基于CAN總線的液壓同步滑移控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

卞永明，嚴(yán)月華，黃 亮，竺仁杰

(同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804)

液壓同步滑移技術(shù)是一種集機(jī)械、電子、液壓、傳感器、通信和計(jì)算機(jī)于一體的技術(shù)，主要應(yīng)用于現(xiàn)代工程中大型構(gòu)件的平移安裝［1］.近年來(lái)，隨著液壓同步滑移技術(shù)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，對(duì)其控制系統(tǒng)也提出了更高的要求:要求簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)布線、提高系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度等.CAN 總線在實(shí)時(shí)性和可靠性方面的優(yōu)勢(shì)能很好地滿足這些要求，保證系統(tǒng)高效可靠運(yùn)行.

1 液壓同步滑移系統(tǒng)及CAN總線概述

液壓同步滑移系統(tǒng)主要由液壓推進(jìn)器(包括液壓油缸和夾軌器)、液壓動(dòng)力系統(tǒng)、傳感器件和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等組成.系統(tǒng)的基本工作原理為:液壓推進(jìn)器的夾軌器夾持于地面軌道，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的指令下，液壓油缸相互交替伸縮，使大型構(gòu)件沿軌道向前連續(xù)同步推進(jìn).該技術(shù)具有設(shè)備體積小、自重輕、承載能力大、安全可靠性好、自動(dòng)化程度高、操作方便靈活等優(yōu)點(diǎn)［2］.

CAN 總線是目前應(yīng)用比較廣泛的一種先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線，可以有效支持串行通信網(wǎng)絡(luò)的分布式控制和實(shí)時(shí)控制.它具有數(shù)據(jù)傳輸率高、通信距離遠(yuǎn)、總線利用率高、硬件錯(cuò)誤處理機(jī)制和高抗電磁干擾性等特點(diǎn)［3］.

2 系統(tǒng)組成

基于CAN 總線的控制系統(tǒng)將功能盡可能地分散到各個(gè)控制模塊中，各個(gè)模塊以微處理器為核心，完成數(shù)據(jù)的采集和控制功能.為了使信息能在CAN 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行通信，各個(gè)模塊都設(shè)有CAN總線接口電路［4］.

典型的基于CAN 總線的液壓同步滑移控制系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示.系統(tǒng)采用總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主控制柜控制器、2 個(gè)液壓泵站控制器和4個(gè)油缸傳感器采用CAN 總線連接，組成一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò).其中，主控制柜控制器采集控制面板上的操作信號(hào)，通過CAN 總線接收油缸傳感器發(fā)送的油缸狀態(tài)數(shù)據(jù)，執(zhí)行同步控制算法得到控制數(shù)據(jù)并通過CAN 總線發(fā)送給泵站控制器;泵站控制器通過CAN 總線接收主控制柜發(fā)出的控制指令，執(zhí)行開關(guān)量和模擬量的輸出;油缸傳感器采集油缸狀態(tài)數(shù)據(jù)(包括行程數(shù)據(jù)和油壓數(shù)據(jù))，通過CAN 總線將油缸狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制柜.

圖1 控制系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Composition diagram of control system

基于CAN 總線的同步控制系統(tǒng)的性能主要包括:①數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地監(jiān)視各個(gè)點(diǎn)的位移數(shù)據(jù);②較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，系統(tǒng)擁有智能糾錯(cuò)能力，能屏蔽和提示誤操作;③通信自動(dòng)修復(fù)能力，現(xiàn)場(chǎng)人為造成的通信中斷待硬件重新連接后能自動(dòng)連接［5］.

3 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控制柜

采用LPC2119 處理器為核心，LPC2119 是荷蘭恩智浦半導(dǎo)體(NXP)公司的一款支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的 ARM7TDMI－S 微處理器，片內(nèi)多達(dá) 64 kB 的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)，具有較大的緩沖區(qū)規(guī)模和強(qiáng)大的處理能力，內(nèi)部集成了2 個(gè)CAN 控制器、2 個(gè) 32 位定時(shí)計(jì)數(shù)器和 4 個(gè) ADC(Analog－to－Digital Converter)單元電路，完全能夠滿足控制要求.系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示.

電源模塊:輸入電源為+18 ～ +36 V，一組采用自制的24 V 轉(zhuǎn)5 V 電源模塊轉(zhuǎn)換成 +5 V 的隔離電源，供LPC2119 處理器使用;另一組通過LM2575－5 轉(zhuǎn)換成 +5 VB 的非隔離電源，供模擬量輸入模塊及LCD 顯示模塊使用.電源輸入端加二極管，防止電源反接，損壞元器件.

圖2 主控制柜硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Hardware structure of main controller

模擬量輸入模塊:4 ～20 mA 電流輸入同時(shí)也可為5 V 電壓輸入，模擬量通過LM324 跟隨后經(jīng)過元件TLC2543 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量.由于LPC2119 由3.3 V 供電，所以這些數(shù)字量需要再經(jīng)過元件ADUM1200 及 ADUM1201 磁電隔離后才能送入LPC2119.

開關(guān)量輸入模塊:開關(guān)量輸入信號(hào)經(jīng)過光耦PS2802－1 進(jìn)行光電隔離后進(jìn)入處理器LPC2119.

開關(guān)量輸出模塊:開關(guān)量輸出信號(hào)經(jīng)過光耦PS2802－1 進(jìn)行光電隔離后輸出供外界負(fù)載使用.

CAN 通信模塊:采用自制的CAN 總線收發(fā)電路，完全電氣隔離.

LCD 顯示模塊:采用周立功單片機(jī)公司的ZTM800480S70－1WT 串控屏，通過 RS232 與處理器LPC2119 連接.

3.2 泵站控制器

以LPC2119 處理器為核心，控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示.電源模塊:與主控制柜電源模塊相同.開關(guān)量輸出模塊:與主控制柜開關(guān)量輸出模塊相同.BTS621 驅(qū)動(dòng)輸出模塊:BTS621 用于驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載，如換向閥及比例閥，最大可驅(qū)動(dòng)16 路，其中4 路可用于PWM(Pulse Width Modulation)驅(qū)動(dòng).BTS621 驅(qū)動(dòng)芯片的第3，6 腳為輸入控制端，第1，7腳為驅(qū)動(dòng)輸出端，當(dāng)?shù)? 腳或第6 腳輸入為高電平時(shí)對(duì)應(yīng)輸出第1 腳或第7 腳也為高電平，輸入為低電平時(shí)對(duì)應(yīng)輸出也為低電平.CAN 通信模塊:與主控制柜CAN 通信模塊相同.

圖3 泵站控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Hardware structure of pump station controller

3.3 油缸傳感器

以LPC2119 處理器為核心，控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示.電源模塊:與主控制柜電源模塊相同.模擬量輸入模塊:油壓傳感器采用德國(guó)哈威液壓有限公司(HAWE HYDRAULIC)的 PT2－ 4－MSD－T7 型傳感器，輸出電流為 4 ～20 mA.AD 采樣模塊通過A0515S 生成±15 V 電壓，+15 V 與模擬量輸入端連接傳感器的1，3 腳.為了提高模擬量采樣精度，LPC2119 模擬電源的基準(zhǔn)電壓由TL431提供，同時(shí)模擬量的地線和數(shù)字量地線采用單點(diǎn)接地方式.模擬量輸入端輸入4 ～20 mA 的電流信號(hào)先通過高精密電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，模擬電壓輸入到LPC2119，進(jìn)行電壓采樣，采樣精度為1 024 位.RS－422 通信模塊:測(cè)量油缸伸縮行程的編碼器為SSI(Synchronous Serial Interface)模式，具有連線少的優(yōu)勢(shì).電路中為避免干擾，單獨(dú)采用一個(gè)電源隔離模塊B0505T－1W，通信上采用MAX487 芯片將收、發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)為一個(gè)信號(hào)輸入到LPC2119.CAN 通信模塊:與主控制柜CAN 通信模塊相同.

圖4 油缸傳感器硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Hardware structure of cylinder sensor

4 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用基于C 語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì).在ADS V1.2 開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行調(diào)試和仿真.

4.1 主控制柜軟件設(shè)計(jì)

主控制柜上電后，首先進(jìn)行各個(gè)模塊初始化，包括I/O 口、定時(shí)器、串口、CAN 控制器和中斷初始化.初始化完畢后，系統(tǒng)進(jìn)入定時(shí)器中斷服務(wù)程序及CAN 接收中斷服務(wù)程序，同時(shí)系統(tǒng)等待串控屏初始化完成并與串控屏建立通信，接著進(jìn)入while主體循環(huán)結(jié)構(gòu).定時(shí)器中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)CAN 數(shù)據(jù)(泵站控制命令數(shù)據(jù))的發(fā)送，CAN 接收中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)油缸狀態(tài)數(shù)據(jù)的接收.while 主體循環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)油缸行程與跟隨油缸行程之間最大偏差的計(jì)算、就地操作指令的讀取和串控屏的動(dòng)態(tài)信息顯示.主控制柜程序具體流程如圖5所示.

4.2 泵站控制器軟件設(shè)計(jì)

泵站控制器上電后，首先進(jìn)行各個(gè)模塊初始化，包括 I/O 口、PWM 模塊、CAN 控制器和中斷初始化.初始化完畢后，系統(tǒng)進(jìn)入CAN 接收中斷服務(wù)程序，同時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入while 主體循環(huán)結(jié)構(gòu).CAN 接收中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)主控制柜發(fā)送的控制命令的接收，while 主體循環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)根據(jù)所接收的控制命令執(zhí)行泵站的輸出驅(qū)動(dòng)控制.泵站控制器程序具體流程如圖6所示.

4.3 油缸傳感器軟件設(shè)計(jì)

油缸傳感器上電后，首先進(jìn)行各個(gè)模塊初始化，包括 I/O 口、ADC 模塊、CAN 控制器和中斷初始化.初始化完畢后，系統(tǒng)進(jìn)入定時(shí)器中斷服務(wù)程序，同時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入while 主體循環(huán)結(jié)構(gòu).定時(shí)器中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)CAN 數(shù)據(jù)(油缸狀態(tài)數(shù)據(jù))的發(fā)送，while 主體循環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)油缸油壓數(shù)據(jù)和行程數(shù)據(jù)的讀取.油缸傳感器程序具體流程如圖7所示.

圖5 主控制柜程序流程圖Fig.5 Flow chart of main controller

5 結(jié)語(yǔ)

目前，基于CAN 總線的液壓同步滑移控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用于港珠澳大橋鋼筋籠頂推和南京祿口國(guó)際機(jī)場(chǎng)T2 航站樓鋼桁架滑移試驗(yàn)等眾多項(xiàng)目中.實(shí)踐表明，該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行穩(wěn)定、系統(tǒng)配置靈活、操作方便.CAN 總線的使用大大簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)的布線，并且提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性.

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