近來,由于環保意識與動物保護主義盛行,優質人造皮革在國際市場上受到了廣泛的歡迎。因此制革機械近幾年來得到了新的發展。尤其是濕法皮革生產線,為提高系統的精度和可靠性,目前大多廠商放棄以同步控制器,溫度控制儀為主的傳統實現方式。轉而紛紛進入PLC 加觸摸屏方式,或工控機加PLC 控制方式的格局。該生產線有100 - 150M 的長度。同時存在60 - 70 模擬信號。
因此為了降低成本,增加系統的可靠性。我們采用了PCC(計算機控制中心) ,加CAN 總線分布采集模塊,觸摸屏構成濕法皮革生產線的自動控制系統。
1. PCC 的概述
B&R 的PCC 控制器采用分時多任務操作系統,因此可將控制要求分成多個任務( task) ,并且在一個掃描周期內同時執行;Windows 下編程環境Automatoin Studio 支持標準的C、Basic、梯形圖、指令表、順序結構圖等六種標準的開發語言;根據需要可以在同一個項目中采用多種語言進行編程。同時,編程環境中包含豐富的函數庫及功能塊(Functionblock) ,大幅度減輕了開發人員的工作量。在本套控制系統中PCC的軟件的開發中,我們主要采用了以C語言為主,梯形圖為輔的編程方式。
2. CAN 總線的概述
CAN ,全稱為“Controller Area Network”,即控制器局域網,是國際上應用最廣泛的現場總線之一。起先,CAN被設計作為汽車環境中的微控制器通訊,在車載各電子控制裝置ECU 之間交換信息,形成汽車電子控制網絡。比如:發動機管理系統、變速箱控制器、儀表裝備、電子主干系統中,均嵌入CAN 控制裝置。CAN 是一種多主方式的串行通訊總線,基本設計規范要求有高的位速率,高抗電磁干擾性,而且能夠檢測出產生的任何錯誤。當信號傳輸距離達到10Km 時,CAN 仍可提供高達50Kbit/ s 的數據傳輸速率。
3. 系統的總介紹
本系統由觸摸控制屏、PCC、CAN 總線模塊三部分構成。具體結構參見圖1 。其中觸摸屏主要完成工藝參數的設定,如軋輥的溫度,系統的走布速率等;顯示各軋輥的張力以及歷史參數,顯示系統的運行狀態。包括變頻器的電流,故障代碼等。觸摸屏RS232口與PCC的RS232 建立點與點的通訊。由PCC 擁有獨創FARAME - DRIVE功能。因此,它幾乎可以與所有RS232 的設備進行相互通訊。PCC 是生產過程的控制核心。主要功能是完成對各CAN 總線模塊掃描,獲得現場的溫度及張力軋輥位置信號。并根據工藝參數的要求進行各種PID 運算后輸出控制信號到CAV 總線輸出功能塊。其系統結構框圖如圖2。
4. 同步控制原理
(1) 系統的傳動線路圖:系統放卷與收卷用力矩電機單獨控制。整個系統的速度跟隨主凝固機運動。主凝固機由一臺5. 7KW 的矢量型變頻器拖動。其給定信號采自于觸摸屏的設定。其他各扎機分別31 臺主頻機拖動。每臺扎機的速度保證與主凝固機同步。其結構框圖如圖3 所示。在保證張力恒定的情況下能保證系統轉速的同步。為了加快調節時間加入前饋控制量速度設定,使系統在起動和速度升降過程中張力波動減少,在張力控制過程中一旦出現了張力過載,PCC 輸出控制氣閥抬起了壓輥。張力恢復正常后又自動壓上壓輥,其控制策略采用雙位控制。
(2) 溫度控制:溫度采用C 語言使用PID 函數,可以控制無限路溫度調節。在該系統中,一般控制8 到10 路溫控。由于采用的是C 語言,可以動態的定義當前有幾路溫控,普通溫控表或PID 調節器難以進行準確溫控; 而B &R 公司智能溫度PID 軟件可以自動計算出不同溫控所需要的PID 參數,使溫度控制精確到±1 ℃。
5. PCC 的CAN 總線的特點與下位CAN 模塊的通訊
(1) PCC 的CAN 總線的使用
PCC 的CAN 幀最多可用8 個字節的信息進行讀寫。這部從通過調用CAN 函數庫來實現。其中包括CONOPEN , CANWRITE , CANREAD ,以及SANTAB 和CANRWTAB。CANOPEN 函數包括完成對CAN 總線的初始化,需要注意的是CAN 總線的初始化必須包含在初始化例程INTI SP 中。CANOPEN ( 1 ,BAND - RATE ,COB - ANT ,ADR ( ERRO - ADR) , 0. , 0 US - IDENT ,STAFUS) 其中BAND - RATE = 25 ,即代表波特功率為250K。US - IDENT 是調用CAN 初始化得到的到PCC 的CAN的ID ,在CAN 總線的讀寫過程都將用到該參數。CAN 總線的寫信息通過在優先級較高的進程中采用CAN2WRITE函數,其函數參數定義如下:CANWRITE(BAND -RATE ,COB - ANT ,ADR ERRO - ADR ,0 ,0 ,US - IDENT ,STATUS ) ,enable = 1 ,us - idenf 為在CANopen () 初始化中建立的us - idenf 。CAN - id 為數據目標CAN 模塊有關的CAN 數據楨的ID。DATE - ADR 為發送數據模塊的首地址。Date - iog 為發送的數據長度。其最大值為8。如果以CAN - id 為幀地址數據被成功發送則status = 0 ,反之status= 錯誤代碼。其發送數據的流程如下:
;寫PCCD 的CAN 總線代碼:
INIT SP for the task
enable = 1
baud- rate = 25
cob-anz = 35
CAN-open (enable ,baud- rate ,cob-ant ,adr (erro-adr) ,0 ,0 ,us-ident ,rc-open)
;Cyclic section of tark
if (rc-open = 0) then
CANwrite (enble , us-ident , ＄ # # , adr ( data-adr) , 8 , rcwrite)
If (rc-write < > 1then) ;錯誤處理
endif
enfif
(2) PCC CAN 總線的讀數據
在PCC 中設置一較高優先級的task 來處理輪尋采集模塊的數據。為降低系統成本和提高采樣的速率。本系統根據軋輥的分布情況采用8 塊張力,2 塊熱電偶采集模塊。每塊模塊可采集6 路信號。實際使用4 路輸入,另外2 路作為備用。采樣精度為10 位。這樣需求20 個CAN- id。其采樣周T = 20 ×task 的(時間片= 1ms) 。其初始化,及函數參數表同CANwrite 其讀過程應限于篇幅也從略。
(3) 現場采集模塊的構成
如上所述,濕法皮革生產線現場環境惡劣。因此設計高可靠的CAN 總線模塊是生產線正常運行必要保障。其結構框圖如圖4 所示。電路中采用了89C51 芯片。該芯片集成mcs - 51 內核。具有電路10 位A/ D。內建兼容CAN 2. 0B 的CAN 總線控制器。取代系統的分散元件,提高了系統的可靠性。考慮到現場的干擾及PCC 的設備安全,在CAN 總線與CAN 控制的輸出之間采用光電隔離。為CAN 總線的驅動器P82C250。P82C250 是專門用于CAN 總線的收發驅動8 腳芯片,TxD 和RxD 引腳分別發送經驅動后的發送和接收信號;雙絞線介質分別接受CANH ,CANL 引腳。在網絡的末端應注意加上120 終端匹配電阻。防止反射信號對通訊過程的影響。現場控制器的結構圖如圖5 現場模塊主要完成對0～5V 張力信號的采集,熱電偶mV 信號的采集,現場溫度的采集。mV信與0～5V 信號采用開關切換。D/ A 轉換輸出0～5V 電壓信號控制變頻器。87C591 內含一SJ1000 的CAN 控制器,因此模塊降低外圍器件,也避免SJ1000 與MCS 時鐘同步問題。CAN 的驅動采用P82C520 專用芯片,并且實現控制器與網路的光電隔離。P87C591 是一個單片8 位微控制器,具有片內CAN 控制器SJ1000A。全靜態內核提供了擴展的節電方式,振蕩器可停止和恢復數據,在RM 外部時鐘速率時實500ns 指令周期,片內令6 路10 位AD等其他性能。
6. CAN 通信軟件的設計
(1) CAN 通信協議的確定
由87C591 中的控制器提供了物理層,數據鏈路層。通訊協議的設計主要是基于應用層開展的,通過有效的分配CAN 協議的ID 資源從而完成對各控制住處和數據正確可靠的傳輸。ID 的分配表如下表所示:
(2) 采樣方案的確定
這樣通過有效分配ID 號來保證各種數據的優先級,由于溫度過程時間常數較大可采用較低優先級,張力采樣需要實時采樣,因此采用較高優先級,并且在主站的CAN數據輪詢中安排不同的采樣周期,在PCC 中采樣周期可以通過設定不同的TASK的時間片來控制。溫度采樣控制過程采用IS的TASK,而張力采樣則采用MS的HS級的TASK。
(3) 現場采集模塊CAN 總線通程序流程
現場模塊采集用接收信息采用中斷方式,根據數據請示信號,采用查詢發送采集信息。在CAN 通信過程中發生中斷還應判斷中斷類型,并依此作一些故障處理,這里從略,需要說明的本現場采集模塊充分利用CAN 控制器四個接收屏驗收濾波器靈活配置,來簡化根據ID的信息分類。
7. 結束語
本系統綜合的PCC 的編程靈活,可靠性高與CAN 總線分布系統的價格與可靠性優勢。它的應用,增強了皮革生產線的柔性與可靠性。降低了成本,本系統應用2003PCC 系列主機,對電力系統,以其他需要高速采集數據的分布系統具有一定的借簽。
