié)配料監(jiān)控系統(tǒng)。CAN總線通信與其他總線相比信號(hào)傳輸?shù)目焖賹?shí)時(shí)性更高、抗干擾更強(qiáng)、可靠性更高,組網(wǎng)靈活從而保證配料精度和穩(wěn)定性。

2 整體概述

2.1 整體概述

本燒結(jié)配料系統(tǒng)由1個(gè)PC機(jī),1個(gè)主控制器和16個(gè)配料控制器組成。它們之間采用CAN總線連接如圖1所示。主控制器的主要作用對(duì)所有配料控制器進(jìn)行全局的調(diào)動(dòng),如控制配料控制器的順啟,順停和急停。配料控制器的主要作用是采集皮帶秤的重量信號(hào)和給料裝置的速度信號(hào),通過(guò)PID運(yùn)算得出相應(yīng)輸出頻率信號(hào)到變頻器,再由變頻器去調(diào)節(jié)給料裝置電機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而使得物料的流量保持在設(shè)定的范圍內(nèi)。由于電子秤配料現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜,基本的PID很難達(dá)到控制要求,如采用一般的PID算法,在開(kāi)始配料或停止配料的瞬間和大幅度增加給定值時(shí),由于偏差較大,在積分項(xiàng)的作用下,將會(huì)產(chǎn)生很大的超調(diào),因此根據(jù)具體情況在基本 PID控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行局部改進(jìn),采用積分分離PID控制算法。PC機(jī)通過(guò)監(jiān)控畫(huà)面監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行,主要負(fù)責(zé)各個(gè)配料控制器的參數(shù)設(shè)定、實(shí)時(shí)流量和累計(jì)流量顯示、運(yùn)行狀態(tài)顯示以及實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)查詢等,并通過(guò)CAN總線與主控制器及各個(gè)配料控制器連接實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作,完成對(duì)燒結(jié)配料的自動(dòng)控制。

2.2 控制器設(shè)計(jì)

主控制器和16個(gè)配料控制器均選用意法半導(dǎo)體公司的STM32系列高性能32位處理器STM32F103ZET6,配料控制器使用STM32的ADC、 DMA外設(shè)采集速度傳感器的速度信號(hào)和重量傳感器的重量信號(hào),使用DAC、DMA和TIM等外設(shè)控制輸出0~3.3V電壓,然后輸入到變頻器的模擬量輸入端子,0~3.3V電壓對(duì)應(yīng)于變頻器輸出的0~50Hz,最終實(shí)現(xiàn)不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速,即皮帶傳送速度的調(diào)節(jié)。主控制器主要使用CAN外設(shè)和配料控制器和上位機(jī)進(jìn)行通信進(jìn)行全局的調(diào)動(dòng)。

3 CAN總線通信協(xié)議設(shè)計(jì)

CAN(Controller Area Network)是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)[2],CAN總線與其他總線相比技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯,與RS485總線對(duì)比分析如下:

3.1 SAE J1939通信協(xié)議

本系統(tǒng)通信協(xié)議的定制是參照SAE J1939-21協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)制定的,該標(biāo)準(zhǔn)采用CAN2.0B幀格式,即擴(kuò)展幀格式包含29位標(biāo)識(shí)符[3]。

3.2 協(xié)議制定

PC機(jī)處理的信息主要有接收并顯示各個(gè)配料控制器的流量值及狀態(tài)信息,配料控制器的參數(shù)設(shè)置信息等;主控制器處理的信息是控制各個(gè)配料控制器順啟、順停和急停等信息;配料控制器處理的信息有給定流量信息,實(shí)時(shí)流量信息、當(dāng)前狀態(tài)信息及PC機(jī)下設(shè)參數(shù)信息等。配料控制器發(fā)送的信息協(xié)議制定如表1所示(下表僅為整個(gè)協(xié)議的一部)。

4 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用Labview開(kāi)發(fā),硬件部分包括PC機(jī)和周立功的USBCAN模塊,Virtual CAN Interface (VCI)函數(shù)庫(kù)是專門(mén)為USBCAN設(shè)備在PC上使用而提供的應(yīng)用程序接口[4]。函數(shù)庫(kù)中共定義了5個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于數(shù)據(jù)交換。另外,函數(shù)庫(kù)里共有用戶函數(shù)14個(gè),函數(shù)名稱參看圖5。庫(kù)里的函數(shù)從ControlCAN.dll中導(dǎo)出,在 LabVIEW8.5中直接使用這些庫(kù)函數(shù)編寫(xiě)上位機(jī)程序。VCI 函數(shù)的使用流程如圖2所示。

4.1 VCI庫(kù)函數(shù)的調(diào)用

庫(kù)里的函數(shù)已經(jīng)在VCI函數(shù)庫(kù)中進(jìn)行了聲明,并且給出了函數(shù)名稱及其參數(shù),因此在調(diào)用函數(shù)時(shí)可以通過(guò)Labview中的Calling Library Function Node進(jìn)行調(diào)用,如圖3所示。在“函數(shù)名”下拉列表框中選擇函數(shù),在“參數(shù)”選項(xiàng)卡中添加相應(yīng)的參數(shù),單擊“確定”按鈕,即可完成不同函數(shù)的調(diào)用。

4.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立

在使用V CI函數(shù)時(shí)要用到庫(kù)中的5個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。創(chuàng)建這些結(jié)構(gòu)要使用Labview中的“簇”。一個(gè)簇就是一個(gè)由若干不同的數(shù)據(jù)類型成員組成的集合體。例如建立VCI_ERR_INFO數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),如圖4,該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于裝載VCI庫(kù)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的錯(cuò)誤信息。

4.3 USBCAN模塊的控制及程序框圖

程序框圖當(dāng)中有3個(gè)主要的While循環(huán):主循環(huán)、發(fā)送數(shù)據(jù)循環(huán)和接收數(shù)據(jù)循環(huán)。如圖5所示。這三個(gè)循環(huán)是并行運(yùn)行的。其中,主循環(huán)處理與用戶交互的界面,并通過(guò)用戶事TREvent 與發(fā)送數(shù)據(jù)循環(huán)和接收數(shù)據(jù)循環(huán)通信。發(fā)送數(shù)據(jù)采取手動(dòng)方式, 當(dāng)設(shè)定按鈕按下時(shí), 配料控制器給定的流量,PID參數(shù),控制器選中和開(kāi)啟等信息,將通過(guò) VCI_TransmitObj 函數(shù)發(fā)送給STM32。接收端采用循環(huán)掃描的方式接收STM32發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù), 該數(shù)據(jù)包括配料控制器實(shí)時(shí)流量,累計(jì)流量,當(dāng)前工作狀態(tài),主控制器工作狀態(tài)等信息。

圖5 控制程序框圖

4.4 CAN報(bào)文的數(shù)據(jù)處理及程序框圖

USBCAN模塊就作為節(jié)點(diǎn)完成CAN報(bào)文的接收。然后此報(bào)文通過(guò)USB口發(fā)送到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存緩沖區(qū)[5],最后由上位機(jī)節(jié)點(diǎn)控制軟件讀取緩沖區(qū)的數(shù)據(jù),上位機(jī)節(jié)點(diǎn)控制軟件讀取數(shù)據(jù)后,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。

在程序中,首先使用條件結(jié)構(gòu)對(duì)報(bào)文的 ID 部分進(jìn)行識(shí)別與篩選,判斷出該報(bào)文來(lái)自于哪個(gè)節(jié)點(diǎn),如圖6所示,然后對(duì)報(bào)文數(shù)據(jù)部分進(jìn)行對(duì)應(yīng)的格式轉(zhuǎn)換,最后來(lái)驅(qū)動(dòng)在軟件的虛擬儀表系統(tǒng)主界面上對(duì)應(yīng)的顯示控件完成對(duì)CAN報(bào)文的顯示,如圖7所示。

4.5 監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要由四個(gè)界面組成:設(shè)定界面、工藝界面、狀態(tài)界面和報(bào)警界面。設(shè)定界面主要作用是對(duì)配料控制器相關(guān)參數(shù)的設(shè)定,如物料名稱,PID 參數(shù),給定流量等。工藝界面主要作用是顯示整個(gè)配料工藝及流程畫(huà)面和顯示各設(shè)備瞬時(shí)運(yùn)行情況。狀態(tài)界面主要作用是將整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況在監(jiān)控界面上顯示出來(lái),如每個(gè)配料控制器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線和歷史數(shù)據(jù)曲線顯示,并能以報(bào)表形式打印出來(lái),工作狀態(tài)顯示,給定流量和累計(jì)流量顯示等。狀態(tài)界面如圖8所示。報(bào)警界面的主要作用是系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能及時(shí)通知工作人員盡快處理故障。