控制网

1.   引言：

        为确保性能可靠和安全运输，铁路内燃机车用柴油机每次新造出厂前或大修后必须进入柴油机试验站进行台架试验，经验收合格后方可装车运行。实现柴油机台架试验自动控制与数据采集的主要困难是：逻辑关系复杂，步骤繁多，各种条件相互关联；所测参数种类众多。怎样设计出一种有效的控制系统和合理的控制方案是解决问题的关键。因此，采用基于CAN总线技术的现场测控系统，无论从实时性，可靠性，还是通信距离上都满足柴油机台架实验的需要。

         CAN总线属于总线式串行通信网络，由于采用了许多新技术及其独特的设计于一般通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可概括如下：CAN总线以多主方式工作，网络上任意节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无须占地址等节点信息，利用这一特点可方便地构成多机备份系统。CAN总线网络上的节点信息分不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在34μs内得到传输。CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发出信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省总线冲突仲裁时间，尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪的情况。CAN总线只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接受数据，无需专门的“调度”。CAN总线的直接通信距离最远可达10Km(速率5Kbps以下)；通信速率最高可达1Mbps（此时通信距离最长为40 m）。.CAN总线上的节点主要取决于总线驱动电路，目前可达110个；报文标识符可达2032种，而扩展标识符几乎不受限制。采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好检错效果。CAN总线的每帧信息都有CRC校验及其它检错措施，保证了数据出错率极低。CAN总线的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。CAN总线节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出的功能，以使总线上的其它节点的操作不受影响。

        1. 本系统采用两层体系结构，即操作站―现场智能单元。操作站由工控机加上网卡组成，网卡的功能是完成RS-232C与CAN总线之间的协议转换，实现工业PC机与CAN总线的连接。现场智能设备（现场控制单元）具有“功能全分散”的特点，使现场控制单元成了控制系统的核心。CAN总线控制节点由微处理器，CAN总线控制器及CAN接口电路组成。现场总线控制系统“功能全分散”的特点，使现场控制单元成了控制系统的核心。我们采用了自行开发的SHCAN2000型现场控制单元采用了由实时多任务操作系统、实时监控软件、任务级组态软件、实时数据库等构成的现场智能测控仪表软件组件集成技术，支持在线组态。由于现场总线的特点之一是将控制功能彻底分散到现场，因此在现场总线控制系统中，现场控制单元就成了系统的核心部件。SHCAN2000系统中，现场控制单元将PLC和回路调节器的全部功能有机的溶为一体：用于顺序控制可取代PLC；用于连续控制可替换回路调节器和DCS；用于间歇过程工业则可替代DCS与PLC的复杂组合；并使所有的工业自动化系统都有一个简单、统一的解决方案。SHCAN2000型现场控制单元的硬件结构如图2-6所示。其中CAN驱动器82C250和CAN控制器SJA1000完成CAN总线通信，其余的采集和控制单元由Philips公司的微处理器芯片P80C552单片机系统构成。

 图3 SHCAN2000型现场控制单元软件结构

        监控站要进行柴油机台架实验，实验分成磨合，调整，验收三个实验。实验要求柴油机在一定的转速和功率条件下运转一定的时间之后测试柴油机的各项数据，通过数据检查柴油机的各项性能，同时调节进入柴油机的燃油温度和冷却水温度。当出现异常情况是系统会在界面中显示报警并通过声光信号提醒实验人员，同时还要完成质量平定，和实验记录的功能。对于实验过程的监控我们应用上位机直观、友好的人机界面是系统功能的一个重要体现。随着计算机和软件技术的发展，上位机的界面设计变得越来越方便、直观。在设计上位机监控界面时，我们采用FIX软件的画图程序（DRAW）,借助于画图程序的强大功能，实现了柴油机试验台线路状态的实时显示、柴油机参数的实时监控和柴油机试验当前步骤状态显示，使试验员能全面、直观地监控柴油机试验全过程。监控界面由模拟试验线路、虚拟仪表和操作按钮组成。试验员可以通过模拟试验线路观察电路开关状态；虚拟仪表显示柴油机主发机组的电压、电流、转速、温度、压力等参数；试验步骤指示灯显示当前试验状态；操作按钮控制柴油机试验项目和试验流程。整个监控界面形象直观，易于操作。为了设计出直观、形象的监控界面，采用了动态显示技术。试验线路的开关状态根据现场状态动态显示；各种压力、温度、转速、电流、电压等参数通过虚拟仪表动态显示；柴油机试验的当前步骤通过虚拟指示灯动态显示。动态显示技术的原理如下：监控界面上几何图形的大小、位置、颜色、旋转角度以及可见性等并不是固定不变的，而是由FIX过程数据库中对应点所决定的。例如：试验步骤N指示灯的可见性由数据库中对应的试验步骤。对于系统的控制功能我们运用功能强大的软件模块库，将控制功能通过功能模块组态的形式按找系统的要求组织起来下载到现场智能单元中，这样现场智能单元就会根据分配给各自的任务完成系统的功能。并利用他们之间的通讯功能将整个系统统一连接起来达到时实多任务要求实现系统的控制功能。

        本课题的主要创新点是分析了间歇控制的特点和难点，研究基于现场总线控制系统实现间歇控制的方法。具体论述了采用现场总线控制系统实现柴油机试验的自动控制，包括试验流程的自动控制、试验数据自动采集和管理、友好的人机接口等，并讨论了上位机操作站和现场控制单元的功能组态实现。实现了柴油机试验过程的全自动，且试验台系统全部控制功能由现场测控仪表完成，充分体现了控制全分散这一发展趋势, 较好地完成了柴油机试验台计算机改造项目。

[1]铁道部大连机车车辆工厂．东风4型燃机车．大连理工大学出版社，大连，1998年8月

[2]邹家龙．浅谈机车柴油机试验站的设计． 柴油机． 1998.2：33～37

[3]阳宪惠．现场总线技术及其应用．清华大学出版社．1999．

[4]刘双刚等．间歇生产过程的自动控制．机电工程．2000年第17卷第3期：94~96

[5]袁爱进等.现场智能测控仪表软件集成技术的研究[J].仪器仪表学报.2001，3：269-276

[6]袁爱进 .MDCS2001微型集散控制系统手册 

[7]袁爱进．嵌入式聪明设备控制器（OSDC）．2000

[8] 袁爱进等．现场智能测控仪表软件集成技术的研究．仪器仪表学报，2001

[9]SHCAN2000分布控制系统智能测控组件系统组态使用手册．大连三合仪表开发公司．

[10] SHCAN2000分布控制系统 系统设置及下载调试程序使用手册．大连三合仪表开发公司．