基于CAN總線感應(yīng)加熱電源數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

劉杰，梅建偉，周祥成

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰442002；2.恒進感應(yīng)科技（十堰）股份有限公司，湖北 十堰442000）

感應(yīng)加熱電源具有工件加熱均勻、加熱效率高、無能源污染、能耗低、易于生產(chǎn)控制等優(yōu)點，利用感應(yīng)加熱電源和特定機械結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的熱處理機床，廣泛應(yīng)用于大型工程機械制造、風(fēng)力發(fā)電機制造、汽車零部件加工等金屬熱處理領(lǐng)域。隨著智能制造的崛起，大型特殊工件作為關(guān)鍵零部件，對加工過程的控制與監(jiān)控提出了更高的要求［1］。采用數(shù)字化感應(yīng)加熱電源加工，能夠?qū)崽幚磉^程關(guān)鍵參數(shù)進行實時采集并實現(xiàn)加熱電源狀態(tài)監(jiān)控。通過對電源加工狀態(tài)的監(jiān)控，能及時發(fā)現(xiàn)工件加工缺陷，有助于提高產(chǎn)品良品率和改進加工工藝［2］。大型工件的熱處理過程，常需要多臺熱處理電源協(xié)同工作，來提高熱處理生產(chǎn)效率，以滿足生產(chǎn)工藝要求。傳統(tǒng)加工方式一般采用多臺獨立加熱電源工位，通過數(shù)控機床或PLC使用開關(guān)量或模擬量單獨控制每一臺感應(yīng)電源的工作，通過485總線獲取每臺電源的加工狀態(tài)參數(shù)。該方式導(dǎo)致機床系統(tǒng)復(fù)雜，電源可靠性不高，無法實時獲取所有電源加工關(guān)鍵參數(shù)。目前能夠滿足在復(fù)雜電磁環(huán)境下可靠使用的微型控制器和CAN 總線控制器越來越成熟［3］。文中使用單片機設(shè)計開發(fā)的感應(yīng)加熱電源監(jiān)控系統(tǒng)，通過CAN 總線連接多臺感應(yīng)加熱電源和熱處理機床主控PC 機，實現(xiàn)加熱工位實時數(shù)據(jù)顯示及工件加工過程關(guān)鍵參數(shù)存儲等功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能

感應(yīng)加熱電源數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)為感應(yīng)加熱電源輔助功能系統(tǒng)，不主動參與電源控制，主要實現(xiàn)通過總線網(wǎng)絡(luò)獲取電源實時運行數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后發(fā)送給其他子系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實現(xiàn)感應(yīng)加熱機床多電源工位的電源參數(shù)監(jiān)控，多臺電源運行數(shù)據(jù)共享，簡化感應(yīng)加熱機床電路硬件部分設(shè)計，提高機床系統(tǒng)可靠性。減少對電源狀態(tài)參數(shù)的重復(fù)采集，在不降低可靠性的同時保證整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)一致，方便后期數(shù)據(jù)處理。

1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

感應(yīng)加熱電源數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)與機床控制系統(tǒng)通過CAN 總線進行連接，每臺電源監(jiān)控系統(tǒng)的CAN總線地址ID號被設(shè)置在不同區(qū)間。根據(jù)現(xiàn)場實際需求以及實際總線負載率情況，系統(tǒng)外部CAN總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計最多允許接入32臺電源監(jiān)控系統(tǒng)［4］，其網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 外部CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖

感應(yīng)加熱電源的輸出功率以及啟動和停止控制有3 種途徑，分別滿足3 種不同工作方式。第1種是通過電源控制系統(tǒng)的內(nèi)部控制，主要用于電源生產(chǎn)過程中調(diào)試以及電源系統(tǒng)參數(shù)的標(biāo)定；第2種是通過顯示控制系統(tǒng)進行控制，該控制方式靈活，主要用于電源工位加工工藝調(diào)試、手動加工控制等客戶非連續(xù)生產(chǎn)時使用；第3種是通過機床控制系統(tǒng)進行控制，主要用于感應(yīng)加熱機床連續(xù)自動生產(chǎn)使用。為滿足感應(yīng)加熱電源的各項控制要求，設(shè)計了基于CAN 總線感應(yīng)加熱電源數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)通過CAN總線獲取感應(yīng)加熱電源控制器的運行數(shù)據(jù)，通過485總線獲取感應(yīng)加熱電源外部環(huán)境參數(shù)等其他數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)與電源內(nèi)部PLC通訊獲取控制參數(shù)。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，將數(shù)據(jù)通過內(nèi)部CAN總線分發(fā)給位于電源柜工位的顯示控制系統(tǒng)，通過外部CAN總線發(fā)送給機床控制系統(tǒng)。

圖2 感應(yīng)加熱電源數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

為滿足多路高可靠性數(shù)據(jù)通信處理的功能要求，系統(tǒng)選擇以MC9S12XEP100汽車級單片機作為主控芯片，該芯片具有多路CAN 總線、具備485 通信能力，集成協(xié)處理器，資源豐富，功能擴展方便，抗干擾能力表現(xiàn)優(yōu)異。數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)能實現(xiàn)感應(yīng)加熱電源運行參數(shù)獲取、分布式傳感器數(shù)據(jù)獲取并進行數(shù)據(jù)加工處理與分發(fā)等功能，系統(tǒng)框圖見圖3。

圖3 感應(yīng)加熱電源數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)硬件部分主要包括實時時鐘、存儲、溫度測量、CAN 總線、485 總線和以太網(wǎng)通信等。為增強電源工作可靠性，系統(tǒng)設(shè)置有多個內(nèi)部存儲器，分別存儲電源標(biāo)定參數(shù)、電源運行日志等關(guān)鍵信息。感應(yīng)加熱電源監(jiān)控系統(tǒng)電源部分采用隔離電源，系統(tǒng)通訊接口部分通過磁耦隔離，輸入輸出采用光耦隔離，并添加必要的濾波電路來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。通過內(nèi)部CAN 總線和外部CAN 總線，能夠穩(wěn)定地獲取感應(yīng)加熱電源的實時工作狀態(tài)以及電源起振信號等其他關(guān)鍵信號的實時狀態(tài)。

2.1 CAN總線接口設(shè)計

系統(tǒng)電路板最終安裝在感應(yīng)加熱電源控制柜中，距離大功率變換器件較近，電磁干擾強烈，對通信部分的抗干擾能力要求很高，設(shè)計穩(wěn)定可靠的通信接口是保證系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵。CAN 總線接口在傳統(tǒng)解決方案中多采用光耦/磁耦隔離+CAN驅(qū)動器的組合電路。該方案能夠?qū)崿F(xiàn)信號隔離，通信比較穩(wěn)定，隔離效果良好，采用分立元器件搭建。要實現(xiàn)電氣部分完全隔離，還需要提供獨立的隔離電源，并對通訊速率有一定影響，在多路CAN應(yīng)用的場合，該方案優(yōu)勢不突出。

系統(tǒng)采用致遠電子工業(yè)級高速CAN 隔離模塊，實現(xiàn)輸入輸出信號的電氣隔離以及CAN 總線的驅(qū)動。系統(tǒng)中2 路CAN 通訊波特率均設(shè)置為250 kb·s-1，CAN 總線接口電路如圖4 所示。CAN隔離模塊為整體灌封，隔離耐壓3 500 V DC，模塊防水防潮，抗電磁干擾性好，高低溫環(huán)境下性能穩(wěn)定，適合復(fù)雜電磁環(huán)境的工業(yè)應(yīng)用。CAN 模塊部分只需要1 路電源供電，不用單獨提供隔離電源。在圖4 的接口電路中，按照CAN 通信標(biāo)準(zhǔn)要求，添加CAN信號保護電路。保護電路中設(shè)置陶瓷氣體放電管，防止CAN 總線電壓異常甚至擊穿芯片。CAN 總線連接線采用帶屏蔽雙絞線，根據(jù)節(jié)點位置配置終端電阻。

圖4 CAN總線接口電路

2.2 RS485總線接口設(shè)計

感應(yīng)加熱電源柜中大功率器件發(fā)熱比較嚴重，在散熱器、變壓器、電感器內(nèi)部配備有多路水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，冷卻水的水壓大小和水溫高低直接影響冷卻效果。在每路冷卻管路中采用固定的內(nèi)嵌式多功能傳感器，該傳感器能夠測量壓力、流速、溫度信號，支持485 總線通信。采用致遠電子隔離485通訊模塊，能夠簡化電路、提高通訊可靠性。在485總線接口采用高可靠性保護電路，使用屏蔽雙絞線，減少外部電磁信號干擾，485 總線接口電路如圖5所示。

圖5 485總線接口電路

2.3 以太網(wǎng)通信電路設(shè)計

為滿足系統(tǒng)兼容單電源工作的模式，需要設(shè)計與PLC 進行以太網(wǎng)組網(wǎng)通信的接口。為降低主控單元的通信處理壓力，選用W5500 作為以太網(wǎng)通訊控制器，該芯片為工業(yè)級以太網(wǎng)芯片，具有全硬件TCP/IP 協(xié)議棧，使用SPI 接口與主控制器連接［5］。主控制器采用+5 V電源供電，W5500工作電源為+3.3 V，為實現(xiàn)電平匹配，并提高整個系統(tǒng)的抗干擾性，在W5500 和MCU 之間采用磁耦隔離芯片ADUM1411、ADUM1201實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換與信號隔離，實現(xiàn)Modbus-TCP 通訊，W5500 以太網(wǎng)通訊電路如圖6所示。

圖6 W5500以太網(wǎng)通訊電路

2.4 溫度測量電路設(shè)計

溫度測量模塊用來檢測電源控制柜內(nèi)部的環(huán)境溫度、散熱器溫度等，溫度測量分成數(shù)字測溫和模擬測溫部分。數(shù)字測溫采用總線型數(shù)字溫度傳感器18B20，用來檢測電源控制柜內(nèi)部各單元的環(huán)境溫度。模擬測溫采用PT100電阻，用來檢測功率器件散熱器溫度。測量的溫度信號分別發(fā)送給近端的電源顯示控制系統(tǒng)和遠端的機床控制系統(tǒng)，超過系統(tǒng)設(shè)定溫度上下限時，機床控制系統(tǒng)會作出相應(yīng)的報警處理。模擬溫度測量電路如圖7所示。

圖7 PT100測溫電路

2.5 其他部分電路設(shè)計

系統(tǒng)存儲模塊由EEPROM模塊和FLASH模塊構(gòu)成，其中EEPROM 模塊用來存儲電源的系統(tǒng)標(biāo)定參數(shù)，該部分數(shù)據(jù)為電源的核心數(shù)據(jù)，由廠家工程師在電源出廠前進行調(diào)試，交付使用后不允許修改。在系統(tǒng)每次上電后，首先讀取EEPROM 數(shù)據(jù)，與機床控制系統(tǒng)下發(fā)參數(shù)進行判別，數(shù)據(jù)正常才允許電源工作，保證電源安全可靠運行。FLASH 模塊存儲數(shù)據(jù)為電源工作的運行數(shù)據(jù)，記錄電源每次運行的狀態(tài)數(shù)據(jù)，主要包含開機時間、加工下發(fā)參數(shù)、運行參數(shù)、停機時間和報警代碼等，該部分數(shù)據(jù)允許在電源停機的情況下通過備用調(diào)試串口進行下載，方便電源后期維護。

時鐘模塊采用外置數(shù)字時鐘PCF8563，為系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)時間，方便數(shù)據(jù)存儲和后期數(shù)據(jù)查驗工作。該時鐘在經(jīng)過授權(quán)后，可以通過顯示控制系統(tǒng)手動修改和機床控制系統(tǒng)遠程自動對時，實現(xiàn)整臺機床所有電源工位時間一致。

接口電路部分主要由開關(guān)量輸入輸出部分組成，包括系統(tǒng)撥碼開關(guān)、光耦輸入檢測和輸出繼電器驅(qū)動等電路。撥碼開關(guān)用來設(shè)置系統(tǒng)外部CAN總線ID 號的范圍及通信參數(shù)，設(shè)備調(diào)試完成后不允許修改。開關(guān)量輸入經(jīng)過光耦隔離，輸出使用繼電器，用于外接其他設(shè)備信號，方便系統(tǒng)拓展［6］。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件分為數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)單片機軟件部分和遠程機床控制系統(tǒng)上位機監(jiān)控軟件部分。數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)單片機軟件，實現(xiàn)與電源控制系統(tǒng)通訊、獲取電源數(shù)據(jù)、采集溫度信號及發(fā)送運行參數(shù)到顯示控制系統(tǒng)和遠程機床控制系統(tǒng)等功能。遠程機床控制系統(tǒng)上位機監(jiān)控軟件，主要完成對接入系統(tǒng)中的所有電源參數(shù)獲取與存儲等。

3.1 系統(tǒng)主程序部分

在系統(tǒng)程序啟動運行過程中，電源系統(tǒng)參數(shù)需要反復(fù)核對校驗，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時發(fā)送報警信息到電源顯示控制系統(tǒng)和機床控制系統(tǒng)，系統(tǒng)參數(shù)檢測正常才能允許系統(tǒng)正常開機運行。系統(tǒng)主程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖

在系統(tǒng)運行過程中，接收到控制命令后不能直接執(zhí)行，需要判斷命令的類型以及當(dāng)前電源的工作狀態(tài)，根據(jù)命令類型選擇命令執(zhí)行與否，避免對電源的正常工作造成干擾。

3.2 機床控制系統(tǒng)監(jiān)控界面

采用VB 軟件開發(fā)遠端機床控制系統(tǒng)監(jiān)控界面，作為機床控制系統(tǒng)的子系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)能夠根據(jù)實際接入電源工位數(shù)，選擇切換具體的頁面。系統(tǒng)登陸相應(yīng)級別權(quán)限賬號，在自檢無誤、電源允許控制的情況下，可以通過遠程控制端，發(fā)送修改、查詢具體電源的運行參數(shù)以及系統(tǒng)參數(shù)。軟件后臺實時存儲接入系統(tǒng)電源的運行參數(shù)并繪制相應(yīng)的曲線［7］，機床控制系統(tǒng)監(jiān)控前端顯示界面見圖9。

圖9 顯示界面結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)目前運行在某熱處理機床上，機床用于加工大型風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)盤齒輪，配備2套加熱電源并同時使用。將感應(yīng)加熱電源數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)接入溫度信號，通過總線與加熱電源控制系統(tǒng)、顯示控制系統(tǒng)、機床控制系統(tǒng)等進行連接，所有系統(tǒng)自檢通過后，機床開始全自動淬火加工。在機床加工過程中，遠端機床系統(tǒng)能看到電源內(nèi)部所有系統(tǒng)參數(shù)，以及當(dāng)前工作狀態(tài)、實時運行數(shù)據(jù)、實時報警信息等，遠端機床控制系統(tǒng)監(jiān)控界面運行圖見圖10。

圖10 遠端機床控制系統(tǒng)監(jiān)控界面運行圖

顯示控制系統(tǒng)安裝于電源控制器上，方便現(xiàn)場操作人員對加熱單元進行單獨控制和監(jiān)控。通過顯示控制系統(tǒng)，在停機時能夠查詢電源的系統(tǒng)參數(shù)和設(shè)定狀態(tài)；在電源系統(tǒng)運行時能夠獲取電源的實時運行數(shù)據(jù)。顯示控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)視界面見圖11。

圖11 顯示控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)視界面

通過比較圖10 與圖11 顯示數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)機床加工過程中機床控制系統(tǒng)與電源顯示控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)完全一致，監(jiān)控系統(tǒng)顯示電氣數(shù)據(jù)與使用隔離示波器實際測量數(shù)據(jù)一致，溫度、流量值與傳感器模塊顯示數(shù)據(jù)一致。在系統(tǒng)數(shù)據(jù)刷新頻率設(shè)置為50 Hz時，監(jiān)控系統(tǒng)外部CAN總線負載率始終保持在3%以下，通訊數(shù)據(jù)無異常，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

5 總結(jié)

基于CAN 總線感應(yīng)加熱電源數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，采用CAN 總線通信網(wǎng)絡(luò)將電源功率變換控制系統(tǒng)、電源顯示控制系統(tǒng)、機床控制系統(tǒng)進行連接。通過高速總線進行數(shù)據(jù)傳輸與共享，優(yōu)化系統(tǒng)冗余配置，提高感應(yīng)加熱機床的集成度和數(shù)字化。運行結(jié)果顯示：系統(tǒng)各部分功能明確，方便生產(chǎn)和檢修，能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度生產(chǎn)與產(chǎn)品生產(chǎn)過程溯源，有利于提高機床生產(chǎn)效率，降低使用維護成本。