基于CAN总线的气力输灰控制系统.doc

基于CAN总线的分布式气力输灰控制系统陈纪援 福建龙净环保股份有限公司 (364000)摘 要：针对传统系统的不足和局限,提出了一种新颖的模块化，分布式控制系统，探讨了CAN总线的应用，最后，详细介绍了一个工程实例。叙 词: CAN总线 气力输灰控制 A Distributed System Based on CAN Bus For Pneumatic ConveyingChen Jiyuan Fujian Longking Co., Ltd.(364000)Abstract: A new distributed system, which is modular and based on CAN bus, for the controlling of pneumatic conveying is brought forward, the application of CAN bus on the system is discussed, and an actual application of the system on a power plant is described in detail. Key words: can bus control system for pneumatic conveying1. 引言气力输灰具有环保效益好，飞灰的综合利用率高等优点。80年代以来广泛应用于火力发电厂，其中最主要的用途是输送电除尘器收集下来的飞灰。通常，电除尘器的每个灰斗上装一个仓泵，根据除尘器的大小，仓泵的数量从几个到几十个,但各仓泵的控制是一样的，即检测压力,料位等信号,周期性地打开或关闭电磁阀以驱动相关的阀门，按工艺规定的步骤，用压缩空气把仓泵中的飞灰送到灰库。从电气的角度看,这是一种开关量的顺序控制。目前，基本上都采用PLC控制,即把所有的输入输出信号直接或间接(通过PLC的远程I/O站)引到中控室，由PLC的CPU模块进行信号的处理和控制。但这种传统的集中控制模式存在着一些不足：首先，风险大。当CPU模块或其它中央硬件发生故障时,所有的仓泵都受影响，甚至整个系统“崩溃”。虽然可以采用双机冗余热备，但不能从根本上消除风险问题。况且，双机热备系统的成本一般较高，非所有用户能够承受。其次，投资增加。由于大量的信号要引到中控室(或远程I/O站)，在电缆及施工方面的成本必定更高。 控制柜集中放在中控室或远程I/O站要占用建筑空间，导致土建方面的投资增加，有些改造工程根本就没有空间来安装额外的控制柜。还有，灵活性不好，无法模块化。当要增加仓泵或其它设备时,不但软，硬件需要修改,而且还要增设电缆,费钱费工。2. 思路及解决办法针对集中模式的缺点和气力输灰系统的特点，能否找到一种更理想的解决方案呢？答案是肯定的！先分析气力输灰系统的特点。事实上，无论大小，系统基本上由空压机子系统，灰库子系统和仓泵子系统三大块组成。只不过系统大一点，仓泵的数量就多一些，反之,仓泵的数量就少一些，因而，很适于模块化。在物理空间上，这三个子系统通常是分开的，相互距离可达数百米，所以，采用分布式较适宜。我们的做法是，每个仓泵上装一个现场控制箱，称之为仓泵现场箱，箱内装有微控制器，I/O输入输出电路及电磁阀，构成一个完整的仓泵控制器。它能够独立地控制该仓泵。同样，在空压机房装一个现场控制箱，称之为空压机现场箱，负责空压机子系统的信号采样和启停控制。在灰库上也设一个灰库现场箱，负责料位信号的采样和灰库除尘器的控制。各现场箱通过一条通讯电缆相互连接，并引到中控室的上位计算机上。由于控制箱是现场放置，电缆就近接入，不必拉到中控室(或远程I/O站)，节省了大量的电缆。此外，各控制箱自身是一个独立的控制器，某一个或几个出现故障，只影响局部，不会导致整个系统崩溃，从根本上化解了“中央集权”的风险。从网络的角度看，各个现场箱是网络上的一个智能节点。所谓“智能”，指该节点带有微控制器，无需中央控制器干预，能够独立地工作。智能节点，上位计算机，通讯网络三者构成了一个分布式控制系统。各节点不停地交换信息，保证整个系统协调地工作。而上位计算机仅仅是监控和管理系统。在这种分布式系统中，网络扮演着至关重要的角色，各节点靠它来实现信息互通，共享资源。它象人的神经，起到联络整个系统的作用。因而，选择什么样的总线来构建网络,关系到分布式系统的成败。根据输灰系统的特点，我们选择CAN总线来构建网络。之所以选择它，是基于如下考虑：首先，CAN总线采用多主协议，各节点的地位平等，彼此之间可以随心所欲地通讯，是真正的“点到点”通讯协议。其次，它具有极高的可靠性和出色的实时性。此外，它还有开放，成本低，和芯片普及等方面的优势。3. CAN总线介绍CAN是英文Controller Area Network 的缩写，意为控制器局部网，它属于现场总线范畴，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN的应用范围遍及高速网络到低成本的多线路网络。与一般的通信总线相比，CAN总线具有突出的可靠性、实时性和灵活性。CAN总线所具有的卓越性能、极高的可靠性和独特设计,特别适合工业设备测控单元互连，因此倍受工业界的重视。 CAN已经形成国际标准，并已被公认为最有前途的现场总线之一。CAN的位速率可高达1Mbps,最大传输距离可达10km。通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。4. 应用实例下面的应用实例是某火电厂电除尘器上的一个气力输灰系统。该系统有12个仓泵，2套空压机系统，一个灰库（含一台布袋除尘器）。在物理位置上，灰库距离中控室200米左右，其它的设备距离仅几十米。为此，配备了12个仓泵现场箱，1个空压机现场箱和1个灰库现场箱，并在中控室放置一台工业PC作为系统上位机，通讯电缆采用屏蔽双绞线。示意图如下：智能节点设计成模块,即由CPU模块,DI输入模块,DO输出模块,AI输入模块组成。不同的节点由CPU模块加上不同的接口模块组合而成。例如，仓泵节点由CPU模块加上一块DI模块和一块DO模块组成，而空压机节点则在仓泵节点的组合上再增加一块AI模块。采用模块设计的好处是灵活，无论节点的控制对象是什么，都可通过模块的组合来实现，大大降低了硬件开发的工作量。CPU模块采用DALLAS公司的高速微控制器DS80C320作为节点控制器。CAN芯片采用PHILLIP公司的SJA1000和PCA82C250。为保证各节点能够在工业现场可靠通讯，还采用了隔离技术，即在SJA1000和PCA82C250之间加一道光电隔离，并在CAN的物理接口装了浪涌保护器。实践证明这两条措施很重要，可以有效地保证CAN总线在恶劣的环境下正常工作。CAN总线的波特率设为50K，这样的速率完全可以满足本输灰系统的控制要求。其它模块也都是“智能”的，即各带一个PHILLIP公司的P87LPC764微处理器，完成各自的任务。各模块通过RS485相互连接，组成一个小的“分布系统”。此外，配备掌上终端作为各智能节点的人机交互设备。CPU模块上设有RS232串行通讯口供掌上终端连接。通过终端，可以现场设置，修改节点的配置（如波特率，仓泵编号等），及控制参数（如仓泵的运行时间，空压机的报警压力等），并可现场观察节点的运行状况。这为调试和故障处理带来了极大的方便，不必事事都跑到中控室去操作和观察。智能节点的软件编写采用C + RTOS + CAN LIB的模式。C指采用C语言编程，由于DS80C320和P87LPC764都为80C51派生微控制器，故采用的是C51语言。RTOS指实时多任务操作系统。随着技术的复杂化，微处理器的编程越来越多地采用实时多任务操作系统。把节点的应用程序挂在操作系统上，尽量利用操作系统提供的资源，不但可以提高编程效率，还能够改善软件质量。CAN LIB 指CAN库函数。CAN总线虽然性能超群，但编程却不是很简单，需要对CAN的通讯协议和硬件芯片有相当的了解，利用专业公司提供的CAN库函数不失为CAN总线应用的一条捷径。上位机选用研华公司的PC工控机和CAN适配卡。适配卡的型号为PCL-841，双端口，带隔离。人机界面采用亚控公司的组态王6.0编制。由于组态王6.0不支持PCL-841,我们用该公司提供的工具开发了一个DDE接口程序,通过它实现界面和CAN适配卡的数据交换。上位机的主要功能：l 各子系统的工艺界面，实时显示各种数据和状态l 各设备的细节界面，不但实时显示详细数据和状态，还能够对各设备进行设定和“软手动”l 实时数据曲线l 历史数据曲线l 语音报警和报警记录l 出料统计和定时打印各种报表l 网络监控，记录并显示CAN总线的状态总之，整个输灰系统的运行在上位机上一目了然，各种控制通过键盘，鼠标就可以完成，彻底摈弃了传统老套的模拟显示屏，大大提高了自动化水平。5. 结束语把CAN总线技术应用于气力输灰控制是一个很有意义的尝试。现场运行表明，基于CAN总线的分布式控制系统合理，可靠，节省投资，受到用户的认可和欢迎。在前面介绍的实例中。有个插曲，按最初的设计，该输灰系统只有4个仓泵，但当整个工程安装完毕，开始试车时，工艺却突然要求增加8个仓泵。为此，我们加