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iCAN系列功能模块及其在起重力矩限制系统中的应用

2008-10-15 15:12 性质:转载 来源:慧聪网 阅读:35
1引言现场总线技术是用于现场仪表与控制系统之间的全分散、全数字化、智能、双向、百联、多变量、多点、多站的串行通信系统。C...
  1 引言
  现场总线技术是用于现场仪表与控制系统之间的全分散、全数字化、智能、双向、百联、多变量、多点、多站的串行通信系统。CAN-bUS总线是国际上应用最广泛的现场总线之一。国内CAN-bus总线应用广泛,但大多数对CAN-bus总线的应用还处于基础阶段,没有真正发挥CAN-bus总线实时、可靠的优势,主要体现在应用层协议的选择。目前占领市场的两个应用层协议是DeviceNet协议和CANopen协议。但两者规范比较复杂,理解和开发难度较大,用户在前期开发阶段需投入大量的资金和人力,不适用于简单的基于CAN总线控制网络。因此就有必要开发一种简单可靠的CAN高层协议,以适用于CAN总线简单应用场合,由此诞生了iCAN系统及iCAN协议规范。
  2 iCAN系统及iCAN协议规范
  2.1iCAN系统
  iCAN系统全称为"工业CAN-bus现场总线控制系统(IndustryCAN-busFieldbusControlSystem)",是一种基于CAN-bus的现场总线控制系统。iCAN系统提供一个低成本的通信链路,主要用于实现CAN-bus应用中的通信控制和数据采集。iCAN系统具有构建灵活、结构简单、成本较低的优点,由于采用CAN-bus总线,iCAN系统还具有良好的可靠性和稳定性。同时,还具有易于组态,安装、运行、维护简便的特点。它使用CAN-bus总线将工业现场设备(如传感器、仪表等)与管理设备(PC、工控机、PLC等)连成网络,无需昂贵的连接线路。iCAN系统主要由iCAN协议、iCAN系列功能模块和PC-CAN接口卡构成。
  2.2iCAN协议
  iCAN协议全称为"IndustryCAN-busApplicationProtocol",是现场总线CAN-bus的最新应用层协议之一,具有理解简单、易于实现、实时可靠的特点。它采用与CANopen、DeviceNet协议基本相同的连接管理方式,删除了较复杂的握手管理、资源分配等内容,并使用预定义数据组合方式管理CAN-bus总线上的节点。它在汲取DeviceNet和CANopen协议精粹的基础上,充分继承发展了基于连接和对象寻址两种核心功能。支持多种传输方式,包括轮询方式、状态触发方式以及定时循环方式,还根据实际情况,除去了诸如复杂的基于对象模式、通信波特率限制等因素,以高效精练的协议,保证数据通信的可靠性、实时性,有效降低了硬件成本。iCAN协议授权支持行业客户免费使用,开发基于iCAN协议的产品不需要支付额外的协议费用。
  3 iCAN系列功能模块原理
  3.1模块型号简介
  表1为iCAN功能模块型号表。iCAN功能模块集成有CAN-bus通讯接口和iCAN应用层协议,提供DI、DO、AI、AO、RTD、TC、计数器、频率计等数据采集功能,为主控PC与现场设备之间提供完整的信号采集与通讯功能。3.2模块内部结构(以iCAN-4050模块为例)
  iCAN-4050功能模块原理框图如图1所示,是由微处理器、电源、CAN通信接口、设置开关以及输入/输出处理电路组成。
根据模块功能不同,有些模块采用8位的单片机作为微处理器,有些采用16位甚至32位的ARM微处理器。而在CAN通信接口的设计采用独立的CAN控制器SJA1000T与微处理器相连。不同模块的输入/输出电路都是根据自身的功能设计。为了提高模块的抗干扰性,有些模块的微处理器和输入/输出单元之间采用光电隔离(HllLl光电隔离器件)避免外界干扰噪声。采用直流电源供电,供电电源范同是+10V~+30V。因此,即使在工业现场电源电压产生波动,模块也能获取稳定的工作电源。模块电源同时提供反接保护,以防止因电源的接线错误而导致模块损坏。
  模块工作时,将输入的电压型数字信号或无源触点信号经训理后,送人微处理器,通过CAN总线通信将输入的数字信号状态传送到网络中的主控设备,主控设备可通过CAN总线将输出的数字量状态传送到模块,控制外部开关。通过运行硬件看门狗监控模块,防止模块死机,有效提高模块的可靠性。
  4 起重力矩限制系统中的应用
  4.1系统简介
  起重力矩限制系统是汽车起重机控制系统的一个重要组成部分。系统通过对起重机械中长度传感器、角度传感器以及压力传感器等输出数据分析处理,实时监控系统工作时起重力矩,保证起重机工作在安全状态下。而且系统能够实时记录起重机作业中的危险工况,为事故的分析处理提供可靠依据。系统要求能够实时采集长度传感器、角度传感器以及压力传感器的输出数据,其中长度传感器、角度传感器以及压力传感器的信号输出类型主要为电压或电流信号,传感器信号共有4路。此外系统要求提供4路数字量输出通道。
  4.2系统解决方案
  系统采用高可靠性的PC104工控机,人机接口采用10.4″触摸式TFTLCD显示器,提供键盘控制。人机界面用MCGS组态软件编写系统组态界面。PC104-CAN2双路CAN接口卡通过CAN总线模块iCAN-4017、iCAN-4050采集各传感器输出数据,实时获取系统工作状态及数据参数,通过ZOPC-SEVER服务器传输到工控机的组态系统中,同时组态系统作为服务器向工控机提供数据,工控机接收相应数据后进行分析处理,系统工作状态实时在人机界面上显示。系统能够警示危险工况,诊断并排除故障。在危险工况下,通过实时控制输出模块,使系统处于安全状态,防止事故发生,并在危险工况时提示操作人员,操作人员根据键盘指令进行相应控制。起重力矩限制系统的原理图如图2所示。
  4.3模块外部接口
  iCAN-4017模块具有接口及设置开关如图3(a)所示,模块内部各接线端子、拨码开关、跳线器以及指示灯功能说明如下:SW1为模块CAN波特率以及MACID设置开关;RL1为电源指示灯;SL2为网络通讯指示灯;JP1为DC电源、CAN通讯接口以及模拟量输人信号通道接线端了;JP2为模拟量输入信号通道接线端子。
  iCAN-4017模块的接线端子JP1、JP2引脚定义如图3(b)所示。+VS为+10V~+30VDC电源正端:GND为+10V~+30VDC电源负端;CANL为CAN通讯信号CAN_L端;CANH为CAN通讯信号CAN_H端;Res-为接CAN网络终端匹配电阻;Res+为接CAN网络终端匹配电阻:Ain0+~Ain7+为接模拟量输入通道0~7信号正端;Ain0-~Ain5-为接模拟量输入通道0~7信号负端;AGND为模拟量输入通道6、7输人参考地;NC为未用端。
    4.4系统软件设计
  本系统采用组态软件的开发方式。用户无需了解iCAN系统原理,只需清楚系统有哪些被测和被控信号;市面流行的组态软件都支持OPC接口,用户可采用熟悉的组态软件开发,提高开发效率;易于开发出图形化控制系统。本系统采用MCGS组态软件和ZOPC服务器。软件开发包括配制ZOPC服务器、在MCGS中添加OPC设备和编写MCGS应用工程三部分。由于后面两部分比较简单,下面给出配置ZOPC服务器的流程框图,如图4所示。
  4.5系统方案的特点
  利用iCAN协议、iCAN系列功能模块和PC-CAN接口卡.通过CAN-bus总线实现各传感器信号采集以及输出装置控制,使得系统容易构建,布线安装方便;同时系统抗干扰能力强、可靠件高、实时响应性好。而且通过CAN-bus总线的应用,使该起重力矩限制系统易于作为一个子系统嵌入到起重机的控制系统中。通过实际的运行测试表明,该系统运行稳定、可靠,维护接口方便,性价比高。
  5 结束语
  重点介绍了iCAN系列功能模块的原理及应用,并介绍了iCAN系统和iCAN协议的概况,iCAN协议授权支持行业客户免费使用,开发基于iCAN协议的产品不需要支付额外的协议费用,这使其在与国外许多现场总线CAN-bus应用层协议的竞争中占据有利位置。随着CAN-bus总线在国内行业应用日渐广泛,以及工业控制领域中DCS和FCS的互相融合,iCAN系统一定会成为分布式数据采集网络的一种有效通信方式,具有良好的应用前景。
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