CAN總線在機械制造中的應用

吳劍

摘要：CAN即控制器局域網(wǎng)，CAN總線因其數(shù)據(jù)通信具有抗干擾性強、安全性高、實時性強、功能完善和成本合理等特點在機械制造中應用廣泛，成為國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一?，F(xiàn)場總線技術(shù)已成為當今工業(yè)自動化技術(shù)發(fā)展的熱點。本文對CAN總線在機械制造中的應用進行了詳細分析。

關(guān)鍵詞：CAN總線；機械制造；應用

前言

隨著機械制造各項技術(shù)的不斷發(fā)展，電子技術(shù)、計算機技術(shù)及智能控制技術(shù)越來越廣泛地應用于機械制造中，以提高機械制造的操縱性、平穩(wěn)性、舒適性和工作效率。機械制造電子控制技術(shù)在設(shè)備安全、節(jié)能環(huán)保及改變設(shè)備功能等方面發(fā)揮著重要的作用，越來越成為機械制造工業(yè)發(fā)展的主導。

傳統(tǒng)的機械制造控制系統(tǒng)由眾多傳感器、儀表及控制機構(gòu)組成，加上越來越復雜的工作狀態(tài)，使得電線數(shù)量、種類和節(jié)點數(shù)越來越多，造成了整機電氣設(shè)計和制造越來越復雜，布線困難，可靠性下降，故障排除時間越來越長。CAN總線技術(shù)具有成本低、線數(shù)少、適用廣、靈活性大、信息傳輸高、特別抵抗干擾等優(yōu)點，因而被成功地廣泛應用于機械制造行業(yè)。

1.CAN總線的相關(guān)概念和特點

CAN是目前國際應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，是控制器局域網(wǎng)絡(luò)的簡稱，最早由德國BOSCH公司推出，用于解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，如今其總線規(guī)范已被定為國際標準。

CAN總線目前已經(jīng)在車輛、船舶等運輸業(yè)中；嵌入式機器控制、工廠自動化、過程自動化和發(fā)電等制造業(yè)中；電梯控制、嵌入式門控制、供暖控制、通風控制、空調(diào)控制等樓宇自動化中；醫(yī)療設(shè)備、重病監(jiān)護等衛(wèi)生保健中；分揀機、輸送機、加油站、自動取款機等行業(yè)中；舞臺控制、照明控制等娛樂行業(yè)中；煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)等工業(yè)通信中得到廣泛應用。

CAN總線特點：①支持多主工作方式，網(wǎng)絡(luò)上任何節(jié)點均可以在任意時刻主動向其它節(jié)點發(fā)送信息，部分主從，通信靈活；②支持點對點、一點對多點和全局廣播傳送數(shù)據(jù)；③采用了獨特的非破壞性總線仲裁技術(shù)，通過設(shè)置優(yōu)先級來避免沖突，能滿足實時性要求；④信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀有效字節(jié)數(shù)為8個，因而傳輸時間短，且每幀信息均具有故障自我檢測、診斷和自動關(guān)閉功能，使總線上其他節(jié)點通信不受影響，數(shù)據(jù)出錯率極低，可靠性高，具有較強的抗干擾能力；⑤通訊距離最遠可達10km/5Kbps/s，通訊速率最高可達40m/1Mbp/s，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)實際可達110個，傳輸速度快，傳送信息量大；⑥通過傳輸總線鏈接各個控制計算機，可以減少導線數(shù)量和連接端子，從而減輕整車質(zhì)量和故障概率提高車輛的可靠性及安全性?？刂颇K之間能共享傳感器輸入的信息，從而可以減少傳感器數(shù)量；⑦可以實現(xiàn)復雜的控制功能，較易實現(xiàn)子系統(tǒng)的增加或減少，系統(tǒng)擴充容易，改型靈活。

2.CAN總線在機械制造中的應用

CAN總線技術(shù)的引入徹底改變了機械制造控制領(lǐng)域的面貌，分布式控制系統(tǒng)完全取代了集中式控制系統(tǒng)，在眾多具有CAN功能的控制器、傳感器和執(zhí)行器的支持下，繁瑣的連線被單一、簡潔的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)所替代，系統(tǒng)設(shè)計更加靈活、信號傳輸質(zhì)量也大幅提高。CAN總線在機械制造上的廣泛應用將使機械制造的控制性能、動力性、操縱穩(wěn)定性、安全性都上升到一個新的高度，給機械制造技術(shù)的發(fā)展注入新的活力。在工程機械領(lǐng)域，世界領(lǐng)先的大型工程機械公司CAT、VOLVO、利勃海爾等都使用現(xiàn)場總線控制，大大提高了機器的運行效率，維護等方面的成本也都大大降低。

2.1 CAN總線在攤鋪機中的應用

攤鋪機是道路施工中重要的路面施工機械，其性能與可靠性會直接影響整個路面工程的質(zhì)量。將CAN總線應用在攤鋪機行走控制系統(tǒng)中，整個控制系統(tǒng)可分為三個模塊，分別為電噴發(fā)動機控制器、行走控制器和顯示器，以實現(xiàn)集中管理以及功能和危險的分散。其中，電噴發(fā)動機控制器根據(jù)發(fā)動機實際工況對發(fā)動機的轉(zhuǎn)速進行控制；行走機構(gòu)控制器在攤鋪過程中發(fā)揮恒速控制、轉(zhuǎn)向控制以及整機狀態(tài)參數(shù)檢測等作用；顯示器發(fā)揮整機狀態(tài)參數(shù)和故障報警信息的界面顯示的作用。攤鋪機的功能分散、集中監(jiān)視、危險分擔，有利于提高整機的工作性能。CAN總線技術(shù)還可應用于攤鋪機自動找平系統(tǒng)中，在系統(tǒng)工程過程中，每個節(jié)點作為路面高度采樣點，實時采集路基變化樣本。當主控節(jié)點廣播式地發(fā)送數(shù)據(jù)請求幀時，各個節(jié)點將當前的實時采樣數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制器，多點采集可以濾除干擾信號，更準確地描述路基的變化情況。當主控制器接受完所有節(jié)點的數(shù)據(jù)后，按照一定的算法進行數(shù)據(jù)處理，去除偶然因素如石塊、坑槽等影響，然后發(fā)出PWM信號控制液壓缸的電磁閥，從而控制熨平板的升降使得攤鋪厚度均一。CAN總線的應用提高了道路攤鋪工程的自動化和智能化水平，使攤鋪機作業(yè)效率和路面施工質(zhì)量得到提高的同時改善了道路工程的操作環(huán)境，降低了勞動強度。

2.2 CAN總線在挖掘機中的應用

隨著中國挖掘機行業(yè)的快速發(fā)展，挖掘機的性能是生產(chǎn)廠家市場競爭力的關(guān)鍵，高效、節(jié)能的智能控制系統(tǒng)成為了提升挖掘機性能的主要手段。電氣控制系統(tǒng)作為挖掘機核心系統(tǒng)之一，關(guān)系到整機的性能、智能化程度和可維護性。挖掘機的性能要求越高，傳感器數(shù)量就越多，如果用傳統(tǒng)控制方式必會增加線束數(shù)量，使維護難度增大，不利于數(shù)據(jù)共享。CAN總線的應用可以在不影響原系統(tǒng)的前提下克服傳統(tǒng)控制方式的缺點。挖掘機的電氣控制系統(tǒng)主要由發(fā)動機控制模塊、液壓控制模塊、顯示模塊、GPS遠程管理模塊和常規(guī)控制模塊組成。發(fā)動機控制模塊中主控制器通過CAN總線可以讀取轉(zhuǎn)速、工作時間、水溫、油壓、運行狀態(tài)等信息，控制發(fā)動機起停、轉(zhuǎn)速、節(jié)能、保護，無需再安裝相應的傳感器，簡化了電氣線路。同樣在液壓控制模塊采用CAN總線采集司機的操作，根據(jù)檔位、功率模式和發(fā)動機狀況等確定主閥的開度，以控制液壓系統(tǒng)實現(xiàn)整機行走、回轉(zhuǎn)等動作，提高了系統(tǒng)的可操作性，簡化了液壓控制管路。此外，具有CAN總線功能的顯示器能對挖掘機運行過程中的參數(shù)進行實時顯示，也能進行參數(shù)設(shè)置、故障警報及保養(yǎng)提示。GPS終端也能通過CAN總線與總控制器進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)定位和遠程數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 CAN總線采礦鏟運機中的應用前景

隨著礦產(chǎn)資源的開采逐漸向深部延伸，采礦條件更加惡劣，智能化、自助式的采礦設(shè)備已是發(fā)展必然的發(fā)展趨勢。鏟運機是有色金屬深井礦山開采的關(guān)鍵設(shè)備，由于過去的人為駕駛鏟運機對工作人員的安全威脅很大，而遙控鏟運機可靠性差、系統(tǒng)成本高，所以自助式無人操縱鏟運機成為了采礦設(shè)備的重要研究方向。CAN總線技術(shù)的通訊系統(tǒng)在自助式無人操縱鏟運機中的應用能使傳感器系統(tǒng)和控制系統(tǒng)方便地對信號的采集、分析和處理，從而實現(xiàn)行走、鏟運等功能。CAN總線的開發(fā)應用在采礦機械領(lǐng)域業(yè)有廣闊的前景，定能給行業(yè)帶來飛躍性的發(fā)展。

3.結(jié)束語

CAN總線技術(shù)具有較高的可靠性、實時性和較強的靈活性，這些突出的優(yōu)點使其被廣泛地應用，它的發(fā)展也推動了機械制造自動化技術(shù)的發(fā)展，而且在許多有待開發(fā)的機械設(shè)備領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。CAN總線的應用使機械制造的性能、作業(yè)效率和工作質(zhì)量得到了提高，簡化了電氣線路，液壓回路，減少了傳感器的使用，從而降低了產(chǎn)品的成本也改善了機械的可維護性，由此CAN總線的擴展開發(fā)及應用會給許多行業(yè)帶來巨大的效益。

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