基于CAN总线的阀门远程控制系统

0 引言

    普通电动阀门是一种通用的执行单元，它作为一种重要的执行器件广泛地用于工业流程控制领域，具有不可替代的作用。阀门电动装置是以电机为动力，带动机械减速装置将动力传给阀门，实现阀门开启和关闭的最终部件，它是电动阀门中的核心部分。近年来，国内生产电动阀门的厂商通过对国际先进技术的引进和吸收，以及与Limitorque、Rotork等国际著名企业的合作，已经逐步掌握了机械传动、制造等一些核心技术，加之价格方面的优势，取得了国内市场的主导地位。随着工业自动化水平的提高，尤其是现场总线技术的出现，仅有现场操作以及简单的点对点控制功能的电动阀门越来越难以满足市场需要，国外各大公司纷纷推出现场总线电动阀门产品，但价格高昂。因此，提高我国电动阀门的自动化水平，对国内的电动阀门产品加以改造，推出自己的现场总线产品，提高产品的竞争力，巩固国内市场并能逐步参与国际竞争对于加入WTO的今天有着重要的意义。

    现场总线是应用在制造或过程区域现场装置与控制室内自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。它也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。现场总线的出现为工业自动化提供了全分布的解决方案，提高了现场设备的智能和自治水平，便于系统的安装和维护。现场总线的种类很多，国际标准的现场总线就有13种之多，其中CAN总线以其支持多主方式，卓越的短帧传输性能，极高的可靠性，非破坏性总线先级仲裁方式，Intel、Philips、Motorola等众多半导体生产厂商的芯片支持，以及相对简单的开发手段和低廉的开发成本，使其成为国内现场总线开发的热点。本文研究的基于CAN总线的阀门控制系统就是将微控制器技术、CAN技术应用于国产通用型电动阀门中，同工业控制计算机一同构成的阀门远程控制系统。

1 阀门远程控制系统的总体设计

     通用型阀门对控制精度要求不高，操作也较简单，仅有开、关、停三种状态。通常情况下，操作人员在现场通过对阀门上控制器的操作来控制阀门的开启和关闭，阀门的开度通过阀门上的指针式仪表指示。出于保护的需要，控制器在电气控制上实现了阀门故障状态下的停机功能，但是对故障的诊断只能依靠操作人员的经验，甚至需要开盖检查，给维护带来不便。

    本文提出的远程阀门控制系统包括上、下位两级控制，除了保留原有的现场操作功能外，操作人员还可以通过上位机对阀门进行远程操作。上位机提供操作方便的人机交互界面，支持对系统中不同阀门的简单组态，并采用数据库技术实现系统运行中各阀门的状态信息和故障信息的管理，便于系统的维护，上位机除了具有与下位机通信的现场总线接口外，还应具有以太网接口以实现系统与外部的信息交互。下位机在尽量保留原有的电动装置电气结构的前提下，引入了微控制器技术，构成嵌入式控制系统，既支持现场的操作，也支持上位机的远程控制，二者可以通过现场的开关进行切换。下位机控制系统中增加了检测电路和现场总线接口，实现了阀门运行中大量故障信息的采集。

    微控制器一方面能按现场或上位机设置的阀门开度值控制阀门的开启和关闭，另一方面可以响应上位机的数据请求，将阀门的运行信息上传给上位机。上位机、下位机之间通过现场总线连接，二者分工明确，构成真正的全分布现场总线控制系统（FCS）。

    根据以上分析，本文采用了集中管理、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　CAN总线阀门控制系统结构简图

    上位机采用工业控制计算机，除上面提到的功能外，还设计了运行信息统计打印以及系统报警等功能;下位机是以微控制器为核心的控制单元，并嵌入到阀门中，与阀门的电气控制部分一同实现控制功能。系统通信选用的是CAN总线，CAN总线协议简单，仅包括物理层和数据链路层，用户可以自己定义应用层，传输介质可以采用屏蔽的双绞线，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达1Mbps/40m，直接传输距离最远可达10km/5Kbps，总线上可挂接设备数最多可达110个。当某个节点严重错误时，能够自动脱离总线，有关CAN总线技术的文献较多，在此不作详述。在本文提到的远程阀门控制系统中采用CAN总线是因为阀门控制功能逻辑简单、信息量小，并结合CAN总线数据的传输速度、开发的难易程度、技术支持和成本等多方面的考虑。

2 上位机设计

    系统上位机硬件选用研华工控机IPC-6718V，配以研华的双端口CAN接口卡PCL-841，性能稳定，大大缩短了系统的开发周期。上位机软件采用VB610来设计，便于实现用户需要的各种监控功能。

    上位机软件包括系统安全模块、系统通信参数设定模块、数据库模块和阀门控制模块等几个部分。图2给出了上位机各个软件模块之间的关系，从图可以看出上位机软件不仅实现了阀门控制功能，而且充分考虑了作为一个控制软件所需要的系统安全以及数据库操作。其中，阀门控制模块是上位机软件的核心。 [page]

图2　上位机软件模块关系图 

 
    上位机软件的主要功能是实现对整个系统内各阀门状态的监控以及提供用户对现场阀门的远程控制操作。上位机软件启动后，首先进行系统的初始化，之后进入系统监控运行模式，如果是初次应用，初始化后还要根据系统的具体情况进行组态。在运行模式下，上位机与下位阀门控制单元采用一问一答的方式进行信息交换，上位机对每台阀门返回的各种状态和故障信息进行分析后刷新数据库中的相应数据，并刷新主监控界面上的相应部分。由于主监控界面上的阀门较多，仅能简单地示出每个阀门的基本运行状态（启动、停止、故障）和开度，如果要查看某个阀门的详细运行信息，可以通过点击界面上的阀门图标切换到该阀门的单台监测界面，这时除了可以给出阀门当前的开度、开关停状态等基本信息外，还可以示出电机缺相、转越限、电机过热等报警、故障信息。图3给出了这一过程的软件流程。

      为了提高远程控制时的响应速度，上位机设计了系统中单台阀门的远程控制功能，这种工作模式下，用户将要求的阀门开度通过CAN总线下传给相应阀门中的下位机，由下位机控制阀门的启动和停止，并将整个过程的运行状态实时传给上位机。在实际应用中，如果系统中不同的阀门有联动要求，也可以通过上位机编程实现。

3 下位机设计

      阀门的动作是由嵌入到阀门中的下位机控制的，下位机在接收到指定开度的命令后将分析此时阀门的运行情况和各种状态，如果此时阀门处于允许动作的状态，下位机则发出分析后的指令（开或关），待阀门开度到达指定开度时，执行停机操作。下面将从硬件、软件两个方面对下位机设计进行较详细的说明。

3.1 下位机硬件设计

    下位机是具有“自治”功能的单片机控制系统，在原有的电气控制电路基础上增加了故障信号的采集和对外通信的CAN总线接口。下位机电路从结构和功能上可以分为主控单元模块、电源监测模块、数据采集及控制接口模块、人机接口模块、总线通信模块。它们之间的关系如图4所示。

① 主控单元模块

    主控制模块是整个下位机的核心，由单片机的最小系统构成，协调其他四个模块工作，完成下位机的控制功能。考虑到阀门的运行信息采集点和故障信息采集点的数量和系统开发的难易程度，本系统选择了PHILIP公司MCS51系列单片机80C552，它具有256字节可读写的RAM数据存储器、5个8位I/O口、1个8位输入口、2个16位定时器/计数器、1个配置捕捉/比较模块的16位定时器、15个中断源、2个中断优先级、8路10位的A/D转换器、2路脉冲宽度调制输出、2个串行口（异步串行口和I2C总线口），还集成了看门狗定时器。

    ② 电源监测模块

    阀门在工作过程中会因为某些原因出现主电源回路掉电的情况，用户要求在这种情况下，下位机系统的监控部分仍能短期工作，并把这种故障及时上传到上位机监控系统，以便操作人员及早发现、及时排除。为此，本文在下位机控制机中设计了电源监测模块，实现对阀门供电情况的监测，并能实现主电源与备用电源间的切换，电路结构如图5所示。由于主电源回路掉电时，备用电源仅为单片机系统供电，加之这时的单片机系统工作于节电运行方式，功耗较低，所以备用电源采用普通干电池或充电电池。实验证明，在主电源回路掉电的情况下，备用电源可以工作12h以上，完全可以满足维修的需要。

③ 数据采集及控制接口模块

     这部分是下位机控制系统的输入、输出部分，主要完成阀门各种报警信号、开度的采集，对阀门开、关、停的控制等，其结构如图6所示。在数据采集电路中，除了采集基本的运行状态外，还增加了电机缺相、转矩越限、电机过热、熔断器损坏、行程开关到位、紧急制动状态等大量的信号采集点，提高了下位机的监控能力。阀门中的采集信号和控制信号多数为强电信号，为了使单片机系统免受影响，在电路中采用了隔离设计，增加了系统的可靠性。

 
图6 输入/输出电路结构

    ④ 人机接口模块

    对阀门的运行除了可通过上位机远程控制外，还保留了现场控制功能，这主要通过现场手操器完成，它是下位机中的人机接口模块。手操器由键盘和数码管显示电路组成。在手操器的设计中采用了I2C总线技术，键盘电路采用了具有I2C接口的输入输出扩展芯片PCF8574，显示电路采用了具有I2C接口的数码管显示驱动芯片SAA1064，单片机80C552本身就集成有I2C总线接口，为系统的软硬件设计提供了方便。手操器的硬件结构如图7所示。另外，I2C总线支持带电插拔，给手操器的使用带来了极大的方便，使用者可以在不妨碍阀门正常工作的情况下，拆装手操器。

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图7 人机接口电路原理

     ⑤ 通信功能模块

     通信电路是下位机中的CAN总线接口部分，是提供阀门远程控制功能的核心部分。它由CAN控制器SJA1000、CAN驱动器82C250以及光电隔离电路构成，电路结构如图8所示。由于光电隔离的需要，模块使用了DC-DC电源模块。为了提高通信模块的通用性，满足不同使用的需要，在下位机中还设计了微动开关，用于设置不同的通信波特率和不同阀门的地址选择。

 
图8 通信功能电路结构

     3.2 下位机软件设计

     下位机软件用C51语言编写，程序的可读性、可移植性大大提高。下位机软件主要完成阀门的状态和故障的采集、阀门开度采集、执行开关停阀门的动作和通信功能。由于篇幅的关系，下面仅介绍主控制程序和CAN总线通信中断服务程序。

     ① 主程序的设计

     下位机软件的主要工作是采集阀门的信号、控制阀门运动以及响应上位机的请求或命令。下位机系统初始化后进入主程序循环，为了准确采集阀门开度和避免误报警，对输入信号都进行了简单的数字滤波，下位机对这些信号综合分析后，根据开度要求控制阀门的开、关、停动作。下位机具有现场控制、远程控制两种控制方式，可由现场开关来区分，在这两种控制方式下，下位机都可以根据上位机的要求进行运行数据的上传。所不同的是，在现场控制时，操作者在现场用手操器进行控制，这时上位机对下位机只能监视，不能控制；远程控制时，下位机通过分析上位机命令来对阀门进行控制。下位机主程序软件流程如图9所示。

 
图9 下位机软件流程图

     ② CAN中断服务程序的设计

     当上位机向下位机发出数据请求或命令时，下位机就会进入CAN中断服务程序。在进入CAN中断服务程序后，首先进行现场保护，然后读取SJA1000的中断寄存器，分析是哪种中断并置相应的标志位，如果是接收中断，则置接收数据标志并读取数据，然后释放缓存，最后恢复现场，中断返回。CAN中断服务程序如图10所示。

 
图10 CAN中断服务子程序流程图

     由于下位机要嵌入到阀门电装的腔体中，电磁干扰严重，在设计中采用了多种软、硬件抗干扰设计，由于篇幅原因，不再一一详述。

4 结束语

     本文提及的技术已经在天津阀门公司生产的QT、OOM、SMC、ZA等系列电动阀门中得到应用，使其成为具有远程控制功能和故障诊断功能的电动阀门。由这些阀门构成的远程阀门控制系统已经实际运行了近一年时间，运行情况良好，达到了设计要求，并通过了天津市科委组织的专家鉴定。目前，正在准备产品的中试，同时加紧应用层协议的规范化，力图尽快推出满足DEVICENET的电动阀门产品。相信随着这类产品的推向市场，必将推动我国现场总线执行器的发展。