摘要:传统船用阀门存在控制精度低、通讯性能差、智能化、数字化程度不高及未实现网络化等问题。设计了一种基于CAN总线的船用阀门系统,详细介绍了系统(上、下位机)硬件和软件的设计方法。船用阀门控制器主要由控制器和通信接口的设计组成。控制器的设计以单片机89C51作为处理器,集测量、控制和远程传输于一体。通信部分的设计采用工业控制计算机,通过CAN总线与电液阀控制器通信,可以实现远程控制阀门开关等,实时显示阀门的各相关信息等等。
关键词:CAN总线,船用阀门,微控制器
0引言
随着船舶自动化的不断发展,越来越多的新建船舶配套综合自动化系统,开始使用计算机进行全船智能管理。船舶自动化的一个重要组成部分是阀门控制系统,对某些船型,如油船、化学品船等,阀门控制系统是至关重要的。阀门系统一般采用液压、电动和气动驱动3种控制方式,大型民用船舶普遍采用液压驱动。为满足船舶综合自动化的需要,阀门控制系统必须具有网络化功能。传统的集中控制方式很难满足网络化要求,将现场总线应用到船用阀门的控制系统中[1-2]。
现场总线是一种应用于生产现场,在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实现双向、串行、多节点的数字通信技术。现场总线的种类很多,国际标准的现场总线就有14种之多。其中CAN总线支持多主方式,与其它几种现场总线相比,是最容易实现、价格最为低廉的一种,但是其性能并不比其它现场总线差,这也是目前CAN总线能够在众多领域应用的原因[3]。
本文首先介绍了船用阀门控制系统的总体结构,将微控制技术与CAN总线技术相结合应用到船用阀门控制系统中,与工业控制计算机构成控制系统。
1系统的总体结构
本文提出的船用阀门控制系统采用了集中管理,分散控制的上、下位机两级控制的系统总体结构,如图1所示:
图1 基于CAN总线船用阀门控制系统总体结构图
上位机可对下位机发送命令控制阀门进行相应的操作。另外,上位机提供操作方便的人机操作界面,能够实现系统中各个阀门的信息的采集和管理, 便于控制系统的维护。下位机引入了微控制技术,既支持现场的操作,也支持上位机的远程控制。另外,下位机以微控制器为核心控制单元嵌入到船用阀门中。CAN节点主要由微控制器模块、数据采集与检测模块、通信功能模块、阀门电动执行机构模块组成。系统的上、下位机之间通过CAN总线技术进行通信。CAN总线通信协议简单,只包含数据链路层和物理层,信号传输采用短帧结构,每一帧的有效字节数为8个,传输时间短,受干扰的概率低。总线通信速率最高可1Mbps/40m,直接传输距离最远可达10km/5Kbps,总线上可挂节点数最多可达110个,完全满足实际需要。
2硬件设计
由前文所述可知,系统硬件的设计包括上位机硬件和下位机硬件设计。
2.1 上位机系统
上位机硬件系统由工业控制计算机和PCI-CAN总线接口卡组成。PC主机选用PCI7841适配卡,可直接将其安装在主板的PCI卡槽内。PCI7841适配卡集成了1路CAN通道,可以直接通过CAN总线与PC机进行数据通信。
PCI7841适配卡产品提供了CANTools工具软件,可直接进行CAN总线的配置,发送和接收数据。另外还提供了DLL动态连接库、VC/VB例程编写自己的应用程序,方便开发CAN系统应用软件产品。
2.2下位机系统
下位机系统的硬件设计主要是对单元控制器(即前面介绍的CAN节点)的设计与研究。下位机从结构上分为4个部分:微控制器模块、数据采集与检测模块、阀门电动执行机构、CAN通信模块。下面将一一介绍各个模块。图2给出了CAN节点的硬件框结构图。
图2 CAN节点硬件整体结构图
1)微控制器模块是整个下位机的核心部分,通过单片机协调各个模块的工作,完成下位机系统的控制。系统采用89C51型单片机,具有4K的闪烁存储器,128字节的内部RAM,32个I/O口线,2个16位定时/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串口通信接口,片内振荡器及时钟振荡电路[4]。这里,还包括复位电路、时钟电路和稳压源电路等基本电路的设计。
2)数据采集、检测模块是下位机重要的输入输出模块,主要完成对电机电机电流、阀门开度的采集控制,电机堵转的处理。这里不详细介绍。
3)阀门电动执行机构:船用阀门控制系统中被控对象是电液阀,控制目的要去实现阀门的开启和关闭,逻辑非常简单。因此,在系统中引入固定继电器SSR与电机相连,阀门的动作是通过电机的正反转带动液压流动来实现的。
4)CAN通信模块是系统研究的重点部分,也是与上位机通信的核心部分。CAN通信接口方案有两种:采用带CAN控制器的微控制器和CAN收发器组成通信接口;采用独立CAN控制器和CAN收发器组成通信接口。系统采用第二种方案,使用Philips公司的独立CAN控制器SJA1000和CAN收发器82C250构成通信接口[5]。为了防止干扰,CAN通信模块中加入光电隔离器6N137组成光电隔离电路,如图3所示:
图3 CAN通信结构图
2.3抗干扰设计
在船用阀门控制系统中,下位机系统需要嵌入到阀门的腔体中,电磁干扰非常严重,系统中采用多种硬件抗干扰设计。
1)在检测电机电流时,信号经过A/D转换连接光电耦合电路再与微控制器相连,目的是增强电路的抗干扰能力。
2)CAN总线的两端加有两个120Ω的电阻,对于总线阻抗的匹配起着相当重要的作用。
3)为了增强总线节点的抗干扰能力,SJA1000并不直接与82C250相接, 而是通过光电耦合器6N137与AT82C250相接。这样,实现了总线上各节点间的电气隔离,但是光耦电路用的2个电源必须完全隔离,方法是采用小功率电源隔离模块。虽然增加了接口电路的复杂性, 但却提高了节点的稳定性和安全性[6-7]。
4)为了减少现场环境对CAN节点的干扰,现场安装时使用屏蔽双绞线。
3 软件设计
上面对船用阀门控制系统的硬件进行设计。一个系统能否正常可靠地运行,除了要求硬件电路正确合理地设计之外,很大程度上取决于功能完善的软件设计。这里,软件的设计同样包括上位机系统和下位机系统。
3.1 上位机系统
上位机软件的主要任务是对系统所有下位机控制系统的信息采集、处理与远程监控等。该系统使用Visual Basic 6.0实现监控程序设计,它是一种开发图形用户界面的基于Basic的可视化程序设计语言。上位机经过PCI7841接口卡实现与下位机的通信,购买产品时厂家配套提供卡驱动程序、应用程序接口函数库,以及对接口函数库的说明和使用方法等。因此,涉及到通信层软件部分不需要编写,只要通过与接口函数的连接就能实现软件的通信功能。