混凝土搅拌站的CAN总线控制系统.pdf

哈尔滨工业 大学 陈大勇 瑟 霜 _ 的 混凝土 搅拌站 控制系 统。 c A N总 线技术的 控制系统具有通信可 靠、 抗干扰性好和传 输距离远的 特点， 提高 _ 了 系 统 的 可 靠 性 和 灵 活 lI生 。 c A N 总 线 的 混 凝 土 搅 拌 控 制 系 统 采 用 两 级 分 布 式 结 构 ， 由 工 控 机 和 各 智 能 节 点 ；- _ ； 组成。 工控机 上运行的 监控软件采用力控组态软件开 发， 可完全实现系统的管理、 监控等功能， 并且能 够进 ； _ 行故障的 检验和 诊断。 为了 保证系 统运行的 稳定， 设计中 还采用了 软件抗干扰措施。 该系统现场运行稳 定可 _ 靠， 接线简单、 易于 维护。 j _ 混凝土搅拌站是生产混凝土混合料的大型设厂 厂 r _ 备， 其控制系统直接关系到混凝土的生产质量和搅 I I h I l黧 霸 拌站的工作效率。目 前常见的混凝土搅拌站控制系广 广 I I l 统为工控机( I P c ) 结合P L c 可编程控制器组成的分 l l小 衙 卜 _ _ 叫I I 布式控制系统。工控机作为上位机完成监控管理功厂 厂LI I 能， 下位机为P L c 控制开关量信号。各单元之间用 I 丽I I 仞 林 卜 一 _ 叫l I l 打 印 机I R s 2 3 2 R S 4 8 5 串行通讯接口通讯。但R S 4 8 5 只能构厂 广 1 I现 I L _ r_ _ J 成主从式结构， 传输速率低， 系统的实时性、 可靠性 I l小 批 卜 叫 l场 l。 一厂 L耄 较差， 且P L c 编程不便。 本文介绍了利用c A N现场厂 厂1 L J 总 l l l 誊 总线组建混凝土搅拌站控制系统的 方案。 l l I 小 r I线 I 一 j 1 1 系统 总体 结构 现场总线技术是将单个分散的现场智能化测控 设备作为网络节点， 用总线连接 ， 实现信息的交换。 它为分布式控制系统各节点之间实时、可靠的数据 通信提供了强有力的技术支持 。 采用 C A N现场总线技术的混凝土搅拌站控制 系统为两级分布式监控系统 ， 取消了P L C ， 由工控机 和各智能节点组成 。 配料控制器、 智能开关量 I O模 块作为现场总线系统的智能节点，系统总体结构图 如图 1 所示。 工控机作为上位机， 用于对整个生产过 程进行监控管理， 接收现场采集数据、 发出控制信号 和报警提示， 完成配方管理以及生产数据的显示、 存 储、 打印。各个智能节点负责现场输入、 输出测控点 的数据采集、 控制及通信功能， 从而可以保证系统在 某一个现场 I O单元或某一现场测控点出现故障时 传感器 r 粗骨料配料器 智能开关量I O 模块 限位开关 l I中间继电器组 控制面板 电磁 阀、接触器 图 1控 制 系 统 总体 结构 图 不 出现失控 。 智能节点采用智能化 的测控模块 ， 现场 发生故障时维修人员可以方便、 快速地更换零件， 而 不影响正常的生产。 所用的 3种粗骨料共用一台配料控制器 ，两种 水泥共用一台配料控制器。整个系统有模拟量输入 点 1 0 个 ， 开关量输入点 3 2 个， 开关量输出点 3 6 个。 1 2生产流 程 一 3 7 维普资讯 http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 混凝土搅拌站 由贮料系统 、 配料 系统 、 输送 系 统、 搅拌系统 、 卸料系统和控制系统组成。生产流 程为 ： ( 1 )用户从监控软件界面中输入本次搅拌作业 的混凝土配合比以及其他工作参数，工控机给各配 料控制器发送物料的配料值和配料指令。 ( 2 )物料采用独立称量、 重量计量方式 。 由各 自 配料控制器发送信号打开骨料、 砂料仓门， 启动砂仓 振动器， 将骨料、 砂料投入计量斗称量； 开启水泥仓、 粉煤灰仓和粉料外加剂仓的螺旋上料机，打开水、 水 剂外加剂配给阀， 进行水泥、 粉煤灰、 粉料外加剂和 水、 水剂外加剂的称量。 ( 3 )称量过程分粗称和精称两个阶段 ，由配料 控制器控制，达到配料值的 9 0 时慢速加料称量。 称量完毕， 各配料控制器发送信号关闭砂仓振动器、 骨料砂料仓门， 关闭或停止水泥仓、 粉煤灰仓、 粉料 外加剂仓螺旋上料机以及水和水剂外加剂配给阀。 对骨料和石料， 由工控机发信号开启各计量斗门， 将 骨料砂料投入皮带输送机， 启动平、 斜皮带电机， 将 骨料砂料运送至集料斗。 ( 4 )配料完毕， 配料控制器发送信号给工控机， 工控机发指令给开关量输出模块，发送信号到中间 继电器驱动气缸依次打开计量斗、 集料斗门， 将物料 送入搅拌机 中。 ( 5 )搅拌机根据事先设定的搅拌时间进行搅 拌， 完成后工控机发指令给开关量输出模块， 打开卸 料门卸料。 ( 6 )为了提高生产效率，搅拌的同时进行下一 生产循环的称量 。 2 控制系统组成 2 1 CAN 总线技 术 C A N是应用最广泛的现场总线之一。 C A N是一 种多主方式的串行通讯总线，网络上任意一个节点 均可以在任意时刻向网络上其它节点发送信息， 通 讯方式灵活。 可提供高达 1 M b i t s 的数据传输速率。 网络中的各节点都可根据总线访问优先权采用无损 结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，各节 点之间的数据通信实时性强，提高了系统的可靠性 和灵活性。 发送的数据遭破坏后可以自 动重发。 数据 采用短帧结构， 传输时间短、 受干扰的概率低、 重新 发送的时间短。 总线节点若出现严重错误， 可自动切 一 3 8一 断它与总线的联系， 使总线上其它操作不受影响。 本系统采用总线式拓扑结构， 如图2 所示。 节点 间通过屏蔽双绞线连接成总线网络，总线两端需要 两个 1 2 0 Q 的终端电阻， 以匹配总线阻抗 ， 提高数 据通信的抗干扰性及可靠性。 图 2 CAN 总 线 拓 扑 结构 2 2智 能配料 控制 器 选用带有 C A N总线接口的智能配料控制器， 由 信号调理电路、 2 4 位 A D转换器、微处理器、存储 器、 C A N控制器、 C A N收发器、 开关量输出接 口 等组 成 ， 如图 3 所示。 图 3 智 能 配 料 控 制器 组 成 配料控制器通过 C A N总线接受来 自工控机的 配料指令后， 输出控制信号开启物料仓门或振动器、 上料机、 配给阀； 将来自称重传感器的模拟信号进行 信号调理后经 A D转换器转换为数字量， 再由微处 理器计算出具体称重值 ； 通过 C A N总线传送称重值 到工控机以动态显示配料过程 ；比较 当前称重值与 配料值， 达到配料值后， 输出控制信号关闭物料仓门 或振动器 、 上料机、 配给阀。 配料控制器能自动完成秤的清零去皮操作， 具 有落差自动补偿、 过冲量自动测定和修正、 故障报警 等多种功能， 可手动设置各项功能。 2 3 CA N 总线 智能 开关量 I ， o 模块 选 用 研 华A D A M5 0 0 0 系 列， 包 括 A D A M 一 5 0 o 0 C A N基座、两个 A D A M 一 5 0 5 1 开关量 输入模块和两个 A D A M 一 5 0 6 8 继电器输出模块。模 块由 C A N控制器、 C A N收发器、 微处理器、 存储器、 开关量输入或输出接口和信号调理电路组成，且带 维普资讯 http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 软硬件 自检和看门狗。 搅拌站的生产流程有严格的时序性要求 ，为了 保证动作执行的正确性，需要监控相关限位开关和 执行机构的状态。 开关量输入模块将现场物料计量 、 物料仓门、 计量斗门、 集料斗门、 卸料门限位开关状 态和搅拌机运行情况经信号调理电路转换为数字信 息， 通过 C A N总线传送到工控机， 便于监控。 控制参 数 由开关量输出模块输出到中间继 电器 ，驱动执行 机构控制物料仓门、 各计量斗门、 集料斗门、 卸料斗 门开启和延时关闭， 并控制搅拌机运行 。 2 4工控 机 采用研华工控机，基本配置为 I P C 6 1 0机箱 、 P I V 2 8 G C P U 、 5 1 2 M内存、 4 0 G硬盘、 1 4 槽底板。 搭配 C A N通信卡， 通过 C A N总线和各节点通信。 2 5 C A N 总线 通信 卡 选 用 研 华 P C I 一 1 6 8 0 U 双 通 道 C A N 卡 。 P C I 一 1 6 8 0 U有通用的 P C I 接 口， 是用于 C A N总线与 P C之间连接的通信卡。 通过内置的 C A N控制器， 以 自动重发功能实现总线仲裁和差错检测功能，极大 地降低了数据丢失几率， 保证了系统可靠性。 3 控制系统软件 3 1 监控 软件 工控机上运行的监控软件采用力控组态软件开 发 。监控软件启动后， 自动完成对 C AN通信卡和各 节点的初始化工作。初始化完成后，进人监控系统， 在主菜单中进人监控画面并对作业参数进行设置。 系统运行时，配料控制器将物料当前称重值传送到 工控机显示 ，开关量输人模块 向工控机发送各种状 态信息， 工控机向各节点发送相应控制命令。 通过显 示器输出实时信息， 包括生产流程动态画面显示， 分 组控制显示、 趋势显示、 操作指示显示和报警信息显 示等。系统具有管理功能 ， 包括配方管理、 生产过程 管理， 并完成生产过程数据的存储、 查询、 打印。 能进 行检测和故障诊断 ， 对异常信号发出报警 。 系统运行 界面如图 4所示 。 3 2 智 能节点 软件设 计 C A N总线节点的软件设计主要包括 C A N总线 通信模块 、 模拟量采样处理模块、 开关量处理模块、 状态控制模块的设计。 其中C A N总线通信模块包括 3 大部分： C A N节点初始化、 报文发送和报文接收。 力控组态软件没有该配料控制器的驱动程序， 图 4控 制 系 统 运 行 界 面 只 能通 过力 控 I O驱 动程 序接 口开 发工 具 F I O S S D K和 V is u a l c + + 6 0自己开发。 依次建立设备描述 文件 I O D E S C T X T 、设备组态接 口I O D E V C F G D L L 和点组态接 口 I O I T E MU I D L L ， 最后创建 I 0通讯接 口I O A P I D L L 。根据配料控制器提供的与上位机通 信的指令和通信协议 ，编写 I O A P I D L L 库中的设备 初始化以及报文数据读、 写等导出函数 ， 以供组态软 件调用。 组 态软件 已提供研华 A D A M5 0 0 0系列 的驱动 程序 ， 只需要对开关量输人输出处理过程编程 力控 组态软件的控制策略生成器提供了各种控制功能模 块， 根据生产流程， 选择合适的功能块组态， 经编译、 调试后下装到 A D A M5 0 0 0 C AN主单元。 3 3软件抗 干扰 措施 为保证系统稳定运行 ，系统采取了如下几项重 要的措施： ( 1 ) 采用非破坏性的总线仲裁， 避免了各 通信设备争用总线而导致通信失败和数据丢失。 ( 2 ) 采用 C R C校验方式 ， 使通信系统具有强有力的错误 侦测 和纠正功能 。( 3 ) 采用“ Wa t c h d o g ( 看 门狗) ” 技 术 ， 保证系统运行中出现如死机等异常情况后， 能自 动复位。( 4 ) 软件中使用了数字滤波技术。 4 结论 由于 C AN现场总线 以多主方式工作 ， 在数据通 信方面具有较强的纠错能力和较远的传输距离， 采 用现场总线技术的混凝土搅拌站控制系统具有较高 的可靠性、 实时i生 。系统由工控机和智能节点组成， 接线简单， 为安装调试和设备维护带来了方便。 监控 一 39 维普资讯 http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 控制系统的硬件配置 2 控制系统的关键技术及程序设计 混凝土搅拌站控制系统的硬件主要由可编程控P L C是整个系统的控制核心，通过接收来 自 触 一 4 0 维普资讯 http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m