摘 要：本文綜述了CAN總線與PLC和IPC相結(jié)合在印染類設(shè)備控制中的應(yīng)用情況，分析了CAN的特點(diǎn)，指出了CAN在中國(guó)應(yīng)有較大的發(fā)展空間。

關(guān)鍵詞：CAN總線 PLC IPC

1 引言

CAN總線是現(xiàn)場(chǎng)總線的一種，最初用于汽車內(nèi)部檢測(cè)部件與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通訊，有極強(qiáng)的抗惡劣環(huán)境和抗干擾能力。由于本身的特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍已經(jīng)由交通運(yùn)輸擴(kuò)展到過(guò)程控制、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、智能建筑、醫(yī)療器械等領(lǐng)域，被公認(rèn)是幾種最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

與多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線（如Profibus、CC-Link等）的物理層采用RS485主從協(xié)議不一樣，CAN的介質(zhì)訪問(wèn)采用載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)（CSMA）技術(shù)，從而允許多主工作方式。并且，由于采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間。與多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線不一樣，CAN總線只有物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，應(yīng)用層留給用戶開(kāi)發(fā)，使用戶擁有了相當(dāng)?shù)撵`活性。這些優(yōu)點(diǎn)令人注目，以致于一些頗有名氣的現(xiàn)場(chǎng)總線（如DeviceNet、CANopen等）的底層就使用CAN。很多處理器制造商將CAN總線協(xié)議集成到他們的CPU芯片上，如51系列單片機(jī)、196系列單片機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制專用數(shù)字信號(hào)處理器DSP等;很多變頻器制造商將CAN通訊卡作為選件提供給用戶或者干脆集成在變頻器中，如Lenze93系列變頻器、Siments6SE系列變頻器、三菱FR-A500系列變頻器等;很多可編程控制器制造商給用戶提供CAN通訊卡選件或者提供CAN總線接口，如貝加來(lái)（BR）2000系列可編程控制器、西門子S5系列可編程控制器等。CAN總線簡(jiǎn)單易學(xué)、容易開(kāi)發(fā)、有眾多的廠商支持，適合中國(guó)的國(guó)情。

印染前處理設(shè)備，如退煮漂聯(lián)合機(jī)、布夾絲光機(jī)、直輥絲光機(jī)、皂洗機(jī)等，機(jī)臺(tái)長(zhǎng)，采用多電機(jī)分部傳動(dòng)，要求恒張力同步調(diào)速。目前，流行的技術(shù)是用PLC控制多臺(tái)變頻器，用松緊架或者張力傳感器實(shí)現(xiàn)多機(jī)臺(tái)同步。印染后處理設(shè)備（如熱風(fēng)拉幅機(jī)、熱定型機(jī)等）、造紙生產(chǎn)線、濕法氈生產(chǎn)線也采用了類似的技術(shù)。這里變頻器使用的很多，變頻器與可編程控制器之間的連接線也很多，頻率給定、各種監(jiān)控信息（如電壓、電流、速度、轉(zhuǎn)矩等）采用模擬量，模擬量容易受干擾。如果引入現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，眾多變頻器與可編程控制器之間的連接線大為減少（實(shí)際上減為兩根），模擬頻率給定變?yōu)閿?shù)字頻率給定，各種監(jiān)控信息、操作信息可以在現(xiàn)場(chǎng)總線上傳遞，以上的缺憾得以解決。

2 基于CAN總線的PCC退煮漂聯(lián)合機(jī)控制方案

控制部分的核心是一臺(tái)貝加來(lái)可編程計(jì)算機(jī)控制器（Programmable Computer Controller 簡(jiǎn)稱PCC）BR2005，它通過(guò)422總線與觸摸屏監(jiān)控站（Provit2200）相連，在此操作者輸入指令并監(jiān)控整機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。PCC通過(guò)CAN總線與29臺(tái)西門子變頻器相連，用CAN總線傳送頻率給定命令、起停變頻器、監(jiān)視變頻器的運(yùn)行狀態(tài)。29臺(tái)變頻電機(jī)間的同步由松緊架完成，圖中沒(méi)有畫(huà)出。PCC還完成整臺(tái)設(shè)備的邏輯控制以及溫度、壓力、流量、液位、PH值和配方的閉環(huán)控制。詳見(jiàn)圖1。由于使用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，使得變頻器的現(xiàn)場(chǎng)連接線大為減少，實(shí)際為兩根線用菊花鏈方式將PCC與29臺(tái)變頻器串接起來(lái)。貝加來(lái)可編程計(jì)算機(jī)控制器，是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)為一體的新型工業(yè)控制裝置。可編程控制技術(shù)從60年代誕生以來(lái)，經(jīng)歷了可編程邏輯控制器（Programmble Logic Controller），簡(jiǎn)稱PLC，可編程控制器（Programmble Controller），簡(jiǎn)稱PC，到今日的PCC，已是第三代產(chǎn)品。新一代的PCC已經(jīng)能勝任大型的集散控制和復(fù)雜的過(guò)程控制。其良好的兼容性、豐富的功能函數(shù)、品種多樣的硬件模塊、高級(jí)編程語(yǔ)言的使用、模塊化的編程方式，使PCC已能滿足各種工業(yè)控制的需要。該P(yáng)CC的編程平臺(tái)采用BR提供的Automation Studio軟件，Windows界面，使用方便。它具有RS232、RS485、RS422、和CAN、Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線接口，可以方便的構(gòu)成控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)控站（Provit2200）是一臺(tái)486工控機(jī)，配有CAN、RS485、RS422、RS232接口和5.7英寸彩色液晶觸摸屏和16鍵，通過(guò)RS422與PCC交換信息。該P(yáng)CC除了配有CPU和CAN通訊模塊外，還裝配了5塊數(shù)字量輸入（5＊16點(diǎn)）模塊、3塊數(shù)字量輸出（3＊16點(diǎn)）模塊、2塊模擬量輸入（2＊8點(diǎn)）模塊和2塊模擬量輸出模塊。邏輯控制部分采用梯形圖編程，CAN通訊部分和閉環(huán)控制部分采用Basic語(yǔ)言編程，也可以選用C語(yǔ)言編程。全部程序由三人分頭完成，放在同一個(gè)項(xiàng)目下面。相互的關(guān)聯(lián)借助全局變量完成。

圖1 退煮漂聯(lián)合機(jī)控制簡(jiǎn)圖

3 基于CAN總線的PLC濕法氈生產(chǎn)線卷繞部分控制方案

控制部分的核心是一臺(tái)西門子S5-95U可編程控制器PLC和三臺(tái)Lenze93系列交流伺服控制器9326。PLC通過(guò)CAN總線與三臺(tái)交流伺服控制器9326交換信息，實(shí)現(xiàn)變張力卷繞控制，如圖2所示。S5-95U除了配有CAN通訊模塊外還有64點(diǎn)數(shù)字量輸入輸出。

圖2 濕法氈生產(chǎn)線卷繞部分工作原理圖

這里總共使用了三臺(tái)LENZE-9300系列伺服控制器（9326），驅(qū)動(dòng)三臺(tái)帶有旋轉(zhuǎn)變壓器（R）的變頻專用異步電動(dòng)機(jī)（M）。其中，拖輥伺服控制器9326（1）工作在速度模式，它的速度給定（1/2端）來(lái)自生產(chǎn)線主控PLC的模擬量輸出，輔助速度給定（3/4端）來(lái)自于松緊架信號(hào)，以此和生產(chǎn)線保持同步;卷軸1和卷軸2伺服控制器（2/3）工作在轉(zhuǎn)矩模式，具有內(nèi)部卷徑計(jì)算功能，能對(duì)通過(guò)CAN總線由PLC發(fā)送來(lái)的張力給定信息和由張力傳感器發(fā)送來(lái)的實(shí)際張力信息進(jìn)行閉環(huán)控制。無(wú)須對(duì)卷軸1和卷軸2實(shí)行專門的速度控制，它們能夠自動(dòng)的將其線速度浮動(dòng)到需要的數(shù)值。卷徑計(jì)算所需要的線速度信息由拖輥伺服控制器通過(guò)專門的速度級(jí)聯(lián)接口X9-X10送來(lái)，卷徑計(jì)算所需要的轉(zhuǎn)速信息由旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)定。卷軸1和卷軸2交替工作，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的卷繞，由LENZE-8215變頻器驅(qū)動(dòng)的換軸電機(jī)完成換軸功能（圖中沒(méi)有畫(huà)出）。CAN總線還將伺服控制器（2/3）計(jì)算出的卷徑信息發(fā)送到PLC，由PLC據(jù)此完成張力給定的計(jì)算，然后通過(guò) CAN總線送回伺服控制器（2/3）。卷繞部分對(duì)卷軸的要求是內(nèi)緊外松，這就要求初始張力大，隨著卷徑的變大，張力按照某種規(guī)律逐漸變小。該應(yīng)用系統(tǒng)能完全滿足這些要求，實(shí)際運(yùn)行證明上述卷繞系統(tǒng)運(yùn)行可靠，卷徑由86毫米到1200毫米卷繞密實(shí)整齊，卷繞速度可達(dá)80米/分。

4 基于CAN總線的工控機(jī)平網(wǎng)印花機(jī)刮印部分控制方案

圖3示出了一個(gè)對(duì)BUSH-5V平網(wǎng)印花機(jī)刮印部分控制的改造方案。原方案在中央控制器和刮印單元之間使用RS-232串行通訊，速度慢，可靠性差。因而一些關(guān)鍵性的操作仍然沿用傳統(tǒng)的方法，直接連線。BUSH-7V改用RS-485串行通訊，可靠性有了提高。在我們的方案中，使用CAN總線實(shí)現(xiàn)中央控制IPC與各刮印單元變頻器之間的串行通訊，廣播起停命令、監(jiān)控各刮印單元的工作狀況;各刮印單元之間也可以相互通訊，復(fù)制設(shè)定信息，簡(jiǎn)化刮印單元參數(shù)的重復(fù)設(shè)定。鑒于CAN的可靠性很高，所有的控制和狀態(tài)信號(hào)都通過(guò)總線發(fā)送，簡(jiǎn)化了布線，提高了實(shí)時(shí)性。

這里，刮印單元共有18套，使用我們自己開(kāi)發(fā)的基于DSP的專用變頻控制器。運(yùn)動(dòng)控制專用TMS320LF2407 DSP芯片中集成有CAN控制器，不用增加任何硬件，專用變頻器便有了CAN通訊功能。中央控制單元IPC中配有CAN通訊卡。

有關(guān)CAN總線的討論文章已經(jīng)很多，用的比較多的獨(dú)立CAN芯片是SJA1000，帶有CAN控制器的8位單片機(jī)有P8xC591等，但是TMS320LF2407中集成的CAN控制器很有特點(diǎn)。它有六個(gè)郵箱，其中有兩個(gè)發(fā)送郵箱、兩個(gè)接收郵箱、兩個(gè)發(fā)送/接收可選郵箱;每個(gè)發(fā)送郵箱有獨(dú)立的發(fā)送標(biāo)識(shí)碼，每個(gè)接收郵箱有獨(dú)立的接收驗(yàn)收碼，每?jī)蓚€(gè)接收郵箱公用一個(gè)接收屏蔽碼。這種多郵箱安排比SJA1000的相當(dāng)于只有兩個(gè)郵箱（一個(gè)接收郵箱/一個(gè)發(fā)送郵箱）來(lái)說(shuō)，極大的方便了用戶構(gòu)造更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)更為靈活的通訊。也簡(jiǎn)化了通訊協(xié)議的編寫(xiě)。

ISO 11898 CAN通訊協(xié)議只有兩層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，必不可少的應(yīng)用層協(xié)議留給二次開(kāi)發(fā)者選擇或者設(shè)計(jì)?？梢赃x用的較為通用的應(yīng)用層協(xié)議主要有：CANopen、DeviceNet和SDS，其中CANopen在歐洲較為流行，而DeviceNet、SDS則在美國(guó)比較普遍。考慮到我們所開(kāi)發(fā)的平網(wǎng)印花機(jī)刮印單元變頻器是專用的，因而沒(méi)有采用通用的應(yīng)用層協(xié)議，而是量身定做了我們專用的應(yīng)用層協(xié)議。物理層協(xié)議負(fù)責(zé)物理信號(hào)的傳輸、譯碼、位時(shí)序、位同步等功能;數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議負(fù)責(zé)總線仲裁、信息分幀、數(shù)據(jù)確認(rèn)、錯(cuò)誤檢測(cè)、流量控制等功能;應(yīng)用層協(xié)議主要負(fù)責(zé)標(biāo)識(shí)符的分配，其次是網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)或者監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的處理等。由于CAN協(xié)議沒(méi)有規(guī)定信息標(biāo)識(shí)符的分配，因而可以根據(jù)不同的應(yīng)用使用不同的方法。所以，在設(shè)計(jì)一個(gè)基于CAN的通訊系統(tǒng)時(shí)，確定CAN標(biāo)識(shí)符的分配非常重要，是應(yīng)用層協(xié)議的主要內(nèi)容。

圖3 平網(wǎng)印花機(jī)CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)

5 結(jié)論

從以上的分析論述中，可以得出以下簡(jiǎn)單的結(jié)論：CAN總線以其特點(diǎn)，與PLC和IPC相結(jié)合，已經(jīng)在印染類設(shè)備（包括造紙類設(shè)備）的控制中占有了重要的位置。考慮到CAN的開(kāi)發(fā)比較容易，應(yīng)用層協(xié)議留下了二次開(kāi)發(fā)的余地，對(duì)于沒(méi)有自己的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的中國(guó)來(lái)說(shuō)，CAN給了我們機(jī)會(huì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 陽(yáng)憲惠 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用 清華大學(xué)出版社 1999.6

[2] Pro.Dr.-lng.K.Etschberger 基于CAN的較高層協(xié)議和子協(xié)議

[3] 齊蓉 可編程控制器教程 西北工業(yè)大學(xué)出版社 2000.9

[4] 江思敏 TMS320LF240＊ DSP硬件開(kāi)發(fā)教程 機(jī)械工業(yè)出版社 2003.6