趙敏華,張文東 ,劉文江
　　(1.西安儀表廠PLC 工程部,西安710082；2. 貝加萊西安辦事處,西安710000；3. 西安交通大學(xué)信控學(xué)院,西安710000)　　

　　摘要: 介紹了一種基于CAN 總線的塑窗焊接清理生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。論述了CAN 總線的特性和設(shè)計應(yīng)用、系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),控制原理等。由于采用全數(shù)字CAN 網(wǎng)絡(luò)技術(shù),數(shù)據(jù)傳輸安全準(zhǔn)確、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

　　關(guān)鍵詞: CAN 總線；PCC；IPC；PANELWARE；協(xié)議；現(xiàn)場總線

　　1 前言

　　隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)、過程控制中的不斷推廣應(yīng)用,工業(yè)控制過程對現(xiàn)場信號的傳輸和數(shù)據(jù)交換的要求也越來越高,由于全數(shù)字信號系統(tǒng)較之傳統(tǒng)模擬信號具有抗干擾性強、速率高、建設(shè)周期短等特點,數(shù)字化的現(xiàn)場總線迅速成為當(dāng)前工業(yè)控制領(lǐng)域的一個焦點。目前,市場上有多種現(xiàn)場總線技術(shù)如HART、PROFIBUS、FF 等, 其中CAN (Controller Area Network) 現(xiàn)場總線是德國BOSCH 公司推出的一種現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)ISO 組織的OSI (開放系統(tǒng)互連) 的要求,其具有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。CAN 總線基于令牌協(xié)議,在物理上是總線結(jié)構(gòu),協(xié)議的制定包含優(yōu)先級,狀態(tài)變動和控制權(quán)移交等關(guān)鍵技術(shù)。本文介紹了一種基于CAN 總線的生產(chǎn)線控制系統(tǒng),具體闡述了奧地利貝加萊公司的自控產(chǎn)品通過CAN 網(wǎng)絡(luò)在塑料門窗焊接清理生產(chǎn)線的實際應(yīng)用及特點。

　　2 CAN總線的基本特性

　　2. 1 現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)的特點

　　(1) 系統(tǒng)的開放性。開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開,各不同廠家的設(shè)備之間可互連為系統(tǒng)并可實現(xiàn)信息交換。這里的開放是指相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致性、公開性,強調(diào)對標(biāo)準(zhǔn)的共識與遵從。開放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權(quán)利交給了用戶。用戶可按自己的需要和考慮,把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。
　　(2) 可互操作性與互用性。指實現(xiàn)互連設(shè)備間的信息傳送與溝通以及對不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可實現(xiàn)相互替換。
　　(3) 現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性。它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中去完成,因此,僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動控制的基本功能,并可隨時診斷設(shè)備的運行狀態(tài)。
　　(4) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性。構(gòu)成一種新的全分散型控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有集散控制系統(tǒng)體系,簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高了可靠性。
　　(5) 對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性。系統(tǒng)具有較強的糾錯能力,并可滿足安全防爆要求。

　　2. 2 現(xiàn)場總線的優(yōu)越性

　　(1) 節(jié)省硬件數(shù)量與投資。
　　(2) 節(jié)省安裝費用。
　　(3) 節(jié)省維護(hù)費用。
　　(4) 用戶擁有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)。
　　(5) 提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。
　　(6) 設(shè)計簡單,易于重構(gòu)。

　　2. 3 CAN總線技術(shù)特性

　　從物理結(jié)構(gòu)上看,CAN 屬于總線式通訊網(wǎng)絡(luò),與BITBUS ,RS485 相似,又有本質(zhì)區(qū)別。它是一種專門用于工業(yè)自動化領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò),不同于以太網(wǎng)等管理和信息處理用網(wǎng)絡(luò)。其物理特性及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議特性更強調(diào)工業(yè)自動化的底層監(jiān)測及控制。它采用了最新的技術(shù)及獨特的設(shè)計,其可靠性和性能超過了已陳舊的現(xiàn)場通訊技術(shù), 如RS485 ,BITBUS 等。CAN 具有下列主要特性:

　　(1) CAN 插卡可任意插在PC ,XT ,AT 兼容機上,方便地構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。
　　(2) CAN 可以多主方式工作,網(wǎng)絡(luò)上任意一個節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)其它節(jié)點發(fā)送信息,而不分主從,通訊方式靈活。利用這一特點也可以方便地構(gòu)成(容錯) 多機備份系統(tǒng)。
　　(3) CAN 無破壞性地基于優(yōu)先權(quán)的仲裁,可滿足不同的實時要求,有效避免了總線沖突。
　　(4) CAN 可以點對點,一點對多點(成組) 及全局廣播等幾種方式傳送和接收數(shù)據(jù)。
　　(5) CAN 采用短幀結(jié)構(gòu),每一幀有效字節(jié)為8個,這樣傳輸時間短,受干擾概率低,重新發(fā)送時間短。
　　(6) CAN 每幀信息都有CRC 校驗及其它檢錯措施,保證了數(shù)據(jù)的出錯率極低。
　　(7) 暫時錯誤和永久性故障的故障節(jié)點的判別以及故障節(jié)點的自動脫離。
　　(8)NRZ 編碼/ 解碼方式,并采用位填充(插入) 技術(shù)。
　　(9) 通訊介質(zhì)采用雙絞線,無特殊要求。

　　3 塑窗生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的設(shè)計和原理(圖1)

　　圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　3. 1 控制系統(tǒng)的設(shè)計

　　塑窗生產(chǎn)線的要求為數(shù)控三軸焊接機,冷卻中心,數(shù)控四軸清角清縫機聯(lián)成一體,加工數(shù)據(jù)及工作情況信息共享,根據(jù)工廠的要求,焊接機和清理機即可同時工作,實現(xiàn)流水線生產(chǎn),又可設(shè)定單獨工作。為此,焊接機和清理機各設(shè)一臺人機界面,實時監(jiān)測設(shè)備運行情況。實際生產(chǎn)計劃根據(jù)生產(chǎn)調(diào)度人員的安排,利用專用數(shù)據(jù)處理軟件包,生成指令軟盤來管理設(shè)備運行,運行人員每班僅需將軟盤插入計算機軟驅(qū)內(nèi),便可按照軟盤的加工參數(shù),實現(xiàn)自動加工。

　　如圖1 所示,生產(chǎn)線控制系統(tǒng)采用貝加萊公司的整套自控系統(tǒng)設(shè)備來實現(xiàn)CAN 現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)處理, 焊接機采用工業(yè)控制用計算機PROVIT2000 作為監(jiān)測設(shè)備,在清理機設(shè)置一臺人機面板PANELWARE ,焊接機控制器為PCC1 ,清理機控制器為PCC2。在CAN 網(wǎng)絡(luò)上,主站為工控機,可編程控制器PCC 和人機面板PANELWARE ,通過CAN 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)主站之間的數(shù)據(jù)通信。從站為傳動裝置,伺服驅(qū)動器(用于伺服電機定位) 和變頻驅(qū)動器(用于交流電機調(diào)速) ,從站取不同的站號,依次設(shè)為1 ,2 ,3 (3 軸伺服驅(qū)動用于焊接) ,4(變頻實現(xiàn)機械手運動) ,5 ,6 ,7 ,8 (4 軸伺服驅(qū)動用于清理) 。

　　3. 2 控制原理

　　3.2.1 焊接機控制原理

　　焊接機控制原理為:工控機讀取軟盤信息,通過CAN 總線傳遞到可編程計算機控制器PCC1中,操作人員按照預(yù)先切割好的PVC 型材,放置到加工位置,PCC1 根據(jù)加工參數(shù),使用貝加萊的專用NCACTION 函數(shù),通過CAN 網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù),控制指定的從站伺服驅(qū)動器,直線定位運動,配合其它IO 端口輸出,從而達(dá)到加熱焊接的要求,同時通過NET2CAN 函數(shù),讀取清理機PCC2 的狀態(tài)信息,如果正常,便通過傳送帶將焊接好的窗框傳送到冷卻中心;如果異常,便暫停傳送,以免堆料窗框在冷卻中心冷卻,然后由機械手傳輸?shù)角謇頇C實現(xiàn)清角焊縫。

　　3.2.2 清理機控制原理

　　清理機控制原理為: PCC2 根據(jù)與PCC1 之間進(jìn)行的NET2CAN 數(shù)據(jù)交換,得到焊接的型材序號,通過CAN 網(wǎng)絡(luò)在人機面板上實現(xiàn)實時工況顯示,通過貝加萊FRAME DRIVER 幀通信軟件包,仿真?zhèn)惔巫冾l電機的CAN 通信協(xié)議,控制電機實現(xiàn)機械手的往復(fù)運動,將冷卻中心焊接冷卻后的窗框用機械手拉到加工指定區(qū)間,隨后推料器將窗框推到三角加工區(qū)內(nèi)；PCC2 根據(jù)加工參數(shù),使用NCACTION 函數(shù),通過CAN 網(wǎng)絡(luò),控制指定的四臺從站伺服驅(qū)動器聯(lián)動,根據(jù)直線或園弧插補要求,實現(xiàn)CNC 曲線的定位,結(jié)合其它工件動作,達(dá)到清內(nèi)角,外角,縫隙的目的,同時將當(dāng)前狀態(tài)通過NET2000 CAN—Write 函數(shù)寫到焊接機控制器PCC1 里,保證加工狀態(tài)的信息共享。

　　4 系統(tǒng)特點

　　(1) 生產(chǎn)線主站為工控機,人機面板,兩個PCC 可編程控制器,從站為七個ACOPOS 伺服驅(qū)動器和一個倫次變頻驅(qū)動器。有極高的系統(tǒng)集成度。
　　(2) 主站之間采用貝加萊公司通用CAN 網(wǎng)絡(luò)PVI 傳輸協(xié)議,在軟件中設(shè)定不同通信站點,方便系統(tǒng)之間的相互連接,組網(wǎng)簡單明了。
　　(3) 系列產(chǎn)品作為從站時,僅需設(shè)定撥碼開關(guān)為從站地址,與主站采用專用的CAN 通信函數(shù),具有可靠、高速、簡單的優(yōu)點。
　　(4) 與其它產(chǎn)品進(jìn)行CAN 網(wǎng)絡(luò)通信時,可按照對方提供的CAN 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議,采用貝加萊特有的自由通信軟件包( FRAME DRIVER) ,依據(jù)通信對象、數(shù)據(jù)格式、傳輸速率,編制對方協(xié)議,實現(xiàn)相互連接,數(shù)據(jù)雙向交換的目的。
　　(5) 控制器PCC 與伺服, 變頻驅(qū)動器采用CAN 總線連接,節(jié)省了以往需要的大量信號線。同時,控制器可以節(jié)省許多的編碼器信號采集模塊及輸出控制模塊。
　　(6) 由于采用全數(shù)字CAN 網(wǎng)絡(luò)技術(shù),數(shù)據(jù)傳輸安全準(zhǔn)確,避免了模擬信號給定精度低,容易受到外界環(huán)境干擾的缺點。

　　5 結(jié)束語

　　生產(chǎn)線已經(jīng)在濟南天辰機械有限公司研制成功,經(jīng)過了廠內(nèi)嚴(yán)格的測試,運行效果良好,并參加了2000-09 在北京舉辦的國際建筑材料設(shè)備展覽會,得到了與會專家代表的肯定。