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(jì)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(jì)算機(jī)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(qiáng)、速率高、建設(shè)周期短等特點(diǎn)，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(gè)焦點(diǎn)。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(dòng)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(shí)際應(yīng)用及特點(diǎn)。
2 CAN總線的基本特性
2. 1 現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)的特點(diǎn)
(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(shí)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(qiáng)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(shí)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(shí)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(bǔ)償計(jì)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(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)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(qiáng)的糾錯(cuò)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(fèi)用。
(3) 節(jié)省維護(hù)費(fèi)用。
(4) 用戶擁有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)。
(5) 提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。
(6) 設(shè)計(jì)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(dòng)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(qiáng)調(diào)工業(yè)自動(dòng)化的底層監(jiān)測及控制。它采用了最新的技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，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(jī)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(gè)節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通訊方式靈活。利用這一特點(diǎn)也可以方便地構(gòu)成(容錯(cuò)) 多機(jī)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(shí)時(shí)要求，有效避免了總線沖突。
(4) CAN 可以點(diǎn)對點(diǎn)，一點(diǎn)對多點(diǎn)(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(gè)，這樣傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，重新發(fā)送時(shí)間短。
(6) CAN 每幀信息都有CRC 校驗(yàn)及其它檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)的出錯(cuò)率極低。
(7) 暫時(shí)錯(cuò)誤和永久性故障的故障節(jié)點(diǎn)的判別以及故障節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)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(jì)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(jì)
塑窗生產(chǎn)線的要求為數(shù)控三軸焊接機(jī)，冷卻中心，數(shù)控四軸清角清縫機(jī)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(jī)和清理機(jī)即可同時(shí)工作，實(shí)現(xiàn)流水線生產(chǎn)，又可設(shè)定單獨(dú)工作。為此，焊接機(jī)和清理機(jī)各設(shè)一臺人機(jī)界面，實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行情況。實(shí)際生產(chǎn)計(jì)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(yùn)行，運(yùn)行人員每班僅需將軟盤插入計(jì)算機(jī)軟驅(qū)內(nèi)，便可按照軟盤的加工參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)CAN 現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)處理， 焊接機(jī)采用工業(yè)控制用計(jì)算機(jī)PROVIT2000 作為監(jiān)測設(shè)備，在清理機(jī)設(shè)置一臺人機(jī)面板PANELWARE ，焊接機(jī)控制器為PCC1 ，清理機(jī)控制器為PCC2。在CAN 網(wǎng)絡(luò)上，主站為工控機(jī)，可編程控制器PCC 和人機(jī)面板PANELWARE ，通過CAN 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)主站之間的數(shù)據(jù)通信。從站為傳動(dòng)裝置，伺服驅(qū)動(dòng)器(用于伺服電機(jī)定位) 和變頻驅(qū)動(dòng)器(用于
交流電機(jī)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(dòng)用于焊接) ，4(變頻實(shí)現(xiàn)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)) ，5 ，6 ，7 ，8 (4 軸伺服驅(qū)動(dòng)用于清理) 。
3. 2 控制原理
3.2.1 焊接機(jī)控制原理
焊接機(jī)控制原理為:工控機(jī)讀取軟盤信息，通過CAN 總線傳遞到可編程計(jì)算機(jī)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(dòng)器，直線定位運(yùn)動(dòng)，配合其它IO 端口輸出，從而達(dá)到加熱焊接的要求，同時(shí)通過NET2CAN 函數(shù)，讀取清理機(jī)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(jī)械手傳輸?shù)角謇頇C(jī)實(shí)現(xiàn)清角焊縫。
3.2.2 清理機(jī)控制原理
清理機(jī)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(jī)面板上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(jī)的CAN 通信協(xié)議，控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將冷卻中心焊接冷卻后的窗框用機(jī)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(dòng)器聯(lián)動(dòng)，根據(jù)直線或園弧插補(bǔ)要求，實(shí)現(xiàn)CNC 曲線的定位，結(jié)合其它工件動(dòng)作，達(dá)到清內(nèi)角，外角，縫隙的目的，同時(shí)將當(dāng)前狀態(tài)通過NET2000 CAN—Write 函數(shù)寫到焊接機(jī)控制器PCC1 里，保證加工狀態(tài)的信息共享。
4 系統(tǒng)特點(diǎn)
(1) 生產(chǎn)線主站為工控機(jī)，人機(jī)面板，兩個(gè)PCC 可編程控制器，從站為七個(gè)ACOPOS 伺服驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)倫次變頻驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，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(shí)，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(diǎn)。
(4) 與其它產(chǎn)品進(jìn)行CAN 網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，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(shí)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(dòng)器采用CAN 總線連接，節(jié)省了以往需要的大量信號線。同時(shí)，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(diǎn)。
5 結(jié)束語
生產(chǎn)線已經(jīng)在濟(jì)南天辰機(jī)械有限公司研制成功，經(jīng)過了廠內(nèi)嚴(yán)格的測試，運(yùn)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。(e
