亓學(xué)蕓

摘 要：本文在介紹CAN總線技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用CAN總線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)通信方案，提高了傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的數(shù)字化水平。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；CAN總線；聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TG596

1 CAN總線技術(shù)的簡介

CAN（Controller Area Network），稱為控制器局域網(wǎng)。由于CAN總線的高性能和高可靠性，人們?cè)絹碓街匾?，CAN總線已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制網(wǎng)絡(luò)。CAN總線剛開始主要應(yīng)用在汽車工業(yè)上，作為汽車控制系統(tǒng)與各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)間通信使用?，F(xiàn)在CAN總線不局限在汽車工業(yè)，應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展到制造業(yè)、自動(dòng)控制和醫(yī)療器械等?，F(xiàn)在CAN總線的規(guī)范發(fā)展到CAN2.0。

綜合以上介紹的現(xiàn)場(chǎng)總線的綜合性能，CAN總線的波特率能夠達(dá)到1Mb/s，傳輸距離長達(dá)10Km。數(shù)據(jù)線采用雙絞線，能夠防止干擾信號(hào)。一般制造企業(yè)車間生產(chǎn)設(shè)備與控制室之間的間距在2Km，選擇CAN總線具有其他總線所無法達(dá)到的優(yōu)勢(shì)。所以本課題采用CAN總線進(jìn)行通信傳輸。

2 CAN總線技術(shù)的特點(diǎn)

（1）CAN的工作方式為多主方式，廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，采用對(duì)數(shù)據(jù)塊編碼的方式，對(duì)節(jié)點(diǎn)的控制非常靈活，增減節(jié)點(diǎn)時(shí)不需重新修改程序。同時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以在任意時(shí)刻通過總線發(fā)送信息。

（2）CAN總線上的節(jié)點(diǎn)信息被劃分成不同的優(yōu)先級(jí)，當(dāng)總線上有多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先這些信息根據(jù)優(yōu)先級(jí)來確定發(fā)送信息的順序，優(yōu)先級(jí)高的先發(fā)送直至發(fā)送完成，優(yōu)先級(jí)低的發(fā)送權(quán)取消，等總線空閑時(shí)再發(fā)送信息。

（3）CAN采用差分信號(hào)傳輸技術(shù)。通信節(jié)點(diǎn)通過CANH和CANL兩條雙絞線信號(hào)線連接到總線上，依靠兩條信號(hào)線的電位差變化來傳輸信息，任何一條數(shù)據(jù)線遭受到破壞時(shí)CAN總線系統(tǒng)仍然能傳輸信息，因此這種總線適合比較惡劣的工作環(huán)境。

（4）CAN總線提前設(shè)置好報(bào)文濾波，所以總線上的節(jié)點(diǎn)在接受和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，無需專門的調(diào)度便可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

（5）通信距離比較長。當(dāng)通信速率在5kbps時(shí)通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km。

（6）總線驅(qū)動(dòng)電路決定了CAN總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)，總線上最多可連接128個(gè)節(jié)點(diǎn)；CAN2.0A規(guī)范的報(bào)文標(biāo)識(shí)符有2032種，而CAN2.0B規(guī)范的報(bào)文標(biāo)識(shí)符數(shù)量不受限制。

（7）CAN總線采用短幀結(jié)構(gòu)。每幀共有8個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間較短，并且數(shù)據(jù)傳輸時(shí)幾乎不受干擾，檢錯(cuò)效果好。

（8）由于使用CRC校驗(yàn)，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低，適合在干擾較高的環(huán)境中工作。

（9）CAN總線有自動(dòng)關(guān)閉功能，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息出現(xiàn)發(fā)生重大錯(cuò)誤時(shí)能夠自動(dòng)關(guān)閉總線，避免影響其他節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)仍可以正常進(jìn)行操作。

從上述特點(diǎn)可以看出，CAN總線在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制局域網(wǎng)中的優(yōu)勢(shì)非常明顯，檢錯(cuò)和抗干擾能力很強(qiáng)，十分適合工業(yè)自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)。

3 CAN總線的工作原理

CAN采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

CAN總線網(wǎng)絡(luò)采用雙絞線：CAN-L和CAN-H。所有節(jié)點(diǎn)通過CAN-L和CAN-H連到總線上，兩條線路的信號(hào)傳輸方向相反能夠抑制外部的信號(hào)干擾。在總線的兩端接電阻，防止信號(hào)傳輸?shù)浇K點(diǎn)時(shí)返回以致產(chǎn)生信號(hào)疊加，出現(xiàn)嚴(yán)重故障。在傳輸網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送信號(hào)，不分主次，所以成為多主方式。CAN總線通訊基于報(bào)文傳輸，而非基于站點(diǎn)，所以網(wǎng)絡(luò)上可以很方便的增加節(jié)點(diǎn)，不用重新編寫程序。

CAN總線用顯性和隱性表示“0”和“1”。當(dāng)兩條信號(hào)線的差分電壓相近，都在2.5V左右時(shí)，總線的邏輯狀態(tài)為邏輯值“1”，表示為隱性。如果信號(hào)線CANH比CANL高時(shí)，總線的邏輯狀態(tài)為邏輯值“0”，表示為顯性，如圖2所示。當(dāng)通信過程中同時(shí)出現(xiàn)顯性位和隱性位時(shí)，隱性位將被顯性位覆蓋，總線顯示為顯性，CAN總線便是利用這種特性檢測(cè)通訊過程中的信號(hào)沖突。

我國目前機(jī)械制造業(yè)的現(xiàn)狀是有相當(dāng)多的車間數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床共存。但是這些數(shù)控機(jī)床大多數(shù)都處于單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)的大發(fā)展的前提下，機(jī)械制造業(yè)由傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式向自動(dòng)化生產(chǎn)發(fā)展，這就需要對(duì)數(shù)控設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。但是柔性制造系統(tǒng)過于依靠物流自動(dòng)化，推廣難度很大。如果對(duì)數(shù)控設(shè)備進(jìn)行集成聯(lián)網(wǎng)，既提高了數(shù)控設(shè)備的利用率，也可以極大提高了先進(jìn)的生產(chǎn)管理制造模式在我國當(dāng)前制造業(yè)中的推廣，對(duì)我國當(dāng)前的制造業(yè)具有非常重要的意義。

4 數(shù)控機(jī)床連網(wǎng)通訊方案設(shè)計(jì)

連網(wǎng)方案設(shè)計(jì)如圖3所示，控制計(jì)算機(jī)作為中央控制器，負(fù)責(zé)加工零件程序的保存、傳輸，負(fù)責(zé)數(shù)控機(jī)床的管理和控制。零件的加工程序存儲(chǔ)到控制計(jì)算機(jī)上，然后由控制計(jì)算機(jī)將加工程序通過CAN總線傳到相應(yīng)的控制機(jī)床上，進(jìn)行零件加工。各數(shù)控機(jī)床也可以將存儲(chǔ)的NC程序和零件加工的相關(guān)信息通過總線傳輸?shù)娇刂朴?jì)算機(jī)上。圖3為簡化設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

5 設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證

使用9個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，其中8個(gè)通信節(jié)點(diǎn)通過RS232串口連接數(shù)控機(jī)床。另外1個(gè)通信節(jié)點(diǎn)通過CAN總線與其他8個(gè)通信節(jié)點(diǎn)連接，并通過RS232串口連接控制計(jì)算機(jī)。經(jīng)驗(yàn)證，各節(jié)點(diǎn)間通信正常，節(jié)點(diǎn)與數(shù)控機(jī)床以及控制計(jì)算機(jī)通信正常。實(shí)驗(yàn)證明該方案完全可行。

6 結(jié)束語

經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，該系統(tǒng)可以完成將數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生的數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)的工作，各節(jié)點(diǎn)間通信正常，1臺(tái)主控計(jì)算機(jī)可以控制8臺(tái)數(shù)控機(jī)床，受限于測(cè)試條件，沒有進(jìn)行連接更多機(jī)床的進(jìn)一步測(cè)試。該系統(tǒng)理論上最多可以控制256臺(tái)數(shù)控機(jī)床。

參考文獻(xiàn)：

[1]張宏兵.數(shù)字化制造車間集成管理系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].南京理工大學(xué)，2010.

作者單位：山東理工職業(yè)學(xué)院，山東濟(jì)寧 272000