基于CAN總線的紡織機(jī)械設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)研究

1、基于 CAN 總線的紡織機(jī)械設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)研究陳毓婷上海東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院(200051email:sunflowerc摘 要 :提出一種針對(duì)紡織廠的基于現(xiàn)場(chǎng)總線 CAN 的紡織機(jī)械設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng),用于對(duì)大批 紡織機(jī)械實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、管理、控制。分析介紹了這一控制系統(tǒng)的特點(diǎn)、系統(tǒng)的硬件組成和 軟件的編制方法。關(guān)鍵詞 :現(xiàn)場(chǎng)總線 CAN ;紡織機(jī)械;監(jiān)控系統(tǒng)1 引言從 20世紀(jì) 80年代起,計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)與紡織設(shè)備的結(jié)合,使紡織設(shè) 備的自動(dòng)化和監(jiān)控水平有了較快的發(fā)展。 但是在過(guò)去的十余年間, 國(guó)內(nèi)大部分紡織機(jī)械設(shè)備 控制系統(tǒng)的開發(fā)比較側(cè)重于實(shí)現(xiàn)單臺(tái)設(shè)備的紡織工藝性能自動(dòng)化, 將機(jī)器所

2、具有的先進(jìn)功能 封閉在單機(jī)系統(tǒng)內(nèi),而忽略了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化構(gòu)成,使得機(jī)器的結(jié)構(gòu) (特別是其控制系統(tǒng) 愈來(lái) 愈復(fù)雜,成為紡織企業(yè)自動(dòng)化體系中的“孤島” 。由于大部分紡織設(shè)備的單機(jī)獨(dú)立運(yùn)行,各 種數(shù)據(jù)的采集與處理需要人工完成, 給產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效益的提高帶來(lái)一定的困難, 也限制 了整個(gè)紡織過(guò)程自動(dòng)化的提高。 紡織工業(yè)的信息化, 首先要求設(shè)備的控制系統(tǒng)具有開放性的 體系結(jié)構(gòu), 在紡織工業(yè)由傳統(tǒng)工業(yè)向現(xiàn)代工業(yè)轉(zhuǎn)變的過(guò)程中, 如何將以高度自動(dòng)化和集成化 為主要特征的高新技術(shù)融入紡織業(yè)具有非常重要的意義。 近些年來(lái)基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的控制 系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用引起了人們廣泛興趣, 為紡織生產(chǎn)過(guò)程的分散化、

3、網(wǎng)絡(luò)化、 智能 化發(fā)展提供了新的機(jī)遇。2 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及 CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)(IEC, International Electrotechnical Commission標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)總線 基金會(huì) (FF, Fieldbus Foundation的定義,現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字 式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)既是一個(gè)開放通信網(wǎng)絡(luò),又是一 種全分布控制系統(tǒng)。 它作為智能設(shè)備的聯(lián)系紐帶, 把掛接在總線上、 作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的智能設(shè) 備連接為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng), 并進(jìn)一步構(gòu)成自動(dòng)化系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)基本控制、 補(bǔ)償計(jì)算、 參數(shù)修改、 報(bào)警、 監(jiān)控、優(yōu)化設(shè)計(jì)及

4、管理、控制一體化的綜合自動(dòng)化功能。 智能傳感器 I 智能傳感器 n智能執(zhí)行器 l智能執(zhí)行器 m圖 1 現(xiàn)場(chǎng)總線定義- 1 - 自 20世紀(jì) 80年代末以來(lái), 有幾種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已逐漸形成其影響并在一些特定的應(yīng)用領(lǐng) 域顯示優(yōu)勢(shì),控制局域網(wǎng)絡(luò) (Control Area Network, CAN 總線就是其中的佼佼者。 CAN 總線 是由德國(guó) boash 公司為解決汽車中眾多的控制與檢測(cè)儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行 數(shù)據(jù)通訊協(xié)議。由于 CAN 總線可靠性高,實(shí)時(shí)響應(yīng)性好,實(shí)現(xiàn)成本低,通訊協(xié)議簡(jiǎn)單,適 應(yīng)現(xiàn)代紡織工業(yè)的高質(zhì)量、低成本、小批量、多品種、快速響應(yīng)、高效低耗、清潔生產(chǎn)的需 要,因此在

5、紡織行業(yè)中, CAN 總線技術(shù)已經(jīng)開始在紡紗、化纖、機(jī)織、針織、染整及服裝 等紡織機(jī)械設(shè)備中得到快速應(yīng)用。在紡織機(jī)械控制系統(tǒng)中應(yīng)用 CAN 總線具有下述主要優(yōu)點(diǎn): (1 CAN 總線側(cè)重于通訊, 而且是專門應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的一種計(jì)算機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò), 協(xié)議的設(shè)計(jì)注重工業(yè)自動(dòng)化的應(yīng)用, 是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的通訊網(wǎng)絡(luò)。 在 現(xiàn)場(chǎng)紡織機(jī)械中可應(yīng)用其可靠的通訊能力,將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)。(2 CAN 總線的實(shí)時(shí)性好。 CAN 總線的位速率最高可達(dá) 1mbps 。由于其數(shù)據(jù)傳輸速度 快,在生產(chǎn)過(guò)程中可對(duì)不同參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、采集、處理反饋給計(jì)算機(jī),構(gòu)成實(shí)時(shí)性較強(qiáng) 的反饋控制系統(tǒng)

6、。(3 CAN 總線可靠性高。 CAN 總線的數(shù)據(jù)幀采用短幀結(jié)構(gòu)(每幀有 8個(gè)有效字節(jié) ,適 合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸,同時(shí) CAN 總線具有很強(qiáng)的檢錯(cuò)手段,抗干擾能力強(qiáng)。(4通訊介質(zhì)要求低。 CAN 總線采用雙絞線就可以達(dá)到要求,從而使得采用 CAN 總線 的控制系統(tǒng)成本較低。3 系統(tǒng)功能需求分析目前國(guó)產(chǎn)紡織機(jī)械等普遍存在織造品種適應(yīng)范圍窄、 擴(kuò)展性能差的特點(diǎn), 所以國(guó)外的紡 織機(jī)械生產(chǎn)商提出的擴(kuò)展式設(shè)計(jì)概念是值得借鑒的, 它要求以一臺(tái)紡織機(jī)械的基本結(jié)構(gòu)為基 礎(chǔ), 按照不同用途的要求再選擇配置各種裝置, 這種設(shè)計(jì)概念不僅對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了 更高的要求,同時(shí)也要求其控制系統(tǒng)是一個(gè)靈活的、開放的

7、系統(tǒng)。根據(jù)紡織車間生產(chǎn)過(guò)程的總體要求, 管理控制系統(tǒng)應(yīng)具有一定功能, 分布在現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí) 和上層監(jiān)控級(jí)上,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)在線工藝參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控,對(duì)速度、產(chǎn)量、生產(chǎn)軸數(shù)、匹數(shù)、停 機(jī)次數(shù)等進(jìn)行在線統(tǒng)計(jì),貯存、記憶及熒屏顯示記錄等。上層監(jiān)控級(jí)主要用于車間級(jí)設(shè)備檢測(cè)和控制。 應(yīng)用組態(tài)軟件編程和現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò), 整合 車間內(nèi)各個(gè)單臺(tái)機(jī)械設(shè)備控制系統(tǒng), 以清晰友好的人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)全車間設(shè)備的生產(chǎn)狀態(tài)、 產(chǎn) 量、效率的監(jiān)視,同時(shí)還可以對(duì)設(shè)備的工藝參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)置,故障報(bào)警、參數(shù)記錄、顯示 歷史趨勢(shì)和實(shí)時(shí)曲線, 生成和打印各種生產(chǎn)報(bào)表。 現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)主要用于單臺(tái)設(shè)備生產(chǎn)信息的 采集并對(duì)關(guān)鍵的上機(jī)參數(shù)實(shí)施監(jiān)控。 各種紡紗、

8、 織布以及印染機(jī)械的控制器具有現(xiàn)場(chǎng)總線通 訊接口,并通過(guò)適當(dāng)?shù)木幊?實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程控制、生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)采集與處理、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù) 采集與處理、報(bào)警與緊急事件處理、與上位機(jī)實(shí)時(shí)通信。根據(jù)功能需求的分析,設(shè)計(jì)生產(chǎn)管理控制系統(tǒng)功能模型樹,如圖 2所示。- 2 - 圖 2 生產(chǎn)管理控制系統(tǒng)功能模型樹4 系統(tǒng)的硬件組成在一個(gè)中等規(guī)模的紡織廠, 紡織機(jī)械的數(shù)量一般在上百臺(tái)以上, 有相當(dāng)數(shù)量的測(cè)量和控 制對(duì)象, 這對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的可靠性和靈活性都提出了很高的要求, 為此, 必須使控制面向多元 化,使系統(tǒng)分散化,即載荷分散、危險(xiǎn)分散、功能分散和地域分散,將任務(wù)分配給多個(gè)并行 工作的處理機(jī)系統(tǒng)。 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)具有通用

9、性強(qiáng)、 系統(tǒng)組態(tài)靈活、 數(shù)據(jù)處理方便等優(yōu)點(diǎn), 它能適應(yīng)紡織廠車間現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程的需要,提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平。本系統(tǒng)的硬件主要由上位機(jī)、 通訊模塊和下位機(jī)組成, 還包括人機(jī)接口、 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置 和執(zhí)行裝置。整個(gè)系統(tǒng)的組成及其框圖如圖 3所示。 圖 3 系統(tǒng)組成框圖4.1車間監(jiān)控級(jí)上位機(jī)上位機(jī)承擔(dān)數(shù)據(jù)管理和人機(jī)對(duì)話工作, 它必須具備一定的數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)處理能力, 不 僅能向上級(jí)決策者提供必要的信息,而且能向下位機(jī)發(fā)送命令,進(jìn)行控制?？蛇x用 PC 機(jī)或 工業(yè)用計(jì)算機(jī), 其所要求的性能隨所需管理的紡織機(jī)械的數(shù)量和性能而異。 考慮到整個(gè)生產(chǎn) 過(guò)程的分布以及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)大量的干擾因素, 并綜合考慮主機(jī)處理速度、

10、 擴(kuò)充能力、 插槽數(shù)目, 選用 PentiumIII 檔次標(biāo)準(zhǔn)配置的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和 18in 彩色顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤作為系統(tǒng)主 機(jī)。- 3 - 4.2現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控級(jí)下位機(jī)下位機(jī)安裝在現(xiàn)場(chǎng)紡織機(jī)械的附近, 每臺(tái)下位機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)各自的設(shè)備進(jìn)行巡回檢測(cè), 采集 所需的數(shù)據(jù),能就地處理大部分的數(shù)據(jù),免除了長(zhǎng)距離傳輸帶來(lái)的誤差?？刂葡到y(tǒng)的選擇, 主要是根據(jù)車間現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備類型、 生產(chǎn)條件等因素決定。 目前, 在紡織行業(yè)控制部分大體上 有單片機(jī)控制和 PLC 控制兩種形式, 這兩種形式各有特點(diǎn), 考慮到在紡織現(xiàn)場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)的可靠 性和實(shí)用性要求較高,因此下位機(jī)采用可編程控制器(PLC 基本單元,組成的控制系統(tǒng)穩(wěn) 定性

11、高、抗干擾能力強(qiáng),還依靠軟件技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)許多功能,從而減少了外圍硬件的使用,降 低了故障發(fā)生的幾率,并根據(jù)需要可擴(kuò)展一定的輸入和輸出模塊。4.3系統(tǒng)的通信本系統(tǒng)采用主從式通信方式, 所有下位機(jī)都是上位機(jī)的從機(jī)。 由于控制器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的 控制管理是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線通信完成, 因此不再需要與控制器捆綁的 I/O模塊產(chǎn)品, 可 使用任何一家的具有 CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線接口的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制器集成。上位機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)換接口及 通訊模塊同下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 插在控制器機(jī)器架上的 I/O模塊由連接到現(xiàn)場(chǎng)總線上的分 散式 I/O模塊所取代。根據(jù)輸入、輸出的不同需要,可以通過(guò)軟件定義某種 I/O對(duì)象,然后 利用芯片固件

12、提供的對(duì)象界面 I/O對(duì)象進(jìn)行編程, 從而操作這些對(duì)象來(lái)完成特定的功能, 包 括 CAN 適配器、CAN 控制器、CAN 收發(fā)器等。5 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)針對(duì)紡織車間現(xiàn)場(chǎng)工況和監(jiān)測(cè)要求, 利用智能網(wǎng)絡(luò)適配器和遠(yuǎn)程智能采集裝置, 需采用 一系列軟件組成一個(gè)能實(shí)現(xiàn)分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用系統(tǒng)。5.1下位機(jī)編程軟件對(duì)控制器程序的編制在上位機(jī)中完成, 系統(tǒng)可采用所選控制器的配套編程工具完成硬件 組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、編程、測(cè)試、調(diào)試和文檔處理。通常,用戶程序由組織塊(OB、功能塊 (FB、FC、數(shù)據(jù)塊(DB構(gòu)成。其中,OB 是系統(tǒng)操作程序與應(yīng)用程序在各種條件下的接口 界面,用于控制程序的運(yùn)行。功能塊(FB、FC是用

13、戶子程序。數(shù)據(jù)塊(DB是用戶定義的用 于存取數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū),在系統(tǒng)中它是上位機(jī)監(jiān)控軟件與子程序的數(shù)據(jù)接口點(diǎn)。5.2上位機(jī)監(jiān)控軟件軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)既要考慮其實(shí)用性和精確性, 同時(shí)還需考慮它適應(yīng)于不熟悉計(jì)算機(jī)的生 產(chǎn)管理者和操作人員來(lái)使用。 本系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化方法和自頂向下的層次化的結(jié)構(gòu) 形式,主要包括總控模塊、監(jiān)控模塊和生產(chǎn)管理模塊,見圖 4,可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)實(shí)時(shí)顯示、 控制參數(shù)調(diào)整;重要?dú)v史數(shù)據(jù)保存;多種曲線顯示;信號(hào)報(bào)警及報(bào)表打印等。- 4 - 圖 4 軟件系統(tǒng)模塊 可選擇組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能。組態(tài)軟件能夠充分利用 Windows 強(qiáng)大的圖形編輯功能, 以動(dòng)畫的方式顯示監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),

14、 方便的構(gòu)成監(jiān)控畫面和實(shí)現(xiàn)控制功能, 并且可運(yùn)用 PC 機(jī)豐富的軟件資源進(jìn)行二次開發(fā), 方便的生成各種報(bào)表, 廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域。 圖 5是由組態(tài)軟件開發(fā)的監(jiān)控界面之一。圖 5 監(jiān)控界面 6 結(jié)語(yǔ)CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線是一個(gè)具有標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的工業(yè)設(shè)備通訊網(wǎng)絡(luò),具有開放式、互操作性、互換 性等特點(diǎn),便于系統(tǒng)的集成,并且系統(tǒng)的可靠性高、可維護(hù)性好,可以滿足工業(yè)控制對(duì)數(shù)據(jù) 傳輸和控制命令傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求。采用 CAN 總線,結(jié)合計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的控制系統(tǒng), 不僅可以提高控制性能,而且可以較低的成本實(shí)現(xiàn)高性能的控制。目前 CAN 總線應(yīng)用研究 還在不斷深入,隨著 CAN 總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化,在紡織機(jī)械設(shè)備控

15、制系統(tǒng)中采用 CAN 總線, 是順應(yīng)國(guó)際潮流的做法, 在紡織機(jī)械設(shè)備的功能開發(fā)、 操作維護(hù)以及紡織品制造的生產(chǎn)管理 等諸多方面展示出巨大優(yōu)勢(shì)。參考文獻(xiàn)1 梅子強(qiáng).大力推進(jìn)我國(guó)紡織技術(shù)現(xiàn)代化J.上海紡織科技,2004,32(4:14.2 陽(yáng)憲惠.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用M. 北京:清華大學(xué)出版社,1999.3 David A.Glanzer, Charles A.Cianfrani. nteroperable fieldbus devices: a technical overviewJ. ISATransactions, 1996, 35:147151.4 Fieldbus tutorial Z.

16、SMAR Company,19995 Robert Patzke. Fieldbus basicsJ. Computer Standards & Interfaces, 1998, 19:275293.6 鄔寬明.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用選編M.北京:北京航空航天出版社,2003.- 5 - Research of Monitor and Control System of Textile Machines Based on CAN Chen Yuting Shanghai Donghua University,200051 Abstract From the view of improving, the reliability and standardization degree of control system, reducing the wires used in net and promoting the feasibility of actual industrial application, this paper puts forward a production monitor and control system based on CAN bus. This system can be used to manage and control large batche