（机械设计及理论专业论文）基于can总线的旋转门控制系统.pdf

北京丁商大学烦+ 学位论文 摘要 自动旋转门是机电一体的设备，主要作用是保持室内空间处于封闭状态，室 外的汽车废气、灰尘以及噪声均被隔断在外，能够保持室内温度、节约能源。它 涉及机械工程、电子技术、电机与拖动理论、自动控制理论和土建工程等多个科 学领域。两翼自动旋转门是自动旋转门应用最为广泛的产品之一。随着社会经济 的不断发展，两翼自动旋转门正在被越来越广泛的使用。但在安装和维护过程中， 还是发现现行控制系统中存在线路复杂，可靠性较差，双电机同步不理想等不足。 论文详细地介绍了c a n 总线的发展、结构、原理，以及两翼门的机械结构、 工作原理和功能。并针对两翼门现有控制系统的特点和不足，提出了一种新的基 于c a n 总线的解决方案。利用c a n 节点完成自动旋转门传感器信号向主控制 器的传输；并设计了一种c a n 总线的应用层协议，有效地完成了节点之问的网 络通信。同时利用i s m 交流异步伺服控制器替换原有p l c 控制器，改善了双电 机同步控制的精度，降低了系统的损耗。 本文的主要开发工作如下： 1 i m s 控制器的应用 2 c a n 硬件电路的设计与调试 3 软件设计与调试 4 软硬件联调 5 系统测试 由于系统采用了c a n 总线技术和模块化设计，为以后两翼门控制系统的升 级和扩展打下了良好的基础。 关键词：两翼自动旋转门c a n 总线s j a l 0 0 0 基于c a n 总线的旋转门控制系统 a b s t r a c t t h ea u t o m a t i cr e v o l v i n gd o o ri sak i n do fm e c h a t r o n i c se q u i p m e n tw h o s em a i n f u n c t i o ni st ok e e pt h ei n s i d es p a c eu n d e rt h ec l o s ec o n d i t i o n ，t oc u to f ft h eo u t d o o r e x h a u s t e dg a s ，d u s ta n dn o i s e ，a n dt om a i n t a i nt h ei n d o o rt e m p e r a t u r ea n ds a v et h e e n e r g y i ti n v o l v e sm a n ys c i e n t i f i cf i e l d ss u c ha sm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g , e l e c t r o n i c t e c h n i q u e ，e l e c t r i c a lm a c h i n e r ya n dt o w a g et h e o r e t i c s ，a u t o m a t i cc o n t r o lt h e o r e t i c s ， a n dc i v i le n g i n e e r i n g , e t c t h ea u t o m a t i cr e v o l v i n gd o o rw i t hd o u b l ew i n g si so n eo f t h em o s tp o p u l a rp r o d u c t sw h i c hh a sb e e ne x c e e d i n g l yw i d e s p r e a du s e dw i t ht h e c o n t i n u a ld e v e l o p m e n to ft h es o c i a le c o n o m y h o w e v e r , t h e r ea r es o m ed e f i c i e n c y s u c ha sc o m p l e xc i r c u i t r y ，l o w e rr e l i a b i l i t ya n db a ds y n c h r o n i z a t i o ni nd o u b l em o t o r e x i s t si nt h ep r e s e n tc o n t r o ls y s t e m t h ep a p e rp a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n t ，s t r u c t u r e ，p r i n c i p l eo ft h e c a nb u sa n dt h em e c h a n i s ms t r u c t u r e ，w o r kp r i n c i p l ea n df u n c t i o no ft h ea u t o m a t i c r e v o l v i n gd o o rw i t hd o u b l ew i n g s au e w r e s o l u t i o nm e t h o db a s e do nt h ec a nb u si s p r o p o s e da i m e da tt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h es h o r t a g eo ft h ee x i s t i n gc o n t r o ls y s t e m i nt h ea u t o m a t i cr e v o l v i n gd o o rw i t hd o u b l ew i n g s t h es e n s o rs i g n a lo ft h ea u t o m a t i c r e v o l v i n gd o o r i st r a n s m i t t e dt ot h em a i nc o n t r o l l e rb yu s i n gt h ec a nn o d e ak i n do f a p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o lo fc a n i sd e s i g n e dt oa c c o m p l i s ht h ee f f e c t i v en e t w o r k c o m m u n i c a t i o n a tt h es a m et i m e ，t h ep l cc o n t r o l l e ri sr e p l a c e db yt h ei s ms e l n o c o n t r o li nt h ea ca s y n c h r o n o u sm o t o rt oi m p r o v et h ep r e c i s i o no ft h es y n c h r o n o u s c o n t r o li nd o u b l em o t o ra n dd e c r e a s et h ew a s t a g eo ft h es y s t e m t h ef o l l o w i n gi st h em a j o rd e v e l o p m e n tw o r k ： 1 t h ea p p l i c a t i o no ft h ei m sc o n t r o l l e r 2 t h ed e s i g na n dt h ed e b u g g i n go ft h ec a nh a r d w a r ec i r c u i t 3 t h ed e s i g na n dt h ed e b u g g i n go ft h es o f t w a r e 4 t h ei n t e g r a t i o nt e s to ft h es o f t w a r ea n dt h eh a r d w a r e 5 t h es y s t e mt e s t i n g t h ec a nb u st e c h n o l o g ya n dt h em o d u l a r i z a t i o nd e s i g na r eu s e di nt h es y s t e m t om a k eag o o df o u n d a t i o nf o r t h eu p g r a d ea n dt h ee n l a r g eo ft h ec o n t r o ls y s t e mi nt h e a u t o m a t i cr e v o l v i n gd o o rw i t hd o u b l ew i n g s k e y w o r d s ：t h ea u t o m a t i cr e v o l v i n gd o o r w i t hd o u b l ew i n g s ，c a nb u s ， s j a l 0 0 0 i i 北京土商大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：l 所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作所 取得的研究成果。除了文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果完全由本人承担。 学位论文作者签名： 亟辛丕日期：弘 年s 月“日 北京工商大学学位论文授权使用声明 本人完全了解北京工商大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京工商大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复 制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 学位论文电子版同意提交后，可于口当年口一年口二年后在学校图 书馆网站上发布，供校内师生浏览。 学位论文作者签名：群蕴 导师签名： 北京工商大学硕士学位论文 1 1 自动旋转门简介 第1 章绪论 自动旋转门是机电一体的设备。主要作用是保持室内空间处于封闭状态，室 外的汽车废气、灰尘以及噪声均被隔断在外，能够保持室内的温度、节约能源。 主要用于宾馆、饭店、写字楼等的大厅，尤其是在室内外温差较大的中国北方应 用更加广泛。它涉及机械工程、电子技术、电机与拖动理论、自动控制理论、电 力拖动自动控制系统和土建工程等多个科学领域。两翼自动旋转门( 图1 - 1 ) 是 自动旋转门应用最为广泛的产品之一。 1 2 现场总线概述 图1 - 1 两翼自动旋转门 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅 速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次。信息技术的飞速发展，引 起了自动化系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息 系统。现场总线( f i e l d b u s ) 就是顺应这一形势发展起来的新技术，被誉为自动化领 域的计算机局域网。它的出现，标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始， 并将对该领域的发展产生重要影响。 基于c a n 总线的旋转门控制系统 1 2 i 什么是现场总线 根据国际电工委员会m c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 标准和 现场总线基金会f f ( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 的定义：现场总线是连接智能现场设 备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络【。即是说，现场 总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通 信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。 现场总线把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把 它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。传统 的模拟仪表将逐步让位于智能化数字仪表，并具备数字通信功能；出现了一批集 检测、运算、控制功能于一体的变送控制器；出现了带有控制模块和具有故障信 息的执行器，并由此大大改变了现有的设备维护管理方法。 现场总线之所以具有较高的测控能力，一是得益于仪表的微机化，二是得益 于设备的通信功能。把微处理器置入现场自控设备、使设备具有数字计算和数字 通信能力，一方面提高了信号的测量、控制和传输精度，同时又为丰富控制信息 的内容，实现其远程传送创造了条件。在现场总线的环境下，借助设备的计算、 通信能力，在现场就可进行许多复杂计算，形成真正分散在现场的完整的控制系 统，提高控制系统运行的可靠性。现场总线是新型自动化系统，又是低带宽的底 层控制网络，因而有人称之为底层i n f r a n e t 。它作为网络系统最显著的特征是具 有开放统一的通信协议，肩负着生产运行一线测量控制的任务。 1 2 2 现场总线的发展背景和趋势 随着计算机功能的不断增强，价格急剧降低，为计算机集成制造系统的实施 提供了良好的物质基础。处于企业生产过程底层的测控自动化系统，要与外界交 换信息，要实现整个生产过程的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一 种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统。现场总线就是在 这种背景下产生的。现场总线技术自7 0 年代诞生至今，由于它在减少系统线缆， 简化系统安装、维护和管理，降低系统的投资和运行成本，增强系统性能等方面 的优越性，引起人们的广泛注意，得到大范围的推广，导致了自动控制领域的一 北京工商大学硕士学位论文 场革命。 现场总线将朝着开放系统、统一标准的方向发展：这些以微处理器芯片为基 础的各种智能仪表，为现场信号的数字化以及实现复杂的应用功能提供了条件。 许多国际组织，例如国际电工委员会( i e c ) ，美国仪表学会( i s a ) ，i s p ( i n t e r o p e r a b l es y s t e mp r o j e c t ) ，国际金融组织( i f c ) ，w o r l df i p ( f a c t o r y i n s t r u m e n t a t i o np r o t o c 0 1 ) 组织等，多年来为制订现场总线标准做了大量工作。9 0 年代初，各大公司都已清醒地认识到，现场总线应该有一个统一的国际标准，现 场总线技术势在必行 2 1 。 1 9 9 4 年，i s p 和w o r l df i p 北美部分合并，成立了现场总线基金会( f i e l d b u s f o u n d a t i o n ，简称f f ) ，推动了现场总线标准的制定和产品开发，于1 9 9 6 年第一 季度颁布了低速总线瑚的标准，安装了示范系统，将不同厂商的符合f f 规范的 仪表互连为控制系统和通信网络，使h i 低速总线开始步入实用阶段。与此同时， 在不同行业还陆续派生出一些有影响的总线标准，如德国b o s c h 公司推出c a n ( c o n t r o l a r e a n e t w o r k ) ，美国e c h e l o n 公司推出的i _ o n w o r k s 等。众多行业，需 求各异，加上要考虑已有各种总线产品的投资效益和各公司的商业利益，在今后 一段时期内，会出现几种现场总线标准共存、同一生产现场有几种异构网络互连 通讯的局面。但发展共同遵从的统一的标准规范，真正形成开放互连系统，是大 势所趋。 1 2 3 现场总线的特点和优势 1 2 3 1 现场总线的特点 现场总线具有以下特点： 1 系统的开放性 开放是指相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放 系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连接。通信 协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换。 2 互可操作性与互用性 互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；而互用则意味 3 基于c a n 总线的旋转门控制系统 若不同生产厂家的类似的设备可实现相互替换。 3 现场设备的智能化与功能自治性 它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成， 仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 4 系统结构的高度分散性 现场总线己构成一种新的全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了现 有d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 集中与分散相结合的集散控制系统体系， 简化了系统结构，提高了可靠性。 5 对现场环境的适应性 工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境而设 计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的 抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信【4 】。 1 2 3 2 现场总线的优势 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从 设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。现场总线的 优势主要归结为以下几点： 1 极大地节省了硬件成本 由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行多种传感、控制、报 警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等， 也不再需要d c s 系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可 以用工控p c 机作为操作站，从而节省了大笔硬件投资，并可减少控制室的占 地面积。 2 设计、组态、安装、调试方便 现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设 备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连接设计与接头校对的工作 量也大大减少。既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。 3 系统维护、设备更换和系统扩充方便 由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相 北京工商大学硕士学位论文 关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息， 以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简 化，连线简单而减少了维护工作量。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的 电缆，可就近连接在原有的电缆上。 4 用户对系统配置、设备选型有最大的自主权 用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品 牌的产品而被“框死”了使用设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、 接口而一筹莫展。使系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。 5 提高了系统的准确性与可靠性 由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了 测量与控制的精确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连 线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可 靠性。 1 2 4 主流现场总线简介 自8 0 年代末以来，有几种现场总线技术己逐渐形成影响，并在一些特定的 应用领域显示了自己的优势。它们具有各自的特点，也显示了较强的生命力。对 现场总线技术的发展已经发挥并将会继续发挥较大的作用。下面就几种主流的现 场总线做一简单介绍： 1 基金会现场总线 基金会现场总线 ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s 简称 f f ) 这是以美国f i s h e r r o u s e m o u n t 公司为首的联 合了横河、a b b 、西门子、 英维斯等8 0 家公司制定的 表1 - 1f f 现场总线模型 用户层( 程序) 用户层 现场总线信息规范子层 f m s 现场总线访问子层 r s 数据链路层 物理层 通信栈 物理层 i s p 协议和以h o n e y w e l l 公司为首的联合欧洲等地1 5 0 余家公司制定的w o r l d f i p 协议于1 9 9 4 年9 月合并的。该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用，具有 良好的发展前景。基金会现场总线采用国际标准化组织1 s o 的开放化系统互联 5 基于c a n 总线的旋转门控制系统 o s i 的简化模型( 1 ，2 ，7 层) ，即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用 户层( 表1 - 1 ) 。f f 分低速h i 和高速h 2 两种通信速率，前者传输速率为3 1 2 5 k b i f f 秒，通信距离可达1 9 0 0 m ，可支持总线供电和本质安全防爆环境。后者传输速率 为1 m b i f f t g b 和2 s m b i t 秒，通信距离为7 5 0 m 和5 0 0 m ，支持双绞线、光缆和无线 发射，协议符号i e c l l 5 8 - 2 标准。f f 的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码。 2 l w o r k s i o nw o r k s 是又一具有强劲实力的现场总线技术。它是由美国e c h e l o n 公司 推出，并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1 9 9 0 年正式公布而形成的。 它采用了i s o o s l 模型的全部七层通讯协议( 表1 2 ) ，采用面向对象的设计方法， 通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。l o nw o r k s 技术采用的l o n t a l k 协议被封装在称之为n e u r o n 的神经元芯片中而得以实现。集成芯片中有3 个8 位c p u 一个用于完成开放互连模型中第1 和第2 层的功能，称为媒体访问控制 处理器，实现介质的访问的控制与处理；第二个用于完成第3 6 层的功能，称 为网络处理器，进行网络变量的寻址、处理、背景诊断、路径选择、软件计时、 网络管理，并负责网络通信控制，收发数据包等；第三个是应用处理器，执行操 作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现c p u 之间的信 息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。其通信速率从3 0 0 b p s 至1 5 m b p s 不 等，直接通信距离可达2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，双绞线) ；支持双绞线、同轴电缆、光纤、 射频、红外线、电力线等多种通信介质，支持节点数为3 2 0 0 个，并开发了相应 的本质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。 表1 - 2 l o n w o r k s 总线模型 3 c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k 控制器局域网) 北京工商大学硕士学位论文 最早由德国b o s c h 公司推出，它广泛用于离散控制领域，其总线规范已被 i s o 国际标准组织制定为国际标准，得到了i n i e l 、m o t o r o l a 、n e c 等公司的支持。 c a n 协议分为二层：物理层和数据链路层( 表1 - 3 ) 。c a n 的信号传输采用短帧 结构，传输时间短，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力。c a n 支持多 主工作方式，并采用了非破坏性总线仲裁技术，通过设置优先级来避免冲突，通 讯距离最远可达1 0 k m5 k b p s ，通讯速率最高可达4 0 m1 m b p s ，网络节点数实际 可达1 1 0 个。目前已有多家公司开发了符合c a n 协议的通信芯片。 表1 - 3 c a n 总线模型 数据链路层物理层 逻辑链路子层( l c c ) 媒体访问控制子层( m c c ) 物理信令( p l s ，p h y s i c a ls i g n a l i n g ) 物理媒体附件( p m a ，p y s i c a lm e d i u m a t t a c h m e n t ) 媒体接口( m d i ，m e d i u md e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 4 p r o f i b u s p r o f i b u s ( 表1 - 4 ) 是德国标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的现场总 线标准。由p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s f m s 、p r o f i b u s - p a 系列组成。d p 用于分散外设间高速数据传输，适用于加工自动化领域。f m s 适用于纺织、楼 宇自动化、可编程控制器、低压开关等。p a 用于过程自动化的总线类型，服从 i e c l l 5 8 2 标准。p r o f i b u s 支持主一从系统、纯主站系统、多主多从混合系统 等几种传输方式。p r o f i b u s 的传输速率为9 6 k b i t s 至1 2 m b i t s ，最大传输距离 在9 6 k b i t s 下为1 2 0 0 m ，在1 2 m b i t s 为2 0 0 m ，可采用中继器延长至l o k m ，传输 介质为双绞线或者光缆，最多可挂接1 2 7 个节点1 2 n 。可是实现总线供电与本质安 全防爆。 表1 - 4p r o f i b u s 总线模型 用户接口 应用层接口 数据链路层 物理层 应用层信息规范 底层接口 数据链路层 物理层 7 基于c a n 总线的旋转门控制系统 5 h a l h 表1 - 5i s o o s i 模型与h a r t 层次 1 s o o s i 模型h a r t 层次 应用层h a r t 命令 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 h a r t 协议层 b e l l 2 0 2 h a r t 是h i g h w a y a d d r c s s a b l cr e m o t et r a n s d u c e r 的缩写，最早由r o s e m o u n t 公司开发。其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统 向数字系统转变的过渡产品。其通信模型( 表1 5 ) 采用物理层、数据链路层和 应用层三层，支持点对点主从应答方式和多点广播方式。由于它采用模拟数字信 号混和，难以开发通用的通信接口芯片。h a r t 能利用总线供电，可满足本质 安全防爆的要求，并可用于由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备 系统。 、 6 c c i j n k c c - l i n k 是c o n t r o l & c o m m u n i c a t i o nl i n k ( 控制与通信链路系统) 的缩写， 在1 9 9 6 年1 1 月，由三菱电机为主导的多家公司推出，其增长势头迅猛，在亚洲 占有较大份额。在其系统中，可以将控制和信息数据同是以1 0 m b i t s 高速传送至 现场网络，具有性能卓越、使用简单、应用广泛、节省成本等优点。其不仅解决 了工业现场配线复杂的问题，同时具有优异的抗噪性能和兼容性。c c l i n k 是一 个以设备层为主的网络，同时也可覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感层。 2 0 0 5 年7 月c c - l i n k 被中国国家标准委员会批准为中国国家标准指导性技术文 件。 1 3 课题的背景和意义 两翼自动旋转门( 以下简称两翼门) 从机械结 构上大体分为两个部分，既旋转体和支撑体。旋转 体通过驱动系统进行驱动，带动安装在旋转体上的 i 璺| 1 2 滑环 北京工商大学硕士学位论文 胶轮在支撑体的导轨上滚动，从而带动整个旋转体旋转。另外，在支撑体和旋转 体上安装有各种传感器和开关，而且支撑体上的开关和传感器的开关量信号需要 通过滑环( 图1 2 ) 连接到旋转体的控制系统上面。 两翼门的驱动系统主要是由可编程控制控制器p l c 、变频器和2 台三相异步 交流电机组成安装在旋转体上面。其中p l c 是自动旋转门的中央控制单元，负 责处理传感器信号，对门的速度，停车位置，刹车等动作进行过程控制；变频器 是系统的驱动单元，对电机进行变频调速。但是这种方式两台电机的很难保持较 好的同步，导致两台电机的力矩不均匀，功耗增加，加速电机的损耗。 旋转门从最初的木制手推门旋转门，到当今的自动旋转门已经经历了一百多 年，人们追求高品质室内环境的脚步一刻也没有停歇。现在中国市场上的两翼门， 其支撑体上的信号大都是用滑环连接到控制系统上，由于开关信号繁多，走线复 杂容易损坏且很难维修，一直是生产厂家比较头疼的问题。有少数厂家利用 r s - 2 3 2 的通信方法传递支撑体上的信号，但r s 2 3 2 的通信方式有其局限性。首 先r s 2 3 2 c 标准规定的数据传输速率为每秒5 0 、7 5 、1 0 0 、1 5 0 、3 0 0 、6 0 0 、1 2 0 0 、 2 4 0 0 、4 8 0 0 、9 6 0 0 、1 9 2 0 0 波特。其次r s 2 3 2 c 标准规定，驱动器允许有2 5 0 0 p f 的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用1 5 0 p f m 的通信电缆时，最 大通信距离为1 5 m ：传输距离短的另一原因是r s 2 3 2 属单端信号传送，存在共 地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于2 0 m 以内的通信。再加上 r s 2 3 2 如果实现双向访问很难符合i s o o s i 规范，不具通用性能。 本课题采用c a n 现场总线控制技术，将单片微机与现场总线技术相结合， 利用c a n 现场总线的特点和优点，使系统的滑环路数从2 0 路减少到2 路，并具 有很好的可扩展性。并采用时光科技有限公司的i m s 交流异步伺服控制器对两 台交流异步电机进行同步控制，使两台电机的力矩基本保持一致，减少功耗，延 长系统的使用寿命。 1 4 论文主要工作及创新点 1 4 1 论文主要工作 本课题为“基于c a n 总线的两翼门控制系统”的横向课题，本人完成了以 9 基于c a n 总线的旋转门控制系统 下几点工作： 1 基于c a n 总线的旋转门控制系统的总体设计； 2 学习i m s 伺服控制器，并用q m c l 语言编写了控制器的旋转门程序； 3 c a n 节点的设计( 电路原理图设计及p c b 图设计、软件设计) ； 4 整个系统的总体调试。 按照上述工作的完成情况，本文安排如下： 第一章，介绍了现场总线的概念，发展背景和趋势，介绍了现场总线的概念， 发展背景与趋势，现场总线的特点与优点和主要类型等，及本系统的设计背景， 此外介绍了论文的主要工作及内容安排。 第二章，介绍两翼自动旋转门的工作原理和传统两翼门的控制方式，常用的 电机同步控制的方法，和基于c a n 总线的两翼门控制系统的构成。 第三章，介绍c a n 总线的基本原理，主要包括c a n 协议的结构和特点。 第四章，介绍了c a n 节点的硬件设计，详细介绍了硬件的设计和实现。 第五章，介绍了c a n 节点的软件设计和调试，包括基本的信息帧的接受， 发送，s j a l 0 0 0 寄存器的设置，和应用层协议的定制。 第六章，对研究生期间所作工作的总结，对系统的完善提出建议。 1 4 2 主要创新点 论文的主要创新点有以下两点： 1 首次将c a n 总线的技术引入旋转门，增强了旋转门控制系统的可靠性和 可扩展性。 2 利用交流异步伺服控制器对两台交流异步伺服电机进行同步控制，取代 了传统的p l c + 变频器+ 两台交流异步电机的控制方案，提高了系统的同步精度。 北京工商大学硕士学位论文 第2 章两翼门控制系统的工作原理与分析 2 1 两翼门的工作原理和功能 2 1 1 两翼门机械结构 两翼门从机械结构上大体分为两个部分，即旋转体和支撑体。支撑体的主要 作用是通过铝型材和玻璃形成一个圆形的运动轨道，同时将门区封闭；旋转体通 过电机带动在支撑体的轨道上运行，从而起到开启和关闭通道的作用。 2 1 1 1 支撑体结构 两翼门支撑体的结构如图2 - 1 所示。下面对支撑体的主要结构进行简单的说 图2 - 1 两翼f j 支撑体的结构示意图 基于c a n 总线的旋转门控制系统 1 径向支撑臂 径向支撑臂的作用是将外导轨上部紧固在一起。 2 防尘盖板 防尘盖板的作用是防止灰尘和异物落入两翼门的内部。 3 横向连接臂 横向连接臂的作用是连接径向支撑臂，从而形成稳定结构。 4 左边立柱 边立柱的作用是支撑并联接导轨面。 5 弧形钢化夹胶玻璃 弧形钢化夹胶玻璃作用是封闭门区，同时起一定的支撑作用，并保持了两翼 门的通透行。 6 玻璃胶条 玻璃胶条主要用于玻璃与铝行材框架、及玻璃与玻璃的联接。 7 右边立柱 右边立柱作用与左立柱相同，同时预留了操作按钮和开关的安装位置。 8 立柱定位销 立柱定位销用于立柱与地面的定位。 9 下玻璃夹 下玻璃夹的作用是支撑弧臂玻璃，并将立柱下部联接。 1 0 支撑导轨 支撑导轨的作用是支撑旋转体，并将立柱上部联接。 1 1 中立柱 中立柱和左右边立柱作用相同。 支撑体主要是通过支撑臂、支撑导轨、立柱、钢化夹胶玻璃、胶条及下玻璃 夹的联接，共同组成一个有一定强度的框架结构，同时也为旋转体提供了一个运 动轨道。 2 1 1 2 旋转体结构 两翼门旋转体的结构如图2 2 所示。下面对旋转体的主要结构进行简单的说 北京工商大学硕士学位论文 明： 4 i 1 径向调节臂 径向调节臂的作用是调节内圆弧联接壁的弧度。 2 辅助内支撑弧板 辅助内支撑弧板的作用是联接主内支撑弧板，支撑旋转体部分重量，安装内 天花和辅助支撑轮。 3 联接螺钉 联接螺钉与联接螺母一起联接并固定内圆弧联接壁。 4 联接螺母 同上。 图2 - 2 两翼门旋转体的结构示意图 5 展箱门翼 展箱门翼的作用是支撑展箱弧壁。 6 上联接三角架 基于c a n 总线的旋转门控制系统 上联接三角架的作用是联接展箱弧壁及展箱固定门翼的上端，同时与主联接 梁联接固定。 7 展箱弧壁上玻璃夹 展箱弧壁上玻璃夹的作用是固定并联接展箱弧玻璃；与主内支撑弧板联接； 同时与展箱弧立框、胶条、展箱弧玻璃、侧展箱弧玻璃共同形成有一定强度的展 箱弧壁。 8 展箱弧联接立框 展箱弧联接力框的作用是联接展箱弧上下玻璃夹。 9 展箱弧立框外扣板 展箱弧立框外扣板作用是固定展箱弧壁玻璃，从而形成有一定强度的展箱弧 壁；并起到装饰作用。 1 0 展箱弧立框内扣板 作用同展箱弧立框外扣板。 1 1 展箱弧玻璃 展箱弧玻璃的作用是与展箱弧立框、胶条共同形成有一定强度的展箱弧壁， 从而实现旋转门的封闭。 1 2 侧展箱弧玻璃 作用同展箱弧玻璃。 1 3 下联接三角架 下联接三角架作用是联接展箱弧壁及展箱固定门翼的下端。 “展箱弧壁下玻璃夹 展箱弧壁下玻璃夹的作用是固定并联接展箱弧玻璃，同时与展箱弧立框、胶 条、展箱弧玻璃、侧展箱弧玻璃共同形成有一定强度的展箱弧壁。 1 5 主联接梁 主联接梁的作用是联接主内支撑弧板，安装平滑门机构，安装内天花板。 1 6 主内支撑弧板 主内支撑弧板支撑旋转体主要重量，安装主动支撑轮、从动支撑轮、电机驱 动系统。 1 7 内天花盖板 北京工商大学硕士学位论文 用。 内天花盖板作用是防止灰尘和异物进入两翼门的内部，同时起到装饰的作 1 8 平滑门门翼 平滑门门翼的作用是封闭旋转门。 2 1 2 两翼门机械结构主要受力分析 两翼旋转门受力除了受自身重力外，其主要外部压力是由风压引起的垂直于 支撑体的压力； 两翼旋转门旋转体的重量是通过四个主支撑轮和两个辅助支撑轮作用于支 撑体道轨面上，支撑体通过六根立柱及外弧壁钢化玻璃及下玻璃夹将旋转体重量 及自身重量均匀作用于地面上； 由风压引起的对旋转体的压力，主要是通过旋转体顶部的中心定位轴传递给 支撑体；支撑体将此压力及自身所受的风压，通过立柱定位销作用于地面。 2 1 3 两翼门的装配关系及工作原理 图2 - 3 旋转体、支撑体装配关系图 基于c a n 总线的旋转门控制系统 旋转体与支撑体装配关系如图2 - 3 所示。旋转体与支撑体同心安装，他们的 间隙为1 0 m m 1 5 蛐；我们将四个安装在旋转体上部的主支撑轮设计为锥形胶 轮，锥度为3 。；并且在旋转体的顶部安装中心轴以调整旋转体与支撑体的相对 位置，这样，就可以保证旋转体旋转时可以围绕旋转门圆心自动定心旋转。 旋转门的动力装置安装在旋转体上。带电机的减速器直接联接在旋转体上的 两个对称的主支撑胶轮上，电机上安装不自锁孔输出的涡轮涡杆减速器，减速比 为1 比1 5 ；当电机接到启动信号时，电机输出扭矩，两个主动轮旋转；支撑导 轨对胶轮的摩擦力通过支撑轴承座作用于旋转体内弧支撑板，使得旋转体受到两 个大小相等、方向相反、对称于旋转门中心且与圆弧相切的力偶，从而带动整个 旋转体围绕旋转门中心旋转。 由于电机与支撑轮轴是直接联接，为了减少电机在启动、刹车时的刚性冲击， 采用有弹性护套的扭力臂与旋转体联接，当电机启动、刹车时，电机所受的作用 力通过扭力臂作用于橡胶护套，再作用于旋转体上。 另外，在支撑体和旋转体上安装有各种传感器和开关，而且支撑体上各种传 感器的开关量信号需要通过滑环连接到旋转体的主控制器上。 2 1 4 两翼门功能说明 两翼门的运行方式分为自动平滑门运行方式和自动旋转方式两种。其中，自 动平滑门运行方式的工作状态分为三种： 1 双向通行状态在大多数情况下的一种运行模式， 或物体时自动打开。 2 单向通行状态适用于对进出有特殊要求的场合， 为只出不进方式。 3 常开状态晴朗天气、通行量大或有特殊环境要求 时平滑门完全打开，形成一条宽敞的通道。 自动旋转方式的工作状态也分为三种： 1 日间运行状态在大多数情况下的一种运行模式， 旋转门匀速不间断运行。 2 怠速运行状态在长时间无人通过的时候，旋转门 平滑门感应器感应到人 比如商场打洋时可设置 图2 - 4 夜间停泊位置 北京工商大学硕士学位论文 慢速运行以节省能源。 3 夜问锁止状态如图2 - 4 所示，旋转门停在夜间停门位置，展箱档住门口， 停止通行。 2 1 5 两翼门的安全装置说明 为了保障使用者的安全，两翼门的安装了诸多的安全装置。下面对两翼门的 安全装置及传感器进行详细的说明。 2 1 5 1 旋转门安全装置 1 门柱防夹感应器( 图2 - 5 ) 安装在支撑体出入口的右侧立柱胶条内部，当旋转体转过时，如果有人或物 体被夹住，挤压立柱的胶条，使其产生变形，则胶条内部的骨节式感应器向主控 制器发出停车信号，旋转体立即停止运行。将被夹物移开，胶条恢复原形，旋转 体恢复运行。 鳓 q 图2 - 5 门柱防夹感应器 2 门翼防撞感应器( 图2 6 ) 门翼防撞感应器安装在旋转体门翼外侧和支撑体内侧的顶部，旋转体立柱前 方和支撑体立柱后方8 c m 处。它是一种红外光传感器，传感器竖直向下发出红 外线，如果光线被切断，则传感器发出停车信号，旋转体立即停止运行。将遮挡 物移开，旋转体恢复运行。 1 7 基于c a n 总线的旋转门控制系统 受 图2 - 6 门翼防撞感应器 3 门扇防碰感应器( 图2 7 ) 门扇防碰感应器( 慢速) ，分为发射器和接收器两部分，分别安装在距门扇 边缘向前1 0 c m 处和门扇的中心位置，接收器接收发射器发出的红外射线，如果 射线被切断，即接收器没有接收到发射器发出的射线，便立即向主控制器发出减 速信号，旋转体立即减速运行。将遮挡物移开，旋转体恢复原速。 多圆 图2 - 7 门扇防碰感应器( 慢速) 4 门扇防碰感应器( 图2 - 8 ) 门扇防碰感应器( 急停) ，分为发射器和接收器两部分，分别安装在距门扇 边缘向前5 c m 处和门扇的中心位置，接收器接收发射器发出的射线，如果射线 被切断，即接收器没有接收到发射器发出的射线，便立即向主控制器发出急停信 号，旋转体立即停止运行。将遮挡物移开，旋转体恢复运行。 夕圆 图2 - 8 门扇防碰感应器( 急停) 5 门翼防碰安全感应器( 图2 9 ) - 1 8 北京工商大学硕士学位论文 门翼防碰安全感应器，安装在门翼立柱的胶条内部，当人或物体和门翼发生 碰撞，使门翼的胶条收到挤压产生变形，则感应器向主控制器发出急停信号，旋 转体立即停止运行。将被碰物移开，胶条恢复原形，旋转体恢复运行。 固 图2 - 9 门翼防碰安全感应器 6 紧急停车按钮( 图2 - 1 0 ) 紧急停车按钮，安装在支撑体的立柱外部。当有人按下按钮，则旋转体立即 停止运行。将按钮向右旋转，按钮弹起，旋转体恢复运行。 参爹 图2 1 0 紧急停车按钮 7 伤残人按钮( 图2 1 1 ) 紧急停车按钮，安装在支撑体的立柱外部。当有人按下按钮，旋转体就慢速 旋转4 8 0 度后，恢复原速运行。 固氧 图2 1 1 伤残人按钮 1 9 基于c a n 总线的旋转门控制系统 2 1 5 2 平滑门安全装置 1 平滑门防夹功能( 图2 - 1 2 ) 平开门有力矩传感器，当人或物体被平开门夹住，则力矩增大超过阀值，平 开门打开。 图2 1 2 平滑门防夹功能 2 平滑门防夹功能( 共用) 当使用平开门功能时，门扇防碰感应器( 慢速) 就充当防夹感应器的功能， 当射线被人或物体切断，平开门打开( 如图2 - 1 3 ) 。 图2 - 1 3 平滑门防夹功能( 共用) 2 2 传统两翼门的控制方案 传统的两翼门采用p l c + 变频器+ 2 台变频电机的控制方式( 如图2 - 1 4 ) ，所 有支撑体控制信号( 包括钥匙开关，急停信号，伤残人信号等) 都通过滑环传送 到p l c 控制器。这种控制方式，采用基于同一给定电压，将电机并联在一起的 开环控制，两台电机的同步精度很差，力矩不均匀。又因为所用支撑体信号都通 过滑环连接到p l c ，所以需要2 0 路的滑环，接线十分复杂、容易损坏、并且不 北京工商大学硕士学位论文 容易维修。 变鼎吲广丁面订 介蛔 p l c 控丰帽 信信 捌一号号 3 j “12 l 厂j i 褥滑珲l l | l ll。l l 瓣ll 撩笋ll 瓣i i 瓣l r j 体 图2 - 1 4 传统两翼门的控制方案