CAN总线技术在过程控制系统中的应用

2022-04-10 来源：步旅网

现场总线与网络

FieldBusandNetwork《自动化技术与应用》2004年第23卷第7期

CAN总线技术在过程控制系统中的应用

何　艳1,纪　彬1,田　力1,曾海涛2

(1.黑龙江省科学院自动化研究所,黑龙江　哈尔滨　150090;2.哈尔滨理工大学,黑龙江　哈尔滨　150040)

摘要:本文在对CAN总线技术简要介绍的基础上,重点讨论了基于SJA1000的CAN总线电路与MCU的接口设计方法,以及CAN

总线调试过程中可能出现的问题。实验证明,该设计方法是行之有效的,取得了良好的结果。

关键词:CANBUS;过程控制

中图分类号:TP1273　文献标识码:B　文章编号:100327241(2004)0720031203

TheApplicationoftheCANBusTechnology

inProcessControl

HEYan1,JIBin1,TIANLi1,ZENGHai-tao2

(1.AutomationinstituteofHeilongjiangAcademy,Harbin150090,China;2.HarbinUniversityofScienceandTachnology,Harbin150040,China)Abstract:ThispaperputemphasisondiscussingthedesignoftheinterfacecircuitofSJA1000withMCUandtheproblemsthatmaybeappeareddur2

ingtheprocessofdebugging.Experimentsshowthatthedesignissuccessful.

Keywords:CANBus;Processcontrol

1　引言

随着现代化工业的不断发展,人们对生产过程控制提出了更高的要求,需要获取更多的来自现场的信息,以实现对工业过程参数的监测、控制,并将现场数据融入管理、决策以及商务等各个层次的信息交换与集成,以提高生产效率。现场总线技术便是顺应这一趋势与需求发展起来的新型技术。他将专用智能芯片植入传统的测量与控制仪表中,使其具有数字计算与数字通信能力,采用双绞线等作为通信总线,把多个测量与控制节点连接成网络,按公开、规范的通信协议,实现数据的传输与交换,在生产现场形成全分布式控制系统。新型的现场总线控制系统

(FCS)突破了DCS系统中通信由专用网络的封闭系统实现所造

2　CAN总线简介

与主从方式的现场总线不同,CAN总线是一种对等式(peer

-to-peer)的现场总线网络,采用CAN总线连接的I/O单元,可

以通过节点ID和ID掩码选择,方便地实现点对点、点对多点以及广播的多种通信方式;可以提高主控单元与I/O单元、I/O单元之间的隔离性,便于实现模块冗余和不停机拆装;可以实现无集中机柜的分散式安装方式,因此系统功能可以进一步下放。目前使用的CAN总线技术规范分为两部分:CAN2.0A和CAN2.

0B。两者相比较的区别在于:CAN2.0B的识别码由CAN2.0A的11位扩展到29位,使用起来更为灵活方便。CAN总线符合ISO11898标准,最大传通信率可达1MB/S,最远通信距离可达10KM[1]。CAN总线的技术特点如下:

成的缺陷,把基于专用的、封闭的解决方案变成标准化、公开化的解决方案,把控制功能彻底放到现场,依靠现场智能设备本身便可以实现测量与控制功能。现场总线控制系统顺应了控制系统向分散化、智能化、网络化发展的趋势,现已经成为控制系统发展的主流方向。

◆各个节点具有相同的总线访问权(peer-to-peer)方式◆无破坏性的基于优先权的总线仲裁策略

◆数据桢、数据请求桢、出错桢和数据超载桢等四种桢格式

◆不需要发送目的地址,借助于接收接点滤波实现点对

收稿日期:2004-02-07点、点对多点的通信方式

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FieldBusandNetwork　　◆5种错误检验,保证数据通信的可靠性

◆对发送期间若丢失仲裁或由于出错而造成破坏的桢可实现自动重发

◆暂时错误和永久性故障节点判别以及永久性故障节点的自动脱离

基于CAN总线的技术特点,把它应用于系统比较分散、现场环境干扰比较大的场合是非常适用的。

　　该系统主要由现场监控计算机和若干个具有CAN总线接口的智能测控节点构成。现场智能CAN测控节点以微处理器为核心,并配有CAN总线接口。其主要功能是实现对现场数据的实时采集与处理,并根据采集的数据实现对现场设备进行实时控制,同时通过CANBUS实现与监控计算机以及各个CAN节点之间的信息交换。

监控计算机可通过插槽中的PC-CAN适配卡实现与智能

CAN测控节点的数据交换[3,4],完成一些较为复杂的信息处理。

3　CAN总线控制系统的总体结构

为满足现代控制系统既要集中管理,又要分散实时控制的要求,采用CAN总线技术构成分布式过程控制系统的典型结构框图[2]可由图1表示。

通过以太网,监控计算机实现与其它计算机的数据交换,从而实现对整个系统的信息化管理与控制。

4　CAN节点设计CAN智能测控节点应具有数据采集、控制以及CAN通信能

力,可与监控站以及其它节点进行各种参数的传递,并接收来自监控站的命令来调整控制状态。在硬件设计上,以80C196KB16位单片机为核心,具有运算速度快,其内部具有8路模拟量输入通道,数据转换速度快,可以满足大多数工业控制现场的要求,同时它对外部突发事件具有极强的捕捉能力,而看门狗电路保证了系统可以稳定可靠地工作。CAN总线接口电路采用Philips公司生产的SJA1000作为总线控制器,PCF82C250作为总线驱动

图1　CAN总线过程控制系统总体结构框图

器,6N137为光电隔离芯片用以提高通信系统的抗干扰能力。典型的CAN总线接口电路如图2所示。

图2　CAN总线接口电路

5　几点注意事项

从图2可知,硬件电路设计并不是非常困难,但有几点事项需要注意,否则会事倍功半,甚至导致通信无法工作。

(1)CAN总线通过短路器JTR连接了一个124Ω的终端反射

决定了CAN总线处于高速工作方式还是斜率控制方式。如果将JS短路,系统将处于高速工作方式,为避免射频干扰,建议使用屏蔽线作为通信总线;在波特率较低、总线较短时,一般采用斜率控制方式,既将JS断路。在这种方式下,可以使用平行线或双绞线作为通信总线。

(3)SJA1000的TX1脚悬空,RX1脚电平必须维持在0.5VCC

电阻RJTR,它对于匹配总线阻抗起着相当大的作用,如果忽略它们,会使数据通信可靠性大大降低,甚至无法通信。

(2)82C250的8脚与地之间的电阻称为斜率电阻,它的取值

以上,否则将不能形成CAN总线所须的逻辑电平。如果通信距

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离较近、环境干扰较小,可以不采用光电隔离电路,这时可以将

82C250的VREF端直接与RX1脚相连接,从而简化了电路。

(4)SJA1000以中断方式与MCU接口,当系统中断允许时,

6　结论

基于CAN总线的分布式过程控制系统,是采用现场总线控制系统(FCS)的特点,把信息处理过程放到现场进行,而通过操作站集中管理。运用CAN总线技术,极大提高了系统的可靠性和实时性,系统开发成本低廉、性能价格比高,测控节点安装维护简单。从该设计方案在恶劣现场环境下的运行情况和实验结果来看,能够经受住现场的考验,通信速率高,出错率极低,运行效果良好,体现了CAN总线高性能、高可靠性的优点。具有广阔的应用前景,体现了工业控制领域发展的重要方向。

一旦有中断发生,SJA1000的INT脚就会被激活使MCU及时响应,从而提高了系统的实时性。

(5)需要特别说明的是,初始化在SJA1000的使用过程中是

非常重要的一个环节。正确的初始化,可以保证可靠的数据通信,否则,系统将不可能正常地工作。图3给出了SJA1000的初始化框图(SJA1000工作晶振16M)。

7　参考文献:[1]　邬宽明,编著.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京:北京

航空航天大学出版社,1996.11

[2]　王毅锋.基于CAN总线的分布式数据采集与控制系统[J].工业控制计算机,2000,(5):48-50

[3]　刘宏达,等.基于CAN总线的适配卡设计[J].自动化技术与应用,2003,22(5):42-44[4]　鞠玉翔,等.基于PCI9052的CAN总线控制卡及WDM驱动程序设计[J].自动化技术与应用,2002,21(10):29-32

作者简介:何艳(1966-),女,高级工程师,主要从事工业过程自动化控制系统研究与设计。

图3　SJA1000初始化框图

(上接第27页)总之,基于PLC的过程控制系统不但为用户搭建了一个好的进行各种控制理论研究平台,而且其设计思想及方法可应用于工业现场控制的各种场合。由于PLC控制系统的可靠、灵活、适应性强,它在过程控制方面具有很强的生命力。

地址IR1n9(n为单元号)的第0～7位是各输入端的断线检测标志。如果电压信号小于0.3V或电流信号小于1.2mA,则该标志为1,如果信号恢复正常,则标志恢复为0。第8～15位是2位

16进制的错误代码,00代表正常。在应用时,通过IR119(单元

号为1)的状态来实现传感器断线的故障诊断。

5　参考文献:

[1]　OMRON公司.C200HX/C200HG/C200HE编程手册[Z][2]　OMRON公司.ANALOGI/OUnitsOPERATIONMANUAL[Z][3]　亚控公司.组态王6.0使用手册[Z]

[4]　王锦标等.过程计算机控制[M].北京:清华大学出版社,1992[5]　殷华文,等.可编程序控制器及工业控制网络[M].西安:西安

4　结论

基于PLC的下位机与SCADA人—机界面的上位机形成

DCS分布式水箱水位控制系统,是一个可行的,高效率系统,调

地图出版社,2001

作者简介:王洪猛(1977-),男,河南南阳人,硕士研究生,主要从事计算机控制与智能控制方面的研究。

节后水位的波动范围在+1～-1mm范围内,而且在加过一个扰动后,能够很快的实现平衡。从而符合我们系统所要求达到的稳、准、快的特性。

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