CAN总线技术在分布式控制系统中的应用

安徽博微长安电子有限公司 朱艮村

本文介绍了CAN现场总线的技术特点，讨论了在分布式控制系统中采用现场总线的必要性以及CAN总线在分布式控制系统中应用的可行性和优点，并介绍了基于CAN现场总线技术在某型特种设备液压举升控制中的典型应用。

传统的串行通信速率很慢，在高速数据交换应用场合根本不能使用，而且其通信的最远距离受到限制，通信过程中误码率较高，没有可靠高效的硬件进行校验，数据的错误检测完全依靠用户自己的软件实现，导致错误处理能力不强，从而影响通讯的准确性和系统运行的可靠性。如采用CAN现场总线则可较好的解决上述问题，使得它越来越受到人们的重视并被广泛的应用于汽车、制造业、航空工业、工业自动化中及工业现场等领域。

1 现场总线引入分布式控制系统的必要性

（1）随着分布式控制系统自动化程度以及复杂性的提高，要求控制系统与现场设备之间能够实现双向通信。

（2）用户对被控制对象的掌握情况和了解情况要求越来越透明。

（3）用于设备现场的总线接口模块的技术进步，使得控制系统能够方便地与现场设备进行无缝对接。

2 现场总线引入液压控制系统的可行性

（1）液压举升系统需要采集的信号就近接入CAN现场模块，再通过CAN总线反馈给控制CPU单元。

（2）液压举升系统电磁阀控制信号也就近接入CAN现场模块，控制CPU单元通过CAN总线对其进行控制。

（3）CAN现场模块的外接电缆只有两根，一根是CAN通讯电缆，一根是电源电缆。

3 分布式控制系统采用CAN现场总线的优点

CAN所连接的设备不分厂家与国别，只需遵从标准协议即可以组成总线网络，正好满足分布式控制系统的设计需求。

在分布式控制系统中采用CAN现场总线有以下优点：

（1）不同类型的设备可以方便地集成在控制系统中，便于控制系统的集中管理，方便日后的更新与维护。

（2）采用总线连接方式代替一对一的I／O连线，减少了由接线造成的不可靠因素，也增强了系统的可维护性。

（3）针对精度与时间要求都很高的复杂分布控制系统提供了很好的解决方案。

4 基于CAN总线的分布式控制系统应用实例

某型特种设备的液压举升控制系统要求多缸同步运动，需要采集的信号多，需要控制的电磁阀也较多，如选用分布式的控制系统则大量的信号在系统中需实时交换，传统线束已不能满足此要求，所以用CAN总线来完成测控中的数据和命令的传送。CAN总线有易扩充、易实现多主结构、可靠性高、实时性强、通信介质无特殊要求的特点，将CAN总线应用于液压举升控制系统具有较大优势。

液压举升系统只是某型特种设备机电控制系统的一部分，它担负着特种设备仿生臂的收放和天线的升降，液压举升系统的关键部件有：仿生臂4只、门架1套、液压插销2只、油缸8只、摆缸1套、泵电机1只、控制阀10只、接近开关20只、贝加莱BC7321模块2只、贝加莱DM1321模块2只、贝加莱DO1332模块2只、举升控制柜1套等。液压举升系统的控制器件有（放在举升控制柜内）：CPU模块（带CAN总线接口）、CAN总线通信模块、数字量输出模块、数字量输入模块、空气开关、交流接触器等。

液压举升控制系统核心控制单元的型号为CP476（CPU模块）的贝加莱可编程计算机控制器（图1所示），该模块自带有一个RS232接口、一个CAN总线接口，模块本体集成有四个插槽，另外该模块还有一扩展插槽。

图1 液压举升控制单元

自带的RS232接口主要用于软件程序的下载和在线监测。自带的CAN总线接口在本系统主要用于和上位机通过CAN总线进行通讯，如执行上位机发出的命令，将本系统的状态实时地反馈给上位机。四个本地插槽用于插入贝加莱公司的旋入式模块，如本系统所用的数字量输入模块（DI140）和数字量输出模块（DO138）就是插在本地插槽的第2和第3槽，其中，数字量输入模块是用来接收本系统自己的按键输入信息和相序检测器送出的相序检测信号。数字量输出模块是用来输出报警信号、泵电机控制信号等。相序检测器首先检测电网电压，当其自带的输出口有相序正确信号输出，表示给泵电机的三相电源正确，否则，程序调换输入给相序检测器的电源相序，当其自带的输出口有相序正确信号输出，表示给泵电机的三相电源需调相，如无相序正确信号输出，则表示总电源缺相，泵电机不可启动。

CPU模块的扩展槽上插有CAN总线扩展卡，用于与安装在现场设备上的现场模块建立通讯，贝加莱现场模块（BC7321模块、DM1321模块、DO1332模块）全部通过CAN总线挂在该扩展卡的CAN接口上。

BC7321模块是CAN总线接口模块（图2所示），它负责在CPU模块和现场模块间互传数据，该模块自带有8输入输出口，可接接近开关或继电器等，其I/O口作为输入口时有10ms的延时，作为输出口时单口所提供的电流不超过0.5A。

图2 模块

DM1321模块是数字量混合模块，其I/O口与BC7321模块类似。

DO1332模块是数字量输出模块，其最大的特点就是单口的输出电流达到2A，比较适合于推动电磁阀这类大电流动作元件。

20只接近开关分布在BC7321模块、DM1321模块上，用于检测液压系统动作时，机械结构的到位情况和减速位置。

10只电磁阀分布在DO1332模块上，用于控制电磁阀何时加电。

控制系统软件运行在贝加莱CP476（CPU模块）自带的操作系统上，分为主从通讯模块、输入/输出接口模块、液压系统控制模块和故障检测模块4个软件模块。主从通讯模块负责和各被控制对象机进行CAN通讯，I/O映射模块负责将外部硬件和系统软件的相关变量关联起来，控制模块完成仿生臂收起、放落，门架举升、放落的控制功能，故障检测模块能够判断控制系统本身或各被控对象是否出现故障并快速定位，可以给出报警信息。

结束语：CAN总线传输速度快（本系统的CAN波特率500K）、具有较高的可靠性、良好的开放性、极强的抗干扰能力。在机电一体化的控制系统中采用CAN总线，大大简化了控制系统架构，节约了系统开发的硬成本，能够极大提高系统的控制精度和实时性要求，便于系统的调试、维护和升级，具有良好的发展前景。