基于CAN总线的分布式铝电解控制系统

    摘要：介绍了基于CAN总线的分布式铝电解控制系统的设计和实现方法，给出了CAN总线的硬件接口电路设计和槽控机逻辑电路结构图。

    关键词：CAN总线  电解槽  槽控机

    铝电解生产计算机监控系统的形成和发展，已由早期的集中型发展到集散型，又进一步发展到了分布式系统。集中控制采用单机群控技术，比较成功地解决了铝电解生产过程监控系统的设计和应用问题。为了对每台铝电解槽比较复杂的控制进行解析、响应现场实时性强的多种操作、控制程序多任务调度等，同时也为了解决集中控制的脆弱性、实时性差等问题，需要对铝电解槽实施分布式控制方案。现在分布式控制已成为铝行业计算机控制系统的发展趋势。为此，本文介绍铝行业比较先进的基于CAN总线的分布式铝电解控制系统。

1 铝电解生产工艺控制要求

    铝电解生产系列是由多台串联式直流铝电解槽组成。计算机数据采集信号为每台电解槽槽电压和系列电流，对电解槽的监控主要是槽电压和氧化铝浓度。槽电压控制是采用带电流补偿的槽电阻数学模型控制算法，即调节槽电压，主要控制槽内的能量平衡；对于氧化铝浓度的控制，由于该浓度无法直接测定而无法建立精确的数学模型。但是它和槽电阻的变化有一定的对应关系，为此采用模糊控制算法控制氧化铝浓度，即打壳下料，主要控制槽内的物料平衡。

2 CAN总线简述

    CAN总线即控制器局域网络，是由德国Bosch公司为汽车的监测和控制系统而设计的总线式串行通讯网络，适用于工业过程控制主设备和监控设备之间的互联。CAN可以多主方式工作，网络上任意节点均可主动向其它节点发送信息；网络节点可按系统实时性要求分成不同的优先级，一旦发生总线冲突，会减少总线仲裁时间。CAN采用短帧结构，每一帧为8个字节，保证了数据的出错率极低，被公认为最有发展前途的现场总线之一。其传输介质可用双绞线、同轴电缆或光纤，通讯速率最高达1Mbps，传输距离可达10km。

3 系统结构

    本系统由智能槽控机、监控计算机和CAN总线三部分构成。其系统结构图见图1。其中智能槽控机是直接而向生产过程的，主要功能是采集和控制现场数据。其数据交换是通过CAN总线网络送到监控计算机，监控计算机由一台工业控制PC机构成，主要功能是对现场槽控机参数进行设置；通过现场总线网络时获取现场槽控机的数据；监测系统异常和完成报表输出等功能。CAN总线部分主要由智能（CAN-PC总线适配卡PC CAN、通讯介质以及相应通讯软件组成。CAN接口卡是具有高性能价格比的智能通讯适配卡PCCAN，它使监控计算机方便地连接到CAN总线上。PCCAN上高怀能的嵌入式微处理器80C188（12MHz)极大地减轻了主机PC的负担，而且可以完成用户复杂的通讯任务。卡上有1KB或2KB高速双口RAM，直接映射到主机内存空间，实现CAN与主机PC的高速数据交换。PCCAN上带有光电隔离，使其避免由于地环流而导致损坏，增强系统在恶劣环境中使用的可靠性。PCCAN上带有可配置的Hilon协议及DOS、Windows驱动程序。

    该系统采用的传输介质为双绞线，负载连接在CAN-H和CAN-L之间，终端匹配阻抗的值应该等于信号线的特性阻抗值（约120）。如果电阻不匹配，有可能降低数据的有效传输。

3.1 智能槽控机的设计

    槽控机以LG公司的GMS90C32单片机为核心而设计。该单片机为90年代产品，与Intel MCS-51系列单片同兼容。每台槽控机由两上机箱组成，分别为动力箱和逻辑箱。动力箱主要由常规控制电路和信号采集板组成，是槽控机的供电部分和控制执行机构。逻辑箱是槽控机的核心部分，其本质是一台功能复杂的专用计算机。逻辑箱的硬件结构示意图见图2。它主要由5块均带CPU的功能相对独立的智能模拟组成。通过CAN总线联接起来组成先进的多CPU网络体系。内、外数据交换均基于CAN总线。各模板功能如下：

    主板：主要对过程控制进行解析

    采样模块：主要完成槽电压、系列电流的采样

    通讯模板；实现与上位机的数据交换

    操作模板：完成所有输入/输出操作

    显示模板：接受触模开关的输入信号，输出运行信息

    采用软件模拟方式完成原来靠硬件电路实现的组合逻辑关系。其输入手动信号采用无机械触点和机械运动的触摸式开关。

3.2 智能模板接口电路的设计

    上述5块智能模板，除通信模块需增加CAN收发器（型号PCA82C250）以及其它模板有一些常规电路外，其核心主要由5部分组成。槽控机智能模板结构图见图3。GMS90C32为单片机，属总线型结构，可以根据应用需要扩展不同功能。X25045为监测电路，它根据应用需要扩展不同功能。X25045为监测电路，它把常用的三种功能即看门狗定时器、电压监控和EEPROM组合在单个封装之内。这种组合降低了系统成本并减小了电路板面积。看门狗定时器对单片机提供保护作用。当系统出现故障时，在选定的超时时间之后，X25045的看门狗将以RESET信号做出响应。利用X25045低Vcc检测电路，可以保护系统使之免受低电压的影响。当Vcc降到最小Vcc转换点以下时，系统复位。复位一直到Vcc返回规定值稳定为止。X25045的存储器是CMOS的4K位EEPROM。PSD311为可编程单片机通用外围接口芯片，该芯片将EPROM、RAM、PAD、地址锁存器和I/O口集成在单一的芯片上中，取代了传统的分散器件，使设计者不再考虑由离散器件构成所需的存储器译码电路、端口和地址锁存器。SJA1000为CAN通信控制器，是CAN总线接口电路的核心，主要完成CAN的通讯协议。SJA1000的复位/RST和中断/INT分别由CMS90C32的P13、/INT0引脚控制；与CAN总线接口主要由TX0和RX0引脚实现；片选信号/CS由PSD311 PC0口控制。PCA82C250为CAN收发器，主要功能是提高CAN总线的保护和驱动功能；TXD和RXD引脚分别用于发送和接收信号。

3.3 CAN通讯软件设计

    CAN设计的三层结构模型为：物理层、数据链路层和应用层。网络物理层和数据链数层的功能由CAN接口器件完成，包括硬件电路和通讯协议两部分。CAN通讯协议规定了四种不同用处的网络通讯帧，即数据帧、远程帧、错误指示帧和超载帧。CAN通讯协议的实现，包括各种通讯帧的组织和发送，均是由集成在SJA1000通讯控制器中的电路实现的，因此系统的开发主要在应用层软件的设计上。应用层软件的核心部分是CPU与SJA1000通讯控制器之间的数据接收和发送程序，即CPU把待发的数据发给SJA1000通讯控制器，再由SJA1000通讯控制器发到总线上；当SJA1000通讯控制器从总线接收到数据后，CPU再把数据取走。首先，应对SJA1000中的有关控制寄存器写入控制字，进行初始化。之后，CPU即可通过SJA1000接收/发送缓存区向物理总线接收和发送数据。本系统采用中断方式实现CAN的通讯过程，其中断服务程序流程图见图4.

    在程序设计中，设置了DW、XW两个标志，这样CPU不通过SJA1000即可知道当前数据收发情况，把高程序的执行速度。

    基于CAN总线的分布式铝电解控制系统，可实现对电解槽生产的高效控制，保证电解槽在新型工艺技术条件下的平稳运行。该系统结构简洁，集成度、智能化程度高，安全可靠性高，结构与功能可扩展性好，且易于操作与维护。CAN总线性能优越，可广泛应用分布式控制系统。