基于CAN-bus 2.0總線的罐式煅燒爐測溫測壓系統(tǒng)

楊 琦

(沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

1 碳素廠罐式爐測溫測壓系統(tǒng)發(fā)展及現(xiàn)狀

煅燒是預(yù)焙陽極炭塊生產(chǎn)工藝中一個(gè)重要環(huán)節(jié),其生產(chǎn)過程是石油焦通過重力作用緩慢的進(jìn)入罐式爐,在料罐內(nèi)緩慢的移動(dòng),石油焦溢出的揮發(fā)分在揮發(fā)分道中匯集與空氣一起進(jìn)入火道中燃燒。揮發(fā)分燃燒產(chǎn)生的熱量對(duì)料罐中的石油焦進(jìn)行間接加熱,在此過程中生焦中的揮發(fā)分和水分被大量排除,石油焦在罐式爐中停留時(shí)間為32～36小時(shí)。通常煅燒爐的火道層數(shù)為8～10層,火道內(nèi)平均溫度為1200～1300 ℃,首層入口負(fù)壓為-15～5 Pa,末層出口負(fù)壓為-250～-150 Pa。

在生產(chǎn)過程中,主要通過調(diào)節(jié)揮發(fā)分和預(yù)熱空氣的流量控制火道溫度,另外通過調(diào)節(jié)火道壓力也能調(diào)節(jié)火焰區(qū)域,從而進(jìn)行調(diào)溫。調(diào)溫操作不僅會(huì)影響火道內(nèi)溫度分布,更會(huì)影響物料最終煅燒質(zhì)量,甚至產(chǎn)量。因此,調(diào)溫和調(diào)壓二者需要緊密配合,才能使得火道內(nèi)揮發(fā)分合理分配,火道溫度控制在預(yù)定溫度范圍內(nèi)。由此可見,上述生產(chǎn)的前提是先保證溫度和風(fēng)壓能準(zhǔn)確,穩(wěn)定和連續(xù)的測量。

炭素廠中罐式煅燒爐的測溫測壓系統(tǒng),其發(fā)展大致可以劃分為兩個(gè)階段。第一階段采用集散控制方式,即現(xiàn)場測溫或測壓點(diǎn)為輸出信號(hào)4～20 mA的儀表,儀表經(jīng)屏蔽電纜穿管敷設(shè)至橋架后沿橋架敷設(shè)至控制系統(tǒng)機(jī)柜間處,在機(jī)柜內(nèi)經(jīng)過隔離器隔離后信號(hào)進(jìn)入控制系統(tǒng)。這樣的缺點(diǎn)是顯而易見的,不僅占用了控制系統(tǒng)寶貴的IO資源,更由于大量的線束,極大的增加了施工成本和后期維護(hù)難度;第二階段采用現(xiàn)場總線的控制方式,通常是Modbus RTU模式,即現(xiàn)場儀表通過Modbus接口掛載在一條總線上,層數(shù)據(jù)收集器輪詢儀表數(shù)據(jù),匯總后再轉(zhuǎn)換為其它總線形式,如Modbus TCP、Profinet或TCPIP等,實(shí)現(xiàn)與中控系統(tǒng)或其它設(shè)備的數(shù)據(jù)交換,終端顯示有用數(shù)字巡檢儀和上位機(jī)軟件畫面顯示兩種[1]。

相對(duì)于集散控制方式,采用現(xiàn)場總線后系統(tǒng)靈活度、可靠性和穩(wěn)定性等方面都具有極大的提升,且實(shí)施維護(hù)成本大幅降低,因此目前總線通訊+終端上位機(jī)集中顯示已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)的主流選擇。

2 Modbus RTU模式存在的問題

Modbus是一種串行通信協(xié)議,是施耐德為使用可編程邏輯控制器(PLC)通信而制定的。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展,Modbus已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn),并且現(xiàn)在是工業(yè)電子設(shè)備之間常用的連接方式。

采用Modbus RTU模式的罐式爐測溫測壓系統(tǒng),其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常如圖1所示。

圖1 基于Modbus RTU模式的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)以層為單位進(jìn)行劃分,比如測量一、三、八層的溫度和三層的風(fēng)壓,則在每個(gè)層中,包含對(duì)應(yīng)的采集儀表和層級(jí)采集模塊,采用Modbus RTU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;各層數(shù)據(jù)匯總后,通常是再通過Modbus TCP的方式傳遞給車間的PLC或DCS,這樣構(gòu)成了一個(gè)樹狀拓?fù)涞目刂凭W(wǎng)絡(luò)。

國內(nèi)某炭素廠4×76罐的煅燒爐投產(chǎn)后,在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)測溫測壓系統(tǒng)出現(xiàn)如下問題:

(1)經(jīng)常出現(xiàn)監(jiān)控軟件刷新較慢,數(shù)據(jù)無法更新的情況;

(2)在監(jiān)控界面上提示某些儀表掉線故障,但實(shí)際該儀表可正常上報(bào)數(shù)據(jù);

(3)當(dāng)某塊儀表通信部分損壞后,造成測控網(wǎng)絡(luò)的整體癱瘓,且只能逐塊進(jìn)行排查,工作量巨大。

經(jīng)過對(duì)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)的仔細(xì)分析,發(fā)現(xiàn)上述問題的產(chǎn)生,很大程度上是RS485總線及Modbus RTU協(xié)議本身的固有屬性導(dǎo)致的,且當(dāng)這些問題累積發(fā)生時(shí),就可能產(chǎn)生上述的現(xiàn)象,具體分析如下:

(1)現(xiàn)場通信的波特率為9600 bps,假設(shè)配置為8位數(shù)據(jù)位,1位停止位,1位起始位,無奇偶校驗(yàn)位,則實(shí)際上一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)為10個(gè)bit。根據(jù)Modbus協(xié)議規(guī)定,master發(fā)來的讀取指令為8個(gè)字節(jié)(1字節(jié)地址,1字節(jié)命令碼,2字節(jié)寄存器起始地址,2字節(jié)寄存器數(shù)量,2字節(jié)CRC校驗(yàn)),slave回復(fù)的響應(yīng)為6個(gè)字節(jié)(1字節(jié)地址,1字節(jié)命令碼,2字節(jié)溫度數(shù)據(jù),2字節(jié)CRC校驗(yàn)),以上為最簡形式。則僅兩條報(bào)文的傳輸時(shí)間為:

如果考慮master和slave的處理及運(yùn)算時(shí)間,一次交互以30 ms估算,則76個(gè)測溫點(diǎn)最小的輪詢周期約為2.28 s。

(2)由于Modbus中具有超時(shí)重發(fā)機(jī)制,通常超時(shí)時(shí)間設(shè)置為100 ms,超時(shí)重發(fā)次數(shù)為3次,就意味著如果某個(gè)slave在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒有及時(shí)給出響應(yīng),則master會(huì)連續(xù)發(fā)送三個(gè)報(bào)文;另一方面,現(xiàn)場的master設(shè)備為工控機(jī),且設(shè)置的輪詢間隔也為100 ms,這就可能造成超時(shí)報(bào)文和正常輪詢報(bào)文幾乎同時(shí)發(fā)出的情況,而slave設(shè)備也可能同時(shí)響應(yīng),由于Modbus總線沒有仲裁機(jī)制,上述情況導(dǎo)致總線上電平信號(hào)的疊加,從而產(chǎn)生數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

(3)由于RS485總線沒有完善的錯(cuò)誤處理機(jī)制,所以2中描述的問題反復(fù)發(fā)生,最終可能演變?yōu)椤靶畔L(fēng)暴”,導(dǎo)致總線的錯(cuò)誤累積,且無法自我糾正,最嚴(yán)重的后果是總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐耆c瘓。

(4)當(dāng)某個(gè)slave儀表的Modbus芯片故障或處理器邏輯混亂時(shí),可能產(chǎn)生對(duì)總線的干擾,比如一直向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文,或者導(dǎo)致總線電平的異常等。

雖然可以通過增加光電隔離或增加代碼的容錯(cuò)性方面對(duì)上述問題進(jìn)行規(guī)避,但是Modbus RTU協(xié)議和RS485自身的特性,決定了無法從根本上解決刷新周期長、總線沖突等問題。因此,在現(xiàn)場改造中,決定應(yīng)用更先進(jìn)的CAN總線技術(shù)。

3 CAN bus特點(diǎn)介紹

CAN是控制器域網(wǎng)(Controller Area Network, CAN)的簡稱,由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司在1986年2月發(fā)布第一版(1.0版本),并于20世紀(jì)90年度初,BOSCH發(fā)布了CAN 2.0版規(guī)范,該規(guī)范包括A和B兩部分,2.0A明確給出了曾在1.0版本中定義的CAN報(bào)文格式,2.0B則提出了標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀的概念。CAN 2.0最終成為國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO11898),目前已經(jīng)成為國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一[2]。

CAN總線協(xié)議建立在國際標(biāo)準(zhǔn)組織開放系統(tǒng)ISO7層互連參考模型基礎(chǔ)之上。其模型結(jié)構(gòu)只有3層,即只取ISO底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈層和傳輸層,保證了節(jié)點(diǎn)間無差錯(cuò)的數(shù)據(jù)傳輸。CAN技術(shù)的報(bào)文傳輸為多主方式工作,網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息,而不分主從。CAN節(jié)點(diǎn)只需通過對(duì)報(bào)文的標(biāo)示符濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式發(fā)送、接收數(shù)據(jù)[3]。

CAN總線的主要特點(diǎn)總結(jié)如下[2-4]:

(1)CAN為多主工作方式,不分主從,方式靈活;

(2)CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以安排優(yōu)先級(jí)順序,以滿足和協(xié)調(diào)各自不同的實(shí)時(shí)性要求;

(3)采用非破壞性的總線仲裁技術(shù),多點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息時(shí),按優(yōu)先級(jí)順序通信,節(jié)省總線沖突仲裁時(shí)間,避免網(wǎng)絡(luò)癱瘓;

(4)通信速率最高可達(dá)1Mbps(40 m以內(nèi)),最長傳遞距離達(dá)10 km(速率為5 kbps以下);

(5)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下可以自動(dòng)關(guān)閉輸出功能,脫離網(wǎng)絡(luò)。

上圖為CAN擴(kuò)展幀的報(bào)文格式,從中可以看到,CAN報(bào)文中的仲裁域可以解決報(bào)文沖突后的避讓及重發(fā),數(shù)據(jù)域中最多8個(gè)字節(jié)應(yīng)用數(shù)據(jù),可完全滿足測溫測壓系統(tǒng)中測量數(shù)據(jù)以及其他控制指令的傳輸。

CAN雖然起源于汽車領(lǐng)域,但近年來逐漸被工程師認(rèn)知,并以其傳輸距離遠(yuǎn)、通信速率高、總線利用率高、具備完善的錯(cuò)誤檢測機(jī)制、開發(fā)難度小、使用靈活等突出特點(diǎn),逐漸有取代MODBUS總線的趨勢。并且在器件價(jià)格上,二者逐漸持平,因此在儀表領(lǐng)域,得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

MODBUS和CAN更詳細(xì)的對(duì)比如表1所示。

表1 MODBUS和CAN對(duì)比表

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目結(jié)合國內(nèi)某碳素廠為背景,以盡量減少原系統(tǒng)改動(dòng)為原則,設(shè)計(jì)方案確定如下:

(1)保留現(xiàn)場光電測溫儀和風(fēng)壓變送器,開發(fā)專用的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊,一端通過Modbus RTU方式連接儀表,讀取其溫度或風(fēng)壓數(shù)據(jù);一端通過CAN bus方式連接到總線,與對(duì)應(yīng)的層采集模塊完成數(shù)據(jù)的上報(bào)和指令的接收;

(2)沿用現(xiàn)場原有已經(jīng)部署好的供電線纜和通信線纜、橋架、分線器等,在處于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩端的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊增加終端匹配電阻,保證網(wǎng)絡(luò)的阻抗匹配;

(3)開發(fā)專用的層數(shù)據(jù)采集模塊,一端通過CAN bus方式收集協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)據(jù),一端支持標(biāo)準(zhǔn)的Modbus TCP或Modbus RTU方式,實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)到工控機(jī)或DCS系統(tǒng)的上報(bào);

(4)優(yōu)化監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)查詢、曲線繪制、狀態(tài)報(bào)警等功能,使現(xiàn)場操作人員更容易使用。

其中關(guān)鍵的技術(shù)點(diǎn)包括:傳輸延時(shí)物理模型、通信協(xié)議制定兩個(gè)方面。

4.1 傳輸延時(shí)物理模型設(shè)計(jì)

CAN 的通信延時(shí)可細(xì)分為兩個(gè)部分: 隊(duì)列延時(shí)和傳輸延時(shí)。隊(duì)列延時(shí)是指從報(bào)文幀進(jìn)入 CAN總線控制器的發(fā)送緩存到該報(bào)文幀獲得總線控制權(quán)之間所經(jīng)歷的時(shí)間。傳輸延時(shí)是指從報(bào)文幀占據(jù)總線到該報(bào)文幀脫離總線之間所經(jīng)歷的時(shí)間,簡單起見,這里僅考慮物理傳輸延時(shí)[4]。

信號(hào)傳輸延時(shí)主要發(fā)生在3個(gè)環(huán)節(jié):發(fā)送節(jié)點(diǎn)、線束和接收節(jié)點(diǎn),具體包括節(jié)點(diǎn)MCU 處理時(shí)間、收發(fā)器傳輸延時(shí)、電感延時(shí)、節(jié)點(diǎn)之間的線束傳輸延時(shí)、晶振偏差、振鈴和同步。波特率與延時(shí)的關(guān)系為:

2×(T收發(fā)器+Tmcu+Tcan線纜+T電感)+TRing+Tsyn≤A采樣點(diǎn)×T位時(shí)間

(1)

這里協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和層收集模塊使用的處理器為STM32F103RC,主頻72 M,MCU 處理時(shí)間約為2000 ns,收發(fā)器傳輸延時(shí)為 250 ns,線束長度80 m、線束單位傳輸延時(shí)5 ns/m,晶振偏差0.5%,共模電感傳輸延時(shí)38 ns,反射、振鈴占整個(gè)位比例為 10%,根據(jù)公式(1)可推出如下公式T位時(shí)間。

(2)

由位時(shí)間與波特率的倒數(shù)關(guān)系可知,波特率為:

(3)

當(dāng)采樣點(diǎn)為80%時(shí),計(jì)算可得波特率≤121 K。

在實(shí)際應(yīng)用中,波特率的選擇和總線布局、材質(zhì)、類型、現(xiàn)場干擾以及總線上設(shè)備的數(shù)量都有關(guān)系,而且有些因素的影響無法具體量化,因此保險(xiǎn)起見,選擇的波特率為100 K。

4.2 通信協(xié)議制定設(shè)計(jì)

CAN雖然為多主模式,可以通過總線仲裁來避免碰撞,但是如果單純依賴CAN本身的調(diào)度機(jī)制,在一定程度上會(huì)影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。以某層的溫度測量為例,共包含76個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊,模塊的地址為1～76,每次上報(bào)的數(shù)據(jù)為4個(gè)字節(jié)(1字節(jié)的類型,1字節(jié)的設(shè)備狀態(tài),2字節(jié)的溫度)。由于每個(gè)周期中只有溫度數(shù)據(jù)需要上報(bào)且各個(gè)模塊報(bào)文無優(yōu)先級(jí)差別,因此發(fā)送策略為各個(gè)模塊按照一定的時(shí)間間隔逐次上報(bào)。

逐次上報(bào)有兩種實(shí)現(xiàn)方式,一是無令牌方式,即各個(gè)模塊經(jīng)時(shí)鐘同步后按照調(diào)度規(guī)則主動(dòng)上報(bào)。該方法更靈活且效率高,但是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜,而且受晶振差異和代碼執(zhí)行方式的影響,容易產(chǎn)生抖動(dòng)和無法預(yù)計(jì)的時(shí)延;二是令牌方式,及令牌的持有者控制總線,當(dāng)發(fā)送結(jié)束后令牌傳遞給下一需要控制總線的發(fā)送者。該方法實(shí)現(xiàn)簡單,而且特別適合各個(gè)發(fā)送者平等且無需動(dòng)態(tài)調(diào)度的場景,因此在本應(yīng)用中也采用了令牌方式。

以100 K的波特率通信,采用擴(kuò)展幀的形式,一個(gè)模塊完成一次數(shù)據(jù)上報(bào)的字節(jié)數(shù)為12(由圖2可知,其中包括5字節(jié)報(bào)文頭,4字節(jié)應(yīng)用數(shù)據(jù),3字節(jié)報(bào)文尾),時(shí)間為960 us,由總的控制要求可知,在1 s內(nèi)完成一個(gè)爐的數(shù)據(jù)更新顯示和上報(bào)即可滿足要求,因此設(shè)置模塊間的發(fā)送間隔ΔT為5 ms,這樣,在每個(gè)控制周期的起始時(shí)刻,層數(shù)據(jù)收集模塊廣播令牌后,各個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊依照各自的地址精確延時(shí)5 ms的倍數(shù),即可實(shí)現(xiàn)預(yù)定的控制邏輯。調(diào)度示意圖如圖3所示,由圖可知最壞情況下,控制周期約為780 ms,仍滿足≤1 s的要求。

圖2 CAN擴(kuò)展幀結(jié)構(gòu)圖

圖3 報(bào)文發(fā)送時(shí)序示意圖

5 實(shí)際運(yùn)行效果及結(jié)論

結(jié)合國內(nèi)某碳素廠煅燒爐的實(shí)際改造案例,新系統(tǒng)上線后運(yùn)行穩(wěn)定,實(shí)施后現(xiàn)成效果如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場應(yīng)用照片

利用CAN總線分析工具對(duì)各儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析,截圖如圖5所示。

圖5 捕獲的報(bào)文發(fā)送時(shí)序

從圖5可以看出,當(dāng)采集模塊發(fā)出令牌后,各個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊按照自身地址,依次延后5 ms上報(bào)數(shù)據(jù),其中最大間隔抖動(dòng)為100 us,平均間隔抖動(dòng)約為40 us,遠(yuǎn)小于設(shè)定上報(bào)間隔的5000 us,因此不會(huì)對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行造成影響。實(shí)現(xiàn)了罐式爐測溫測壓系統(tǒng)數(shù)據(jù)的高速傳輸。

從現(xiàn)場改造后運(yùn)行數(shù)據(jù)結(jié)果表明,基于CAN總線的系統(tǒng)方案完全解決了原有MODBUS總線網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的問題。除了具備以往MODBUS總線的優(yōu)點(diǎn)外,還具有傳輸速率高、單一儀表故障不會(huì)影響總線其他儀表數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn),為煅燒車間罐式爐測溫測壓系統(tǒng)以及未來的自動(dòng)調(diào)溫系統(tǒng)提供了一種全新的技術(shù)思路,具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。