基于現(xiàn)場總線的工業(yè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析

肖 軍，苑傳林，劉 龍

大連東軟信息學院電子工程系

基于現(xiàn)場總線的工業(yè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析

肖 軍，苑傳林，劉 龍

大連東軟信息學院電子工程系

現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)是一種全網(wǎng)化的控制系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)信息的實時反饋，與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比較，這種新型的系統(tǒng)中的控制數(shù)據(jù)都是經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)傳輸?shù)?，控制任?wù)的完成需要網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間緊密協(xié)調(diào)來完成。工業(yè)設(shè)備控制中引入網(wǎng)絡(luò)，促進了現(xiàn)場控制與上層管理之間的聯(lián)系。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)具有資源共享、易于擴展以及高效可靠的特點，在工業(yè)設(shè)備控制中能夠?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的實時監(jiān)控和統(tǒng)一管理，從而有助于增強企業(yè)的生產(chǎn)水平。本文就基于現(xiàn)場總線的工業(yè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行綜合分析。

現(xiàn)場總線；工業(yè)設(shè)備；網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；分析

一、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)概述

現(xiàn)場總線系統(tǒng)是一種分布式實時系統(tǒng)，該系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)主要分為三個部分，分別是控制網(wǎng)絡(luò)層、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)層以及決策支持層?？刂凭W(wǎng)絡(luò)層通過與上層管理網(wǎng)的連接，能夠?qū)⒐I(yè)現(xiàn)場的各種參數(shù)以及數(shù)據(jù)上傳到上級管理網(wǎng)絡(luò)中，從而為管理層的決策提供基礎(chǔ)資料，實現(xiàn)管控一體化。此外，現(xiàn)場總線是面向現(xiàn)場控制設(shè)備的一個開放互聯(lián)系統(tǒng)。由于工業(yè)現(xiàn)場中存在大量的傳感器以及控制器等現(xiàn)場設(shè)備，這些設(shè)備的分布范圍也比較大，對于控制這些設(shè)備的工業(yè)底層網(wǎng)絡(luò)而言，采用單個節(jié)點對信息進行控制時，控制的信息量不會太大，難以滿足信息傳輸?shù)膶崟r性及快速性的要求，不能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場的需求。為了實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的實時性要求，需要對具體應(yīng)用對象的功能要求進行合理的選擇。網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計是解決工業(yè)信息傳輸實時性的有效方法。網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計中需要綜合考慮主要技術(shù)，一方面，要求數(shù)據(jù)傳送的可靠性、實時性，對于一些進行設(shè)備改造的制造行業(yè)中，在設(shè)計過程中還應(yīng)該考慮到網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)成本以及維護成本。

二、基于CAN的工業(yè)設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計

（一）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的選擇

以印染工業(yè)現(xiàn)場的設(shè)備控制為例，在實施中可以選擇CAN作為網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實時性較高，其總線具有極高的利用率，能夠?qū)崿F(xiàn)多種工作方式，信息的發(fā)送可以通過網(wǎng)絡(luò)任意一個節(jié)點向其他的節(jié)點發(fā)送。CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點分為不同的優(yōu)先等級，在進行信息傳輸?shù)倪^程中，如果數(shù)據(jù)同時進行傳輸，優(yōu)先等級較低的節(jié)點就會主動停止法傳送信息，但是優(yōu)先等級較高的節(jié)點信息傳輸不會受到任何影響，不僅節(jié)省了總線沖突仲裁的時間，同時還能夠避免網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)癱瘓的狀況。此外，利用這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸，最長的數(shù)據(jù)段長度字節(jié)為8個，不會對總線傳輸?shù)臅r間造成影響，從而最終使得通信的實效性得到保障。從網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃苑矫鎭碇v，CAN協(xié)議采用了CRC效驗方式，能夠提供錯誤處理的功能，從而使得數(shù)據(jù)通信的可靠性功能得到保障，一些信息一旦在發(fā)送的過程中遭受其他人的破壞，可以重新進行發(fā)送，信息發(fā)送錯誤嚴重的情況下節(jié)點就會主動退出總線。此外，從信息發(fā)送的靈活性方面來講，CAN總線具有自行定義通信協(xié)議的功能。不僅如此，CAN與PC機以及微控制器之間的接口較為方便。對PC工口控機進行操作時，可以直接使用具有PCI總線的CAN總線控制器板卡，然后將PC工控機聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)，從使用的成本上進行考慮，CAN的總線成本相對較低，網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的選擇可以采用雙絞線作為主要的介質(zhì)。

（二）智能控制器的總體設(shè)計

在印染工業(yè)當中，染缸智能控制器的主要任務(wù)就是對染缸的溫度以及運轉(zhuǎn)情況進行整體控制，然后通過CAN總線將染缸的溫度信息以及設(shè)備運行的具體狀況傳送給管理層。染缸智能控制器的設(shè)計核心主要是以50片單片機為主，主要完成四項功能，首先是對溫度數(shù)據(jù)進行采集，對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換處理，其次是對檢測開關(guān)量的輸入狀況，控制繼電器的輸出；緊接著是通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)，最后一項就是CAN總線接口。其中，溫度控制的好壞狀況將直接影響到工業(yè)制造中產(chǎn)品的質(zhì)量，轉(zhuǎn)換器的選擇直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的工作精度。為了保障轉(zhuǎn)換器能夠具有較高的進度，并且不會影響到轉(zhuǎn)換器的效率，可以選擇典型的12位雙積分的轉(zhuǎn)換器，并且這種轉(zhuǎn)換器具有較強的接口功能，方便其與微處理器之間的連接。此外，考慮到連接溫度測量電阻的導線在運行過程中容易引進工頻干擾以及其他形式的輻射，為此，可以選擇雙積分轉(zhuǎn)換芯片，這樣能夠較好的抑制工頻干擾?？刂破鞴?jié)點電路圖如下所示：

圖一電路原理圖

（三）系統(tǒng)運行中采取的抗干擾性措施

工業(yè)生產(chǎn)車間中，很多設(shè)備都是強電并且功率較大的設(shè)備，直流電機在貢獻過程中采用可控硅整流供電，就會對電網(wǎng)的運行造成嚴重的污染。如果控制其中的繼電器以及中間接觸器斷開時，就會產(chǎn)生電磁輻射，從而對控制器的正常工作造成嚴重的影響。從中能夠看出，微控制器的運行環(huán)境存在潛在的危險性，需要在系統(tǒng)設(shè)計過程中采取一定的干擾措施來解決這些問題。可以采用輸入以及輸出信號隔離措施，對狀態(tài)進行實時控制，將控制器與強電回路之間進行連接，然后采取隔離措施，例如對光電隔離措施的應(yīng)用。從而增強系統(tǒng)本身的抗干擾性能力，保障生產(chǎn)設(shè)備的正常運行。

結(jié)束語

在工業(yè)生產(chǎn)中，基于現(xiàn)場總線的設(shè)備管理系統(tǒng)設(shè)計，通過智能控制器能夠連接工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的監(jiān)控以及數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的使用能夠增強企業(yè)的生產(chǎn)效率，并且對各種設(shè)備的控制精度遠遠高于人工控制。不僅如此，智能控制器的使用能夠提高產(chǎn)生質(zhì)量，減少企業(yè)生產(chǎn)中造成的污染，使整個企業(yè)的經(jīng)濟效益得到快速的提升。網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的集中管理促進了企業(yè)生產(chǎn)安排以及數(shù)據(jù)分析的一體化管理，對工業(yè)企業(yè)的發(fā)展起到很大的促進作用。

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