基于CAN總線的分布式鋁電解控制系統(tǒng)

張 東

（四川啟明星鋁業(yè)有限責(zé)任公司，四川 眉山 620041）

在時(shí)代不斷發(fā)展的過程中，人們對于機(jī)械的使用重視程度越來越高，也對現(xiàn)有的機(jī)械進(jìn)行不斷的改進(jìn)與完善，使機(jī)器能夠在最大程度上提升人們的工作效率，解放人們雙手。而伴隨著時(shí)代的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)也在不斷的改進(jìn)與完善，在這種情況下，人們將計(jì)算機(jī)智能化技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)階段的工業(yè)發(fā)展中，極大程度上提升現(xiàn)階段工業(yè)發(fā)展質(zhì)量與效率。在這種環(huán)境之下，相關(guān)的人員對現(xiàn)有的鋁電解生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，更好的將智能化技術(shù)與現(xiàn)階段的鋁電解生產(chǎn)技術(shù)相互融合，使其能夠在現(xiàn)階段人們的生產(chǎn)活動中起到更好的應(yīng)用效果。

1 概念闡述

1.1 CAN總線

1.1.1 CAN

CAN又被稱為控制器局域網(wǎng)絡(luò),其最早產(chǎn)生于德國BOSCH公司，主要應(yīng)用于汽車電子產(chǎn)品之中。而伴隨著時(shí)代的發(fā)展，其技術(shù)在不斷的發(fā)展與完善，現(xiàn)階段CAN總線已經(jīng)成為國際中應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場總線之一，而在北美與西歐等地區(qū)，其協(xié)議也成為了汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)總線。

1.1.2 CNA總線特點(diǎn)

控制器局域網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)階段我國工業(yè)發(fā)展過程中有著極為重要的作用，而且在實(shí)際應(yīng)用的過程中，自身的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在5個方面。第一，完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，其在實(shí)際應(yīng)用的過程中能夠通過協(xié)議的物理層以及數(shù)據(jù)鏈路層功能，對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行成幀處理工作，更好的進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)先級別的判定。第二，是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)個數(shù)在理論上不受到限制，CAN協(xié)議在實(shí)際應(yīng)用的過程中最為重要的特點(diǎn)之一是其廢除了傳統(tǒng)的地址編碼，利用通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，這種方式也造就其在實(shí)際應(yīng)用的過程中并沒有傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的限制。第三，可在各個節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信，CAN總線在實(shí)際應(yīng)用過程中采取了多種競爭總線結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)造成其在實(shí)際應(yīng)用的過程中具有多主站運(yùn)行，分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點(diǎn)。各個節(jié)點(diǎn)可以按照自身的實(shí)際需求，不分主次的向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各個節(jié)點(diǎn)之間的通信自由。第四，結(jié)構(gòu)簡單，相比于其他方式而言，其在實(shí)際應(yīng)用中僅僅有兩根線與外界進(jìn)行連接，而其線路內(nèi)部存在錯誤探測與管理模塊，以保證其能夠順利的運(yùn)行。第五，傳輸距離與速率。從數(shù)據(jù)通訊角度上來說，數(shù)據(jù)通信沒有主次之分，可以從任意一個節(jié)點(diǎn)向其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，而各個節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的過程中，會采取信息優(yōu)先等級進(jìn)行通訊次序的確定，優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)甚至可以達(dá)到134μs，而在信息傳遞的過程中，如果出現(xiàn)多個節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)起通信的情況，優(yōu)先級低的會主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送避讓優(yōu)先級高的，在這種情況下通訊線路不會出現(xiàn)擁堵情況。而從傳輸距離角度上來說，其傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)到10千米，而傳輸速率可以達(dá)到1MBps。

1.1.3 CAN總線應(yīng)用優(yōu)勢

控制器局域網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢基本表現(xiàn)在3個方面。第一，網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)通訊實(shí)時(shí)性較強(qiáng)。首先從各個等級的數(shù)據(jù)來說，現(xiàn)在進(jìn)行信息傳遞的過程中，會根據(jù)數(shù)據(jù)的優(yōu)先等級采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競爭，向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。而這種方式與傳統(tǒng)的方式不同，其次廢除了原來的站地址編碼，而使用通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，這種方式也造成其在實(shí)際應(yīng)用的過程中能夠使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接受通信數(shù)據(jù)，增強(qiáng)數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性，提升系統(tǒng)的可靠性與靈活性。第二，開發(fā)周期較為短暫?？刂破骶钟蚓W(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用的過程中，不會出現(xiàn)多個節(jié)點(diǎn)會同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，造成總線呈現(xiàn)短路狀態(tài)，進(jìn)而損壞某些節(jié)點(diǎn)。而CAN節(jié)點(diǎn)在出現(xiàn)嚴(yán)重錯誤的情況下，會自行的關(guān)閉自身的輸出功能，降低受損節(jié)點(diǎn)對其他節(jié)點(diǎn)的影響，進(jìn)而降低了由于單個節(jié)點(diǎn)的問題影響總線運(yùn)行情況發(fā)生的概率。第三，已是標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)場總線。相比于其他的方式而言，控制器局域網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用的過程中發(fā)展的時(shí)間較為長，發(fā)展較為完善，且其具有通信速率高，容易實(shí)現(xiàn)，性價(jià)比較高等優(yōu)勢，造成其在市場中更具有競爭力，也成為現(xiàn)階段國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線之一。

鋁電解生產(chǎn)：鋁電解生產(chǎn)系列是由多臺直流鋁電解槽串聯(lián)組成。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集信號為每臺電解槽槽電壓和系列電流,對電解槽的監(jiān)控主要是槽電壓和氧化鋁濃度。槽電壓控制是采用帶電流補(bǔ)償?shù)牟垭娮钄?shù)學(xué)模型控制算法,即調(diào)節(jié)槽電壓,主要控制槽內(nèi)的能量平衡;對于氧化鋁濃度的控制,由于該濃度無法直接測定而無法建立精確的數(shù)學(xué)模型。但是它和槽電阻的變化有一定的對應(yīng)關(guān)系,為此采用模糊控制算法控制氧化鋁濃度,即通過打殼下料來主要控制電解槽內(nèi)的物料平衡。

鋁電解智能控制：但隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對于智能化控制的重視程度在不斷的提升，而將智能化技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)階段共享中是現(xiàn)階段我國發(fā)展中的重點(diǎn)工作之一，鋁電解智能控制在實(shí)際應(yīng)用的過程中需要保證其按照控制的原則以及控制內(nèi)容進(jìn)行控制工作，才能夠在最大程度上保證槽控機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1.2 控制原則

相比于一般的工業(yè)生產(chǎn)過程而言，鋁電解的車間環(huán)境更加的惡劣，因而對于鋁電解的要求更加的高，一般情況下，鋁電解智能控制在實(shí)際運(yùn)行的過程中需要遵循以下幾方面的原則：首先要求鋁電解智能控制在實(shí)際應(yīng)用的過程中具有較高的較為清晰的層次劃分。其次需要保證智能控制系統(tǒng)的全面性，在進(jìn)行智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中需要盡可能的從多個角度出發(fā)，進(jìn)行智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，保證鋁電解槽運(yùn)行過程能夠受到更加全面的監(jiān)督與管理，進(jìn)而保證其運(yùn)行質(zhì)量。最后需要保證其可持續(xù)發(fā)展性，伴隨著時(shí)代的發(fā)展，相關(guān)的技術(shù)、理論等也在不斷的進(jìn)行發(fā)展與完善，在這種情況之下，要求鋁電解智能控制需要伴隨著時(shí)代的發(fā)展，積極的進(jìn)行新技術(shù)，新理論的引入，進(jìn)而保證其能夠緊跟時(shí)代發(fā)展的潮流，保證自身發(fā)展的活性。

1.3 控制內(nèi)容

為保證鋁電解能夠順利的完成，需要按照實(shí)際情況設(shè)置相應(yīng)的主控模塊，而且主控模塊只需要設(shè)置相應(yīng)的功能模塊，如較為常見的數(shù)據(jù)處理模塊、屏幕顯示模塊、故障處理模塊、打印模塊、控制模塊、輸出模塊等。進(jìn)而需要對每一個模塊進(jìn)行更加細(xì)致的劃分，如可以將數(shù)據(jù)處理模塊分解為模擬數(shù)據(jù)采集，開關(guān)量數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)濾波三個模塊，而將故障處理模塊可以細(xì)分為黏連故障，越線模塊，陽極效應(yīng)模塊故障，熱槽故障，并槽故障，系列電流異常等模塊。而控制模塊需要分成常規(guī)控制，出鋁函數(shù)控制，陽極轉(zhuǎn)接函數(shù)控制幾個部分。

控制流程：從其控制流程角度上來說，首先需要啟動相應(yīng)的軟件，調(diào)動初始化模塊，之后通過登錄窗口進(jìn)入主窗口，進(jìn)而進(jìn)入到子模塊中，在實(shí)際運(yùn)行中的主模塊分別為控制模塊，故障處理模塊，打印模塊，退出模塊，數(shù)據(jù)出鋁子模塊等。其子模塊是由控制子模塊進(jìn)行統(tǒng)一的管理，控制子模塊在實(shí)際應(yīng)用中能夠?qū)收咸幚碜幽K，數(shù)據(jù)出鋁子模塊，推出子模塊進(jìn)行控制，而故障子模塊能夠?qū)Υ蛴∽幽K以及推出子模塊進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)出鋁子模塊能夠?qū)ν瞥瞿K進(jìn)行處理。

槽控機(jī)電路技術(shù)要求：槽控機(jī)在實(shí)際應(yīng)用的過程中，對于其電路有以下幾方面的要求。第一，為保證槽控能夠更加順利的使用，要求槽控機(jī)的邏輯擁有自動和手動功能，在出現(xiàn)問題時(shí)能夠進(jìn)行手動操作。第二，線路在實(shí)際應(yīng)用的過程中需要有動作保護(hù)，以及軟硬件兩方面的保護(hù)，提升設(shè)備使用的安全性，保證應(yīng)急動作能夠按照要求準(zhǔn)確的實(shí)施。第三，要求槽控機(jī)在實(shí)際應(yīng)用的過程中能夠具有自我診斷功能，槽控機(jī)在使用中如果出現(xiàn)故障，能夠?qū)⑵涔收贤ㄟ^線路反映于槽控機(jī)的顯示面板中，并能夠向上級計(jì)算機(jī)進(jìn)行反饋，具有選擇性的向外界傳遞其故障信息，為維修管理人員提供更加精確的數(shù)據(jù)。

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)研究：本文所研究的系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用的過程中是由智能槽控機(jī)，監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)以及CAN總線三部分所組成。其中監(jiān)控計(jì)算機(jī)主要對CAN總線進(jìn)行監(jiān)控，而CAN總線將智能槽控機(jī)與監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接。從功能角度上來說智能槽控機(jī)在實(shí)際應(yīng)用的過程中，主要是進(jìn)行信息的采集以及信息的控制，通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)將所收集的數(shù)據(jù)傳遞到監(jiān)控計(jì)算機(jī)中，而監(jiān)控計(jì)算機(jī)則對所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為智能槽控機(jī)參數(shù)設(shè)置提供一定的數(shù)據(jù)支持。以及在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中能夠?qū)\(yùn)行中的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。CAN總線是由智能總線通訊適配卡PC CAN、通訊介質(zhì)以及相應(yīng)通訊軟件組成。CAN接口卡是具有高性能價(jià)格比的智能通訊適配卡PCCAN,它使監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)方便地連接到CAN總線上。而PCCAN中的嵌入式微處理器在實(shí)際應(yīng)用的過程中也能夠在較大程度上降低主機(jī)的負(fù)擔(dān)，更高效的完成部分復(fù)雜的通信任務(wù)。

智能控制基槽設(shè)計(jì)：槽控機(jī)在實(shí)際應(yīng)用的過程中首先需要按照其實(shí)際情況進(jìn)行單片機(jī)的選擇，本文在研究過程中所選擇的是Intel公司的386eX CPU芯片，其在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢表現(xiàn)在，發(fā)展時(shí)間較長各方面發(fā)展較為完善。而從槽控機(jī)的構(gòu)成角度上來說，槽控機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中的主要構(gòu)成部分由動力箱以及邏輯箱所組成，而兩者在實(shí)際應(yīng)用中的功能也存在一定的不同，動力箱在實(shí)際應(yīng)用中主要是進(jìn)行常規(guī)電路的控制。而邏輯箱在實(shí)際應(yīng)用的過程中功能較為復(fù)雜，可以說是一個復(fù)雜的專用計(jì)算機(jī)，也是槽控機(jī)的核心部分。主要是由幾塊帶有不同功能的相對獨(dú)立的智能模板所組成，而不同模板之間是通過PC104總線和串口進(jìn)行連接。分別為CPU板部分，在實(shí)際應(yīng)用的過程中在主要是進(jìn)行控制解析；邏輯大板部分，在實(shí)際應(yīng)用的過程中主要是進(jìn)行繼電器驅(qū)動、提供直流定時(shí)器、顯示數(shù)碼驅(qū)動、提升機(jī)安全保護(hù)、光隔輸出等功能；輸入隔離板部分是對輸入信號與系統(tǒng)進(jìn)行隔離，防止外部高電壓等對內(nèi)部的沖擊；智能打殼板部分是對打殼氣缸進(jìn)行智能控制；操作開關(guān)板部分，在實(shí)際應(yīng)用中主要是進(jìn)行手動指令工作；狀態(tài)數(shù)碼顯示板部分，在實(shí)際應(yīng)用中主要是進(jìn)行信息的顯示。

CAN通信軟件設(shè)計(jì)：從其通訊軟件設(shè)計(jì)角度上來說，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可分成物理層，數(shù)據(jù)鏈接層以及應(yīng)用層三個層面，而前兩者在設(shè)計(jì)以及應(yīng)用的過程中需要依托于CAN總線，其中最為重要的是硬件線路以及通信協(xié)議兩方面的內(nèi)容。從協(xié)議角度上來說，CAN協(xié)議在實(shí)際應(yīng)用的過程中主要是通過網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯誤幀以及超載幀四個組成部分進(jìn)行系統(tǒng)的控制與運(yùn)行，而其系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行的過程中首先是由各種通信數(shù)據(jù)幀進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞與接收，之后通信控制器在接收相應(yīng)的信息后，將其發(fā)送給總線上，總線在進(jìn)行信息的接收后，信息通過CPU繼續(xù)進(jìn)行傳遞，CPU即可通過接收/發(fā)送緩存區(qū)向物理總線接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

2 結(jié)語

基于CAN總線的分布式鋁電解控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中能夠在較大程度上提升電解槽生產(chǎn)的高效控制，進(jìn)而保證其能夠更加穩(wěn)定平穩(wěn)的運(yùn)行，提升系統(tǒng)運(yùn)行整體質(zhì)量與效率。而從另一方面來說，其系統(tǒng)的高效使用也能夠在極大程度上提升系統(tǒng)集成化、智能化程度，進(jìn)而使系統(tǒng)在應(yīng)用中安全性更高，更具有可靠性。故而，CAN總線在實(shí)際應(yīng)用中具有著較為突出的優(yōu)勢，具有推廣以及應(yīng)用價(jià)值。