第7章 基于iCAN网络的分布式控制系统_工学_高等教育_教育专区。机械工程自动化课件

　　第7章 基于iCAN网络的分布式 控制系统 由于CAN-bus总线的高可靠性，实时性， 使其在工业控制领域获得了广泛的应用 知识回顾：什么是CAN CAN 全称为Controller Area Network 即控制器局域 网，是国际上应用广泛的现场总线之一； ? 初CAN 被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在 车载各电子控制装置ECU 之间交换信息，形成汽车电 子控制网络； ? 一个由CAN 总线构成的单一网络中理论上可以挂接无 数个节点，实际应用中节点数目受网络硬件的电气特 性所限制。例如当使用Philips P82C250 作为CAN 收 发器时同一网络中允许挂接110 个节点； ? CAN 可提供高达1Mbit/s 的数据传输速率这使实时控 制变得非常容易，另外硬件的错误检定特性也增强了 CAN 的抗电磁干扰能力。 ? CAN是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范 要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检 测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10Km时， CAN 仍可提供高达50Kbit/s的数据传输速率。 ? 由于CAN总线具有很高的实时性能，因此，CAN已经 在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领 域中得到了广泛应用。 ? 知识回顾：CAN总线的主要特点 ? ? ? 它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆和光 纤，通信距离远可达10km（5kb/s），速率可达1Mb/s （40m). CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功 能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编 码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。 CAN协议的一个特点是废除了传统的站地址编码，而代 之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络 内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位 或29位二进制数组成，因此可以定义211或229个不同的数据 块，让各节点通过滤波的方法分别接收指定标识码的数据。 这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相 同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。 ? 数据段长度多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命 令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8个字节不会 占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。在每帧中都 有CRC校验及其它检错措施，保证了数据通信的可靠性。 CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分 散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。CAN总线上任意节 点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主 次，因此可在各节点之间实现自由通信。 网络上的节点可以定义成不同的优先级，利用接口电路中线 与功能，巧妙地实现无破坏性的基于优先权的仲裁 网络上的节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功 能 ? ? ? 知识回顾： CAN 通讯协议 ? CAN 通讯协议主要描述设备之间的信息传递方式， CAN 层的定义与开放系统互连模型OSI 一致。每一 层与另一设备上相同的那一层通讯实际的通讯发生 在每一设备上相邻的两层，而设备只通过模型物理 层的物理介质互连。 ? CAN总线也是建立在ISO参考模型基础上的，不过只采用了其 中关键的两层，即物理层和数据链路层 应用层协议可以由CAN 用户定义成适合特别工业领域的任何 方案。已在工业控制和制造业领域得到广泛应用的标准是 DeviceNet。 ? ? 物理层的主要内容是规定通信介质的机械、电气、功能和规 程特性 数据链路层的主要功能是将要发送的数据进行包装，即加上 差错校验位、数据链路协议的控制信息、头尾标记等附加信 息组成数据帧，从物理信道上发送出去，在接收道数据帧后， 再把附加信息去掉，得到通信数据 — 媒体访问控制子层MAC：传输规则 — 逻辑控制子层LLC：报文的滤波和报文的处理 ? ? CAN总线的物理层和数据链路层的功能在CAN控制器中完成 知识回顾 ? 实验开发包括的实验设备有：USBCAN 接口卡， CAN-bus 分析仪，iCAN 模块，传感器，传动 控制系统等；利用配套的iCAN 模块可以在此 平台上实现开关量控制、LED 亮、灭控制、 电机起、停控制、电机转速控制、电机转向 控制、模拟量输入、输出控制及光电开关检 测等实验。 知识回顾 ? iCAN功能模块简介 iCAN 系列功能模块采用CAN-bus 通讯接口，iCAN 系列I/O 模块符合CAN2.0B 协议规范。根据模块输入信号种类的不同， iCAN 功能模块分为数字量输入、数字量输出、模拟量输入、 模拟量输出、计数器/频率以及PWM 输出等模块。以下为 iCAN 功能模块型号列表： 表1 iCAN 功能模块型号列表 ? 回顾：电机速度调节、方向控制及转速测量实验 实验目的：掌握iCAN4 模拟量输出功能，掌握 iCAN2404 继电器输出功能，掌握iCAN7408 计数功 能。 ? 实验设备及器件：PC 机 一台；iCAN 实验教学平台 一台 ? 实验内容：利用iCAN4 输出电压变化，改变电机 转速；电机的起、停控制由iCAN2404 功能模块完成； 利用iCAN7408 功能模块用来计算电机转动的圈数 （转一圈产生4 个脉冲）。 ? 回顾：传动系统控制实验 ? 实验目的：掌握iCAN4050 输入、输出控制原理及应用。 ? 实验设备及器件：PC 机 一台；iCAN 实验教学开发平 台 一台 ? 实验内容：能够利用iCAN4050 模块检测光电开关的信 号及步进电机的起、、停和方向控制。该实验主要利用 iCAN4050 模块控制传动系统的运动方向及起、停控制。 7.1 控制系统组成 ? 对某一控制对象的位移，速度等连续变化的 物理量实现保持或趋近一定值（目标值）的 控制称为反馈控制。而对多个操作实现启动， 停止的控制称为顺序控制。在iCAN网络的分 布式控制系统中，比如LED亮，灭控制，电机 起停控制，开关控制等属于顺序控制；如对 位置定位的控制等属于反馈控制。 7.1.1 顺序控制系统框图 ? 如图7.1所示为顺序控制系统框图。系统所发出的指 令几乎都是启动某项作业的命令。控制装置按预先 规定的指令执行顺序向各执行装置发出相应的控制 命令后，执行装置控制被控对象执行相应操作。 7.1.2 反馈控制系统框图 ? 如图7.2所示，当通过控制指令信号给出控制值时，控制装 置将产生执行控制量。这种控制量输入到执行装置就可以 产生对被控制对象的控制输出。被控制对象的变化直接由 检测装置检测出来，反馈到控制装置上，再由控制装置执 行相应的动作控制。 7.2 基于iCAN协议的传动控制系统组成 ? 7.2.1 传动系统结构 如图7.3所示的是由电机和进给丝杠组成的位置控制机构的 实例。首先，将由位置传感器检测的信号传送给控制装置， 在控制装置中产生作为执行控制量的速度指令。驱动器接收 到速度指令后，经过放大处理供给电机能量，驱动电机开始 旋转，通过与电机相连的进给丝杠带动工作台开始移动。在 工作台移动的过程中，安装在工作台上的位移传感器就可以 检测出工作台的移动位置，并反馈给控制装置。比如当工作 台的位置超过了指定位置，就要产生反方向的运动。 7.2.2 使用直流电机构成的传动系统 ? 如图所示，利用iCAN-2404及iCAN-4050模块组成了一个简单的传动系统 CANBUS网络示例。该系统是基于PC的简单的分步控制，集中管理系统 （FCS）。PC机通过一块CAN接口卡连接到CAN总线上作为主站控制，其中 iCAN-2404用于控制电机的起、停及正反转；iCAN-4050模块用于检测光 电开关的输出信号，作为电机正反转的控制。 ? 如图7.5所示，利用iCAN-4及iCAN-7408模块组成了一个 简单的传动系统CANBUS网络。该系统是基于PC的简单的分布 控制、集中管理系统（FCS）。PC机通过一块CAN接口卡连接 到CAN总线上作为主站控制，其中iCAN-4用于控制电机的 转速；iCAN-7408模块用于检测光电开关的输出信号，从而 计算出电机的转速，将此信号作为反馈信号来控制电机转速 及转角度。 直流电机传动系统控制方向工作原理 ? 如图7.6所示为传动系统控制方向工作原理框图。其中iCAN2404模块用于控制电机起、停及正反转，当主站发送控制起、 停命令，iCAN-2404模块控制电机开始转动，带动丝杠转动， 从而控制工作台的移动。当工作台移动到指定位置时，由光 电检测开关检测来实现位置的控制。光电开关信号由iCAN4050模块检测，并定时传送给主站。设定光电开关断开时， 工作台达到指定目的地；当光电开关导通时，工作台未达到 指定位置。利用光电开关检测位置信号传送给主站，当主站 检测发现工作台到位时，立刻发送命令给iCAN-2404，利用 iCAN-2404模块控制电机的正反转，从而实现简单的运动方 向的控制。 直流电机传动系统控制转速工作原理 ? 如图7.7所示为传动系统控制转速工作原理框图。其中iCAN4模块用于控制电机转速，当主站发送控制转速命令， iCAN-4模块控制电压输出大小，由电机的转动带动丝杠 转动，从而控制工作台的移动。通过计数器模块iCAN-7408 可以计算出电机的转速和转角度，iCAN-7408模块会将采集 的数据定时传送给主站，主站根据实际需要控制电机的转速 从而控制工作台的移动速度，控制电机的转角度可以控制工 作台移动的距离。从而实现了简单的速度和位移控制。 利用iCAN-2404模块控制直流电机正反转 ? iCAN-2404模块具有4路开关型输出通道。选择双电源控制方 式来控制电机正反转，利用iCAN-2404模块中的两路输出通 道构成两组开关电路。如图7.12所示，利用iCAN-2404模块 的通道0、通道1作为两组切换开关控制电机转动的方向。当 通道0导通，通道1关闭时，Q1导通，Q2截止，电机正转；当 通道0关闭，通道1导通时，Q1截止，Q2导通，电机反转；当 通道0，1都关闭时，电机停止运转。由于电机的转动带动工 作台的移动，控制电机的转向即可控制工作台的移动方向。 利用iCAN4模块控制电机转速 ? iCAN4模块具有4路模拟量输出控制模块，可以输出1-5v 左右的电压或4-20mA电流，由于模块本身的特性，输出功率 很小，不能够直接驱动外部设备，因此需要在模块与控制设 备之间加隔离、放大等处理，如图7.27所示。改变iCAN4模块的通道输出值，可以改变流过电机电流的大小，从 而控制电机转速。 利用iCAN模块控制直流电机起停示例 ? iCAN-2404模块为4路继电器输出模块，本例中利用其中一路 输出通道控制另一个继电器。利用小继电器控制大继电器， 可获得更大的电流，可以驱动更大的电机。如图7.33所示。 7.2.3 步进电机传动系统iCAN网络的构成 ? 与直流电机相比，步进电机的效率较低，但是借助于iCAN模块或振荡电 路可以对步进电机进行简便的位置和速度控制。如图7.36所示，利用 iCAN-2404模块控制步进电机的起、停及正、反转控制，iCAN-8440模块 控制电机转速，iCAN-4050模块用来检测工作台的位置，iCAN-7408模块 检测步进电机转速。在这个简单传动系统中就既可以控制步进电机的转 速又可以控制步进电机的位置及位移，达到位置、位移和速度同时监控 的效果。 步进电机传动系统工作原理 ? 如图7.37所示为传动系统控制方向速度及位移工作原理图。其中iCAN8440输出PWM脉冲信号，iCAN-2404模块输出开关量信号，由这两个模块 组成在一起可以为不仅电机提供驱动脉冲信号及正反转信号。当主站发 送启动电机的命令，即可控制电机转动从而控制工作台的移动。在移动 过程中，当工作台到达指定位置时，iCAN-4050模块检测到位信号并将此 信号传送给主站，主站接收到此信号时，即可向iCAN-2404模块发送开关 切换命令来控制电机的转向。通过在步进电机上安装光电开关，利用 iCAN-7408模块来检测步进电机的转速，将这个信号反馈给主站，由主站 控制iCAN-8440输出的驱动脉冲，从而控制工作台的移动速度和移动距离。 7.3 环境监测系统 ? 环境监测系统用于检测温度、湿度等参数，并在环境参数超 过一定范围时作出适时反应。环境监测系统一般由环境检测 系统、环境参数控制、数据传输网络和数据处理系统组成， 如图7.38所示，这是一种典型的分布控制，集中管理系统。 ? 环境参数检测系统负责获取环境参数，如温度、湿度等，并 将当前的环境参数通过数据网络传送到主控系统以作进一步 处理。 ? 环境参数控制系统接收主控系统的命令，根据主控命令来控 制设备的起停，例如在检测到环境温度过低时，启动加热设 备；环境湿度过低时，启动加湿设备；检测到可燃气体浓度 超标时，启动报警装置。 数据传输网络是系统的核心，负责完成主控系统与环境参数 检测系统和环境参数控制系统的数据交换。 ? ? 主控系统处理来自环境监测系统的环境参数，并根据一定的 策略通过环境控制系统对环境参数的改变作出反应。 7.3.1 基于iCAN网络的环境监测系统 ? 基于iCAN网络的环境监测系统结构如图7.39所示。本系统使用现场总线 CAN-bus作为数据传输网络，使用iCAN系统功能模块完成环境参数检测与 控制。主控系统由CAN-bus接口卡和PC构成，CAN-bus接口卡负责从CANbus网络中收发数据，PC机与模块之间使用iCAN协议进行通信，PC端的数 据处理可以由组态软件实现，也可调用iCAN库编程实现。 对于温度的检测，由使用的温度传感器的不同可选 择热电阻工模块iCAN-5303或热电偶功能模块iCAN6202. ? 常用湿度模块和气体模块输出模拟量信号，可以使 用模拟量输入模块iCAN-4017。 ? 对于环境参数控制，根据受控设备的控制方式，可 以选择数字量输出模块iCAN-4050、继电器输出模块 iCAN-2404和模拟量输出模块iCAN-4. ? 7.4 iCAN网络与以太网的互联 ? 以太网技术经过多年的发展，技术已经非常成熟， 成本也大大降低。由于以太网具有应用广泛、价格 低廉、通信速率高、软硬件产品丰富、应用支持技 术成熟等优点，目前它已经在工业控制系统中的资 源管理层、执行制造层得到了广泛的应用，并有向 低层控制器网络发展的趋势。 ? 工业控制网络作为工业企业综合自动化系统的基础，从结构 上看可分为三个层次，如图7.63所示。管理的战略性功 能在“控制层”执行，要用于企业的计划、销售、库存、 财务、人事以及企业的经营管理等方面信息的传输。分 层的计划和管理由 “生产控制层”执行。在“过程控制层” 中，生产命令被转换为相应的工艺过程，而工更大的生产 线通过这一层中的控制系统进行控制和监视（制造单元、过 程主机控制单元）。 ? 以太网在工业控制系统中的应用，尤其是向底层设备网络的 延伸，的优势是能够将现场的仪表、设备无缝的链接到 企业的管理层，组成更加灵活的透明度更高的工业控制网络 系统。iCAN网络可以通过CANNET-E设备直接连到以太网，通 过以太网进行远程的监控和管理，使底层的I/O设备与上层 网络的连接更加紧凑。如图7.64所示。 ? 在灯光控制场合（如图7.65所示），在现场通过iCAN功能模 块实现灯的监控：灯的开关，现场光强、温度以及电流信号 的检测，并对现场开关进行检测。在远端工作站通过以太网 实现对于现场灯光系统的远程监控：实时了解灯的运行状态。 由于以太网和CAN总线的应用，使灯光系统远程监控实现方 便，系统的开发更为快捷，并具有良好的可靠性。 7.5 iCAN网络在工程机械中的应用 ? 在工程机械的控制系统中，计算机技术、网络通讯等技术的 应用日趋广泛。以往工程机械的控制系统多采用集中控制方 式，虽然提高了系统的智能化和信息化水平，但是系统的连 线复杂，对于系统的维护、故障的诊断也提出了较高的要求。 因此在工程机械的控制系统中，如何降低系统应用的成本， 提高系统应用的灵活性和可靠性是一个亟待解决的问题。 CAN总线技术在工程机械控制系统中的应用，较好的解决了 上述的问题。采用分布式的控制系统取代原有的集中式控制 系统。各种控制器、传感器以及执行器之间通过CAN总线连 接，线缆少、易敷设、实现成本低，系统设计更加灵活，信 号传输可靠性高。 7.5.1 起重力矩限制系统 ? 起重力矩限制系统是起重机机械运行中重要的安全保障装置。如图7.66 中，起重力矩限制系统中通过iCAN系列功能模块以及CAN卡实现对于起重 机械中各种传感器的数据的采集，并由主机处理，实现对于系统工作状 态的实时监控，保证起重机工作的安全性，CAN通讯接口卡采用：PC104CAN2双路非智能接口卡。数据采集模块采用iCAN-4050 DI/DO功能模块和 iCAN-4017 AI功能模块。 ? 起重力矩限制系统通过分布式的iCAN功能模块检测 各传感器的信号，各功能模块通过CAN总线将传感器 数据传送到控制主机进行处理，系统工作状态实时 显示在人机界面上。系统能够警示危险工况，诊断 并排除故障。在危险工况下，通过控制输出模块， 使系统处于安全状态，防止事故的发生。 7.5.2 系统特点 ? ? 该起重力矩限制系统的特点是：通过CAN-bus总线实现对各 种传感器信号的采集以及输出装置的控制；和传统的系统相 比，具有抗干扰能力强、可靠性高、实时响应好，线缆少， 易敷设，实现成本低。 并且通过CAN总线的应用，使该系统的功能具有很好扩展性。 例如随着起重机械智能化的提高，发动机、变速器、液压泵 /马达、电液控制阀等众多设备上的ECU（electric control unit）可以直接接入到系统主机中的CAN卡，实现对于起重 机中动力系统的监控和状态显示。起重机中力矩限制系统、 吊臂伸缩系统、风力检测系统、支腿压力检测及车架调平系 统等也可以通过CAN总线获取所需的传感器信号，并将控制 执行结果反馈到总线上，实现对分系统的集中监测和管理。
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