1 引言

煉鋼及冶金企業(yè)是國家宏觀經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)，同時也是電耗大戶，節(jié)能潛力不容忽視。目前，雖然多數(shù)煉鋼及冶金企業(yè)都采用數(shù)字電表，但仍采用人工手抄的方式，對用電情況缺少實時監(jiān)測和控制能力，能源監(jiān)管問題突出。因此，實現(xiàn)電能的自動計量、采集及網(wǎng)絡(luò)化管理，是煉鋼及冶金企業(yè)的必由之路。

can總線比之rs-485，具有實時性、可靠性高，安全性強(qiáng)等優(yōu)越性；與其他現(xiàn)場總線相比，can總線具有突出的可靠性、實時性和靈活性。本文運(yùn)用can總線實現(xiàn)數(shù)字電表的實時數(shù)據(jù)采集，并通過internet將數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化管理，以實現(xiàn)煉鋼及冶金企業(yè)節(jié)能增效的目的。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主服務(wù)器裝有oracle數(shù)據(jù)庫，用于存儲來自工業(yè)現(xiàn)場各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。區(qū)域上位機(jī)裝有access數(shù)據(jù)庫，可暫時對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲備份，數(shù)據(jù)庫定期清空。從分布工業(yè)現(xiàn)場的各數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)（即數(shù)字電表）采集到的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，經(jīng)過can總線傳到區(qū)域上位機(jī)，再由上位機(jī)通過internet傳到系統(tǒng)主服務(wù)器。在系統(tǒng)服務(wù)器上對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和分析，運(yùn)用相應(yīng)算法得到處理結(jié)果。然后通過internet將控制命令傳到各相應(yīng)區(qū)域上位機(jī)，上位機(jī)再通過can總線將數(shù)據(jù)傳到各控制節(jié)點(diǎn)。在整個現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，現(xiàn)場智能設(shè)備層是整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的核心，只有確保總線設(shè)備之間可靠、準(zhǔn)確、完整的數(shù)據(jù)傳輸，上層網(wǎng)絡(luò)才能獲取信息以實現(xiàn)其監(jiān)控功能。因此，本文主要介紹現(xiàn)場設(shè)備間的通信與控制。

3 基于can總線的分布式監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 can總線簡介

can 總線是德國bosch 公司為解決現(xiàn)代車輛中的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種數(shù)據(jù)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。can 總線遵從iso/osi 模型，分為3 層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層與應(yīng)用層。can通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，通過標(biāo)準(zhǔn)接插件可方便的連接，傳輸速率可達(dá)1mbps（通信距離<40m）， 直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（通信速率<5kbps），同一段總線內(nèi)最多可接110個設(shè)備。目前，can是唯一取得國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線。

3.2 can節(jié)點(diǎn)的劃分

每個can總線分系統(tǒng)采用一主多從分布式結(jié)構(gòu)。主節(jié)點(diǎn)為can網(wǎng)關(guān)，從節(jié)點(diǎn)分?jǐn)?shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)兩種。can網(wǎng)關(guān)用于完成can總線與上位機(jī)pc之間通信；數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)用于采集現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，主要有：a相電壓、b相電壓、c相電壓、a相電流、b相電流、c相電流、頻率、功率因數(shù)、無功功率、有功功率以及采集時間等；控制節(jié)點(diǎn)主要完成上位機(jī)傳遞的控制命令。由分布廠區(qū)的各數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)組成分布式監(jiān)控系統(tǒng)，通過can網(wǎng)關(guān)與上位機(jī)通信，上位機(jī)通過internet與系統(tǒng)主服務(wù)器聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集、信息處理和網(wǎng)絡(luò)化控制。圖2是一個can總線分系統(tǒng)的硬件節(jié)點(diǎn)圖。

3.3 can通信協(xié)議的制定

在can分系統(tǒng)里，報文結(jié)構(gòu)采用can 2.0b協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)幀結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)幀由7個不同的位場組成：幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、crc場、應(yīng)答場、幀結(jié)尾。其中，仲裁場由11位標(biāo)識符（id28～id18）和rtr位組成，依次從id28～id18發(fā)送，并且高7位（id28～id22）不能全是“隱性”。 根據(jù)can總線逐位仲裁原理和分布式監(jiān)控系統(tǒng)各部分的特點(diǎn)，將仲裁場的11位標(biāo)識符作以下設(shè)計。

（1） id28～id26定義為優(yōu)先級?？梢?guī)定0～7個級別，具有最高優(yōu)先權(quán)的節(jié)點(diǎn)首先發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)相同優(yōu)先級別的報文同時發(fā)送時，繼續(xù)在仲裁域內(nèi)往后進(jìn)行逐位仲裁，直至有節(jié)點(diǎn)勝出為止。

（2） id25～id24規(guī)定為高低速can的標(biāo)識。用來區(qū)分高速與低速can報文。其中00 表示高速，01表示低速。

（3） id23～id18用于節(jié)點(diǎn)信號的分類，可留做具體組網(wǎng)時進(jìn)行分配。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

4.1 can總線節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計

can總線硬件節(jié)點(diǎn)分主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)兩種。主節(jié)點(diǎn)為can網(wǎng)關(guān)，從節(jié)點(diǎn)分?jǐn)?shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)兩種。由于can網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)處理量相對較大，采用ti公司內(nèi)置can驅(qū)動器的dsp處理器tms320lf2407。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)只需采集和處理與本節(jié)點(diǎn)相關(guān)的信息，故采用microchip公司的單片機(jī)pic16f876和can控制器mcp2510。pic單片機(jī)處理速度快，成本低，且具有極強(qiáng)的抗干擾能力，適合用在工業(yè)現(xiàn)場做數(shù)據(jù)采集和控制。主從節(jié)點(diǎn)硬件電路原理圖如圖3和圖4所示。

4.2 internet通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

internet節(jié)點(diǎn)使用普通的工控機(jī)，工控機(jī)可通過以太網(wǎng)卡與其它上位機(jī)和系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行通信，在此不做詳細(xì)介紹。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件分為主程序、數(shù)據(jù)采集和處理、輸出控制和顯示、can總線通信等程序。數(shù)據(jù)采集又分為開關(guān)量掃描、模擬量采集、脈沖量采集等程序。can總線通信程序包括can初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收等。

5.1 can節(jié)點(diǎn)主程序

系統(tǒng)主程序主要包括微處理器初始化，can控制器初始化，數(shù)據(jù)的采集與處理和輸出控制和顯示等部分。系統(tǒng)主程序流程圖見圖5。

5.2 can總線通信程序

can總線通信程序包括can初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收等。 初始化can控制器的操作包括: 硬件使能、軟件復(fù)位、設(shè)置報警界限、設(shè)置總線波特率、設(shè)置中斷工作方式、設(shè)置驗收濾波器工作方式、設(shè)置工作模式并啟動can等。在初始化過程中要注意數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備和數(shù)據(jù)接收設(shè)備的波特率應(yīng)相同，否則設(shè)備之間無法進(jìn)行通信。

can初始化完成后，進(jìn)入數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送階段。為保證發(fā)送數(shù)據(jù)的完整性,采用查詢方式發(fā)送數(shù)據(jù)；同時為保證接收數(shù)據(jù)的實時性,采用中斷方式接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送和接收流程圖如圖6所示。

發(fā)送數(shù)據(jù)時，將待發(fā)送的數(shù)據(jù)打包成符合can協(xié)議的幀格式后寫入發(fā)送緩沖區(qū)，并自動發(fā)送。在寫發(fā)送緩沖區(qū)前必須查詢其狀態(tài)，只有在有空閑的發(fā)送緩沖區(qū)時才將數(shù)據(jù)寫入。啟動發(fā)送成功后，通過查詢can狀態(tài)寄存器或配置發(fā)送成功中斷來判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功。

采用中斷方式接收數(shù)據(jù)，在初始化程序中必須使能接收中斷。在中斷服務(wù)子程序中，讀取can中斷允許寄存器，判斷是否有接收中斷標(biāo)志，有則讀取接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。為防止接收緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)溢出，可開辟一個循環(huán)接收數(shù)據(jù)隊列來暫時存儲數(shù)據(jù)，主程序則通過查詢該隊列來獲得總線數(shù)據(jù)。

6 測試結(jié)果

系統(tǒng)安裝調(diào)試后，經(jīng)過一段時間的運(yùn)行，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，無異?，F(xiàn)象。圖7是系統(tǒng)主服務(wù)器接收到的數(shù)據(jù)，其中ady表示a相電壓，adl表示a相電流，plv表示頻率，wg表示無功功率，yg表示有功功率，cjsj表示采集時間。

7 結(jié)束語

本文采用can總線傳輸技術(shù)解決鞍鋼集團(tuán)大孤山選礦廠數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)各部件之間的信號傳輸問題?；赾an總線的采礦廠數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)簡化了系統(tǒng)的傳輸線束，同時大大的提高了系統(tǒng)的可靠性和傳輸響應(yīng)的實時性，也為企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能降耗、成本核算、過程優(yōu)化以及建立mes信息管理系統(tǒng)奠定了物理基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn)（略）