基于CAN總線的PLC/IPC印染設備控制系統

1 引言

　　CAN總線是現場總線的一種，最初用于汽車內部檢測部件與執行部件之間的數據通訊，有極強的抗惡劣環境和抗干擾能力。由于本身的特點，其應用范圍已經由交通運輸擴展到過程控制、數控機床、機器人、智能建筑、醫療器械等領域，被公認是幾種最有前途的現場總線之一。

　　與多數現場總線（如Profibus、CC-Link等）的物理層采用RS485主從協議不一樣，CAN的介質訪問采用載波偵聽多路訪問（CSMA）技術，從而允許多主工作方式。并且，由于采用非破壞性總線仲裁技術，大大節省了總線沖突仲裁時間。與多數現場總線不一樣，CAN總線只有物理層和數據鏈路層，應用層留給用戶開發，使用戶擁有了相當的靈活性。這些優點令人注目，以致于一些頗有名氣的現場總線（如DeviceNet、CANopen等）的底層就使用CAN。很多處理器制造商將CAN總線協議集成到他們的CPU芯片上，如51系列單片機、196系列單片機、運動控制專用數字信號處理器DSP等;很多變頻器制造商將CAN通訊卡作為選件提供給用戶或者干脆集成在變頻器中，如Lenze93系列變頻器、Siments6SE系列變頻器、三菱FR-A500系列變頻器等;很多可編程控制器制造商給用戶提供CAN通訊卡選件或者提供CAN總線接口，如貝加來（BR）2000系列可編程控制器、西門子S5系列可編程控制器等。CAN總線簡單易學、容易開發、有眾多的廠商支持，適合中國的國情。

　　印染前處理設備，如退煮漂聯合機、布夾絲光機、直輥絲光機、皂洗機等，機臺長，采用多電機分部傳動，要求恒張力同步調速。目前，流行的技術是用PLC控制多臺變頻器，用松緊架或者張力傳感器實現多機臺同步。印染后處理設備（如熱風拉幅機、熱定型機等）、造紙生產線、濕法氈生產線也采用了類似的技術。這里變頻器使用的很多，變頻器與可編程控制器之間的連接線也很多，頻率給定、各種監控信息（如電壓、電流、速度、轉矩等）采用模擬量，模擬量容易受干擾。如果引入現場總線技術，眾多變頻器與可編程控制器之間的連接線大為減少（實際上減為兩根），模擬頻率給定變為數字頻率給定，各種監控信息、操作信息可以在現場總線上傳遞，以上的缺憾得以解決。

2 基于CAN總線的PCC退煮漂聯合機控制方案

　　控制部分的核心是一臺貝加來可編程計算機控制器（Programmable Computer Controller 簡稱PCC）BR2005，它通過422總線與觸摸屏監控站（Provit2200）相連，在此操作者輸入指令并監控整機的運行狀態。PCC通過CAN總線與29臺西門子變頻器相連，用CAN總線傳送頻率給定命令、起停變頻器、監視變頻器的運行狀態。29臺變頻電機間的同步由松緊架完成，圖中沒有畫出。PCC還完成整臺設備的邏輯控制以及溫度、壓力、流量、液位、PH值和配方的閉環控制。詳見圖1。由于使用了現場總線技術，使得變頻器的現場連接線大為減少，實際為兩根線用菊花鏈方式將PCC與29臺變頻器串接起來。貝加來可編程計算機控制器，是集計算機技術、通訊技術、自動控制技術為一體的新型工業控制裝置。可編程控制技術從60年代誕生以來，經歷了可編程邏輯控制器（Programmble Logic Controller），簡稱PLC，可編程控制器（Programmble Controller），簡稱PC，到今日的PCC，已是第三代產品。新一代的PCC已經能勝任大型的集散控制和復雜的過程控制。其良好的兼容性、豐富的功能函數、品種多樣的硬件模塊、高級編程語言的使用、模塊化的編程方式，使PCC已能滿足各種工業控制的需要。該PCC的編程平臺采用BR提供的Automation Studio軟件，Windows界面，使用方便。它具有RS232、RS485、RS422、和CAN、Profibus現場總線接口，可以方便的構成控制系統計算機網絡。監控站（Provit2200）是一臺486工控機，配有CAN、RS485、RS422、RS232接口和5.7英寸彩色液晶觸摸屏和16鍵，通過RS422與PCC交換信息。該PCC除了配有CPU和CAN通訊模塊外，還裝配了5塊數字量輸入（5＊16點）模塊、3塊數字量輸出（3＊16點）模塊、2塊模擬量輸入（2＊8點）模塊和2塊模擬量輸出模塊。邏輯控制部分采用梯形圖編程，CAN通訊部分和閉環控制部分采用Basic語言編程，也可以選用C語言編程。全部程序由三人分頭完成，放在同一個項目下面。相互的關聯借助全局變量完成。

3 基于CAN總線的PLC濕法氈生產線卷繞部分控制方案

　　控制部分的核心是一臺西門子S5-95U可編程控制器PLC和三臺Lenze93系列交流伺服控制器9326。PLC通過CAN總線與三臺交流伺服控制器9326交換信息，實現變張力卷繞控制，如圖2所示。S5-95U除了配有CAN通訊模塊外還有64點數字量輸入輸出。

　　這里總共使用了三臺LENZE-9300系列伺服控制器（9326），驅動三臺帶有旋轉變壓器（R）的變頻專用異步電動機（M）。其中，拖輥伺服控制器9326（1）工作在速度模式，它的速度給定（1/2端）來自生產線主控PLC的模擬量輸出，輔助速度給定（3/4端）來自于松緊架信號，以此和生產線保持同步;卷軸1和卷軸2伺服控制器（2/3）工作在轉矩模式，具有內部卷徑計算功能，能對通過CAN總線由PLC發送來的張力給定信息和由張力傳感器發送來的實際張力信息進行閉環控制。無須對卷軸1和卷軸2實行專門的速度控制，它們能夠自動的將其線速度浮動到需要的數值。卷徑計算所需要的線速度信息由拖輥伺服控制器通過專門的速度級聯接口X9-X10送來，卷徑計算所需要的轉速信息由旋轉變壓器測定。卷軸1和卷軸2交替工作，實現連續的卷繞，由LENZE-8215變頻器驅動的換軸電機完成換軸功能（圖中沒有畫出）。CAN總線還將伺服控制器（2/3）計算出的卷徑信息發送到PLC，由PLC據此完成張力給定的計算，然后通過 CAN總線送回伺服控制器（2/3）。卷繞部分對卷軸的要求是內緊外松，這就要求初始張力大，隨著卷徑的變大，張力按照某種規律逐漸變小。該應用系統能完全滿足這些要求，實際運行證明上述卷繞系統運行可靠，卷徑由86毫米到1200毫米卷繞密實整齊，卷繞速度可達80米/分。

4 基于CAN總線的工控機平網印花機刮印部分控制方案

　　圖3示出了一個對BUSH-5V平網印花機刮印部分控制的改造方案。原方案在中央控制器和刮印單元之間使用RS-232串行通訊，速度慢，可靠性差。因而一些關鍵性的操作仍然沿用傳統的方法，直接連線。BUSH-7V改用RS-485串行通訊，可靠性有了提高。在我們的方案中，使用CAN總線實現中央控制IPC與各刮印單元變頻器之間的串行通訊，廣播起停命令、監控各刮印單元的工作狀況;各刮印單元之間也可以相互通訊，復制設定信息，簡化刮印單元參數的重復設定。鑒于CAN的可靠性很高，所有的控制和狀態信號都通過總線發送，簡化了布線，提高了實時性。

　　這里，刮印單元共有18套，使用我們自己開發的基于DSP的專用變頻控制器。運動控制專用TMS320LF2407 DSP芯片中集成有CAN控制器，不用增加任何硬件，專用變頻器便有了CAN通訊功能。中央控制單元IPC中配有CAN通訊卡。

　　有關CAN總線的討論文章已經很多，用的比較多的獨立CAN芯片是SJA1000，帶有CAN控制器的8位單片機有P8xC591等，但是TMS320LF2407中集成的CAN控制器很有特點。它有六個郵箱，其中有兩個發送郵箱、兩個接收郵箱、兩個發送/接收可選郵箱;每個發送郵箱有獨立的發送標識碼，每個接收郵箱有獨立的接收驗收碼，每兩個接收郵箱公用一個接收屏蔽碼。這種多郵箱安排比SJA1000的相當于只有兩個郵箱（一個接收郵箱/一個發送郵箱）來說，極大的方便了用戶構造更復雜的網絡，實現更為靈活的通訊。也簡化了通訊協議的編寫。

　　ISO 11898 CAN通訊協議只有兩層：物理層和數據鏈路層，必不可少的應用層協議留給二次開發者選擇或者設計。可以選用的較為通用的應用層協議主要有：CANopen、DeviceNet和SDS，其中CANopen在歐洲較為流行，而DeviceNet、SDS則在美國比較普遍。考慮到我們所開發的平網印花機刮印單元變頻器是專用的，因而沒有采用通用的應用層協議，而是量身定做了我們專用的應用層協議。物理層協議負責物理信號的傳輸、譯碼、位時序、位同步等功能;數據鏈路層協議負責總線仲裁、信息分幀、數據確認、錯誤檢測、流量控制等功能;應用層協議主要負責標識符的分配，其次是網絡啟動或者監控節點的處理等。由于CAN協議沒有規定信息標識符的分配，因而可以根據不同的應用使用不同的方法。所以，在設計一個基于CAN的通訊系統時，確定CAN標識符的分配非常重要，是應用層協議的主要內容。

5 結論

　　從以上的分析論述中，可以得出以下簡單的結論：CAN總線以其特點，與PLC和IPC相結合，已經在印染類設備（包括造紙類設備）的控制中占有了重要的位置。考慮到CAN的開發比較容易，應用層協議留下了二次開發的余地，對于沒有自己的現場總線標準的中國來說，CAN給了我們機會。