江 杰,張書博
(內蒙古科技大學,內蒙古 包頭 014010)
摘 要:本文介紹了一種基于CAN總線的燒結配料監控系統的設計。采用CAN總線實現通信,使用Labview軟件實現上位機監控,系統能夠實現配料過程的實時監測和遠程控制現場設備,實現了分布式控制和集中管理。該系統各個控制器使用STM32單片機為控制核心,該單片機功能強、體積小、價格便宜,而且支持軟件很多,在智能儀表中應用十分廣泛。
關鍵詞:配料;CAN總線;Labview;監控
中圖分類號:TP336 文獻標識碼:B 文章編號:1003-7241(2013)07-0014-05
1 引言
燒結廠配料系統是整個燒結生產的源頭,配料過程中對現場采集的數據進行有效的收集與傳輸直接影響著燒結生產的產量和質量,影響企業的勞動生產率和經濟效益,而燒結配料現場環境有大量的變頻器和電機設備并且布線與通信總線比較接近,這些設備在運行時會產生比較大的噪聲作用于周邊的信號線上,引起設備的誤動作[1],嚴重影響了對現場信號傳輸的實時性、精確性。
本文針對燒結混合配料系統的以上問題,設計開發了一套基于CAN總線的燒結配料監控系統。CAN總線通信與其他總線相比信號傳輸的快速實時性更高、抗干擾更強、可靠性更高,組網靈活從而保證配料精度和穩定性。
2 整體概述
2.1 整體概述
本燒結配料系統由1個PC機,1個主控制器和16個配料控制器組成。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所有配料控制器進行全局的調動,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和給料裝置的速度信號,通過PID運算得出相應輸出頻率信號到變頻器,再由變頻器去調節給料裝置電機的轉速,從而使得物料的流量保持在設定的范圍內。由于電子秤配料現場環境復雜,基本的PID很難達到控制要求,如采用一般的PID算法,在開始配料或停止配料的瞬間和大幅度增加給定值時,由于偏差較大,在積分項的作用下,將會產生很大的超調,因此根據具體情況在基本PID控制的基礎上進行局部改進,采用積分分離PID控制算法。PC機通過監控畫面監控系統的運行,主要負責各個配料控制器的參數設定、實時流量和累計流量顯示、運行狀態顯示以及實時、歷史數據查詢等,并通過CAN總線與主控制器及各個配料控制器連接實現協同工作,完成對燒結配料的自動控制。
2.2 控制器設計
主控制器和16個配料控制器均選用意法半導體公司的STM32系列高性能32位處理器STM32F103ZET6,配料控制器使用STM32的ADC、DMA外設采集速度傳感器的速度信號和重量傳感器的重量信號,使用DAC、DMA和TIM等外設控制輸出0~3.3V電壓,然后輸入到變頻器的模擬量輸入端子,0~3.3V電壓對應于變頻器輸出的0~50Hz,最終實現不同的電機轉速,即皮帶傳送速度的調節。主控制器主要使用CAN外設和配料控制器和上位機進行通信進行全局的調動。
3 CAN總線通信協議設計
CAN(Controller Area Network)是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡[2],CAN總線與其他總線相比技術優勢明顯,與RS485總線對比分析如下:
3.1 SAE J1939通信協議
本系統通信協議的定制是參照SAE J1939-21協議標準制定的,該標準采用CAN2.0B幀格式,即擴展幀格式包含29位標識符[3]。
3.2 協議制定
PC機處理的信息主要有接收并顯示各個配料控制器的流量值及狀態信息,配料控制器的參數設置信息等;主控制器處理的信息是控制各個配料控制器順啟、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,實時流量信息、當前狀態信息及PC機下設參數信息等。配料控制器發送的信息協議制定如表1所示(下表僅為整個協議的一部)。
4 監控系統設計
監控系統軟件采用Labview開發,硬件部分包括PC機和周立功的USBCAN模塊,Virtual CAN Interface (VCI)函數庫是專門為USBCAN設備在PC上使用而提供的應用程序接口[4]。函數庫中共定義了5個數據結構用于數據交換。另外,函數庫里共有用戶函數14個,函數名稱參看圖5。庫里的函數從ControlCAN.dll中導出,在 LabVIEW8.5中直接使用這些庫函數編寫上位機程序。VCI 函數的使用流程如圖2所示。
4.1 VCI庫函數的調用
庫里的函數已經在VCI函數庫中進行了聲明,并且給出了函數名稱及其參數,因此在調用函數時可以通過Labview中的Calling Library Function Node進行調用,如圖3所示。在“函數名”下拉列表框中選擇函數,在“參數”選項卡中添加相應的參數,單擊“確定”按鈕,即可完成不同函數的調用。
4.2 數據結構的建立
在使用V CI函數時要用到庫中的5個數據結構進行數據交換。創建這些結構要使用Labview中的“簇”。一個簇就是一個由若干不同的數據類型成員組成的集合體。例如建立VCI_ERR_INFO數據結構,如圖4,該數據結構用于裝載VCI庫運行時產生的錯誤信息。
4.3 USBCAN模塊的控制及程序框圖
程序框圖當中有3個主要的While循環:主循環、發送數據循環和接收數據循環。如圖5所示。這三個循環是并行運行的。其中,主循環處理與用戶交互的界面,并通過用戶事TREvent 與發送數據循環和接收數據循環通信。發送數據采取手動方式, 當設定按鈕按下時, 配料控制器給定的流量,PID參數,控制器選中和開啟等信息,將通過 VCI_TransmitObj 函數發送給STM32。接收端采用循環掃描的方式接收STM32發送過來的數據, 該數據包括配料控制器實時流量,累計流量,當前工作狀態,主控制器工作狀態等信息。
圖5 控制程序框圖
4.4 CAN報文的數據處理及程序框圖
USBCAN模塊就作為節點完成CAN報文的接收。然后此報文通過USB口發送到計算機的內存緩沖區[5],最后由上位機節點控制軟件讀取緩沖區的數據,上位機節點控制軟件讀取數據后,對數據進行解析。
在程序中,首先使用條件結構對報文的 ID 部分進行識別與篩選,判斷出該報文來自于哪個節點,如圖6所示,然后對報文數據部分進行對應的格式轉換,最后來驅動在軟件的虛擬儀表系統主界面上對應的顯示控件完成對CAN報文的顯示,如圖7所示。
圖7 報文顯示控件的程序框圖
4.5 監控界面的設計
上位機監控系統主要由四個界面組成:設定界面、工藝界面、狀態界面和報警界面。設定界面主要作用是對配料控制器相關參數的設定,如物料名稱,PID參數,給定流量等。工藝界面主要作用是顯示整個配料工藝及流程畫面和顯示各設備瞬時運行情況。狀態界面主要作用是將整個系統的實時運行狀況在監控界面上顯示出來,如每個配料控制器實時數據曲線和歷史數據曲線顯示,并能以報表形式打印出來,工作狀態顯示,給定流量和累計流量顯示等。狀態界面如圖8所示。報警界面的主要作用是系統發生故障時能及時通知工作人員盡快處理故障。
圖8 狀態界面
5 結束語
本文設計了一種硬件基于USB-CAN卡,軟件基于Labview的燒結配料監控系統,充分發揮了虛擬技術的優勢,利用CAN總線實現了系統內部控制器組網,實現了生產線遠程監控。本設計與傳統配料控制系統相比具有以下優點:
(1) 人機界面友好,簡單實用;
(2) STM32內嵌CAN控制器,實現配料控制器與通信控制器合二為一,簡化系統,集成度高,提高了整體穩定性;
(3) 總線通信的導線和連接附件大幅的減少,因此大大降低了設計、安裝、調試、維護的費用;
(4) 兼容性好,一條CAN總線可以支持多路獨立的RS232/RS485數據鏈路;
(5) CAN總線具有的完善的通信協議,可由CAN控制器芯片來實現,系統開發難度大大降低,縮短了開發周期;
(6) CAN總線每一幀的有效字節數為8個,這樣傳輸時間短,受干擾的概率低。
參考文獻:
[1] 楊朝霞.變頻器噪聲干擾的抑制方法與實踐應用[J].中國儀器儀表,2007,(8):69-71.
[2] 王強.RS232通信網絡與CAN總線通信網絡互聯設計[J].電子技術應用,2010,36(9):158-160.
[3] 周芳.基于CAN總線的車載網絡測試技術研究[D].北京:北京信息科技大學,2008.
[4] 姜國權.電動汽車動力電池管理系統的研究[D].上海:上海交通大學,2009.
[5] 謝正光.基于CAN總線的汽車虛擬儀表系統研究與設計[D].南京:南京航空航天大學,2008.