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趙敏華,張文東 ,劉文江
(1.西安儀表廠PLC 工程部,西安710082；2. 貝加萊西安辦事處,西安710000；3. 西安交通大學信控學院,西安710000)
摘要: 介紹了一種基于CAN 總線的塑窗焊接清理生產線控制系統。論述了CAN 總線的特性和設計應用、系統的硬件結構,控制原理等。由于采用全數字CAN 網絡技術,數據傳輸安全準確、系統穩定可靠。
關鍵詞: CAN 總線；PCC；IPC；PANELWARE；協議；現場總線
1 前言
隨著計算機技術、通信技術、網絡技術在工業生產、過程控制中的不斷推廣應用,工業控制過程對現場信號的傳輸和數據交換的要求也越來越高,由于全數字信號系統較之傳統模擬信號具有抗干擾性強、速率高、建設周期短等特點,數字化的現場總線迅速成為當前工業控制領域的一個焦點。目前,市場上有多種現場總線技術如HART、PROFIBUS、FF 等, 其中CAN (Controller Area Network) 現場總線是德國BOSCH 公司推出的一種現場總線的標準,根據ISO 組織的OSI (開放系統互連) 的要求,其具有物理層、數據鏈路層和應用層。CAN 總線基于令牌協議,在物理上是總線結構,協議的制定包含優先級,狀態變動和控制權移交等關鍵技術。本文介紹了一種基于CAN 總線的生產線控制系統,具體闡述了奧地利貝加萊公司的自控產品通過CAN 網絡在塑料門窗焊接清理生產線的實際應用及特點。
2 CAN總線的基本特性
2. 1 現代工業系統的特點
(1) 系統的開放性。開放系統是指通信協議公開,各不同廠家的設備之間可互連為系統并可實現信息交換。這里的開放是指相關標準的一致性、公開性,強調對標準的共識與遵從。開放系統把系統集成的權利交給了用戶。用戶可按自己的需要和考慮,把來自不同供應商的產品組成大小隨意的系統。
(2) 可互操作性與互用性。指實現互連設備間的信息傳送與溝通以及對不同生產廠家的性能類似的設備可實現相互替換。
(3) 現場設備的智能化與功能自治性。它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場設備中去完成,因此,僅靠現場設備即可完成自動控制的基本功能,并可隨時診斷設備的運行狀態。
(4) 系統結構的高度分散性。構成一種新的全分散型控制系統的體系結構。從根本上改變了現有集散控制系統體系,簡化了系統結構,提高了可靠性。
(5) 對現場環境的適應性。系統具有較強的糾錯能力,并可滿足安全防爆要求。
2. 2 現場總線的優越性
(1) 節省硬件數量與投資。
(2) 節省安裝費用。
(3) 節省維護費用。
(4) 用戶擁有高度的系統集成主動權。
(5) 提高了系統的準確性與可靠性。
(6) 設計簡單,易于重構。
2. 3 CAN總線技術特性
從物理結構上看,CAN 屬于總線式通訊網絡,與BITBUS ,RS485 相似,又有本質區別。它是一種專門用于工業自動化領域的網絡,不同于以太網等管理和信息處理用網絡。其物理特性及網絡協議特性更強調工業自動化的底層監測及控制。它采用了最新的技術及獨特的設計,其可靠性和性能超過了已陳舊的現場通訊技術, 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 兼容機上,方便地構成分布式監控系統。
(2) CAN 可以多主方式工作,網絡上任意一個節點均可在任意時刻主動地向網絡其它節點發送信息,而不分主從,通訊方式靈活。利用這一特點也可以方便地構成(容錯) 多機備份系統。
(3) CAN 無破壞性地基于優先權的仲裁,可滿足不同的實時要求,有效避免了總線沖突。
(4) CAN 可以點對點,一點對多點(成組) 及全局廣播等幾種方式傳送和接收數據。
(5) CAN 采用短幀結構,每一幀有效字節為8個,這樣傳輸時間短,受干擾概率低,重新發送時間短。
(6) CAN 每幀信息都有CRC 校驗及其它檢錯措施,保證了數據的出錯率極低。
(7) 暫時錯誤和永久性故障的故障節點的判別以及故障節點的自動脫離。
(8)NRZ 編碼/ 解碼方式,并采用位填充(插入) 技術。
(9) 通訊介質采用雙絞線,無特殊要求。
3 塑窗生產線控制系統的設計和原理(圖1)
圖1 系統結構圖
3. 1 控制系統的設計
塑窗生產線的要求為數控三軸焊接機,冷卻中心,數控四軸清角清縫機聯成一體,加工數據及工作情況信息共享,根據工廠的要求,焊接機和清理機即可同時工作,實現流水線生產,又可設定單獨工作。為此,焊接機和清理機各設一臺人機界面,實時監測設備運行情況。實際生產計劃根據生產調度人員的安排,利用專用數據處理軟件包,生成指令軟盤來管理設備運行,運行人員每班僅需將軟盤插入計算機軟驅內,便可按照軟盤的加工參數,實現自動加工。
如圖1 所示,生產線控制系統采用貝加萊公司的整套自控系統設備來實現CAN 現場總線數據處理, 焊接機采用工業控制用計算機PROVIT2000 作為監測設備,在清理機設置一臺人機面板PANELWARE ,焊接機控制器為PCC1 ,清理機控制器為PCC2。在CAN 網絡上,主站為工控機,可編程控制器PCC 和人機面板PANELWARE ,通過CAN 網絡實現主站之間的數據通信。從站為傳動裝置,伺服驅動器(用于伺服電機定位) 和變頻驅動器(用于交流電機調速) ,從站取不同的站號,依次設為1 ,2 ,3 (3 軸伺服驅動用于焊接) ,4(變頻實現機械手運動) ,5 ,6 ,7 ,8 (4 軸伺服驅動用于清理) 。
3. 2 控制原理
3.2.1 焊接機控制原理
焊接機控制原理為:工控機讀取軟盤信息,通過CAN 總線傳遞到可編程計算機控制器PCC1中,操作人員按照預先切割好的PVC 型材,放置到加工位置,PCC1 根據加工參數,使用貝加萊的專用NCACTION 函數,通過CAN 網絡傳輸數據,控制指定的從站伺服驅動器,直線定位運動,配合其它IO 端口輸出,從而達到加熱焊接的要求,同時通過NET2CAN 函數,讀取清理機PCC2 的狀態信息,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,然后由機械手傳輸到清理機實現清角焊縫。
3.2.2 清理機控制原理
清理機控制原理為: PCC2 根據與PCC1 之間進行的NET2CAN 數據交換,得到焊接的型材序號,通過CAN 網絡在人機面板上實現實時工況顯示,通過貝加萊FRAME DRIVER 幀通信軟件包,仿真倫次變頻電機的CAN 通信協議,控制電機實現機械手的往復運動,將冷卻中心焊接冷卻后的窗框用機械手拉到加工指定區間,隨后推料器將窗框推到三角加工區內；PCC2 根據加工參數,使用NCACTION 函數,通過CAN 網絡,控制指定的四臺從站伺服驅動器聯動,根據直線或園弧插補要求,實現CNC 曲線的定位,結合其它工件動作,達到清內角,外角,縫隙的目的,同時將當前狀態通過NET2000 CAN—Write 函數寫到焊接機控制器PCC1 里,保證加工狀態的信息共享。
4 系統特點
(1) 生產線主站為工控機,人機面板,兩個PCC 可編程控制器,從站為七個ACOPOS 伺服驅動器和一個倫次變頻驅動器。有極高的系統集成度。
(2) 主站之間采用貝加萊公司通用CAN 網絡PVI 傳輸協議,在軟件中設定不同通信站點,方便系統之間的相互連接,組網簡單明了。
(3) 系列產品作為從站時,僅需設定撥碼開關為從站地址,與主站采用專用的CAN 通信函數,具有可靠、高速、簡單的優點。
(4) 與其它產品進行CAN 網絡通信時,可按照對方提供的CAN 網絡通信協議,采用貝加萊特有的自由通信軟件包( FRAME DRIVER) ,依據通信對象、數據格式、傳輸速率,編制對方協議,實現相互連接,數據雙向交換的目的。
(5) 控制器PCC 與伺服, 變頻驅動器采用CAN 總線連接,節省了以往需要的大量信號線。同時,控制器可以節省許多的編碼器信號采集模塊及輸出控制模塊。
(6) 由于采用全數字CAN 網絡技術,數據傳輸安全準確,避免了模擬信號給定精度低,容易受到外界環境干擾的缺點。
5 結束語
生產線已經在濟南天辰機械有限公司研制成功,經過了廠內嚴格的測試,運行效果良好,并參加了2000-09 在北京舉辦的國際建筑材料設備展覽會,得到了與會專家代表的肯定。
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