CAN总线网络及其在工程机械控制系统上的应用

CANCAN 总线网络及其在工程机械控制系统上的应用总线网络及其在工程机械控制系统上的应用 1 1 CANCAN 总线与总线与 CANopenCANopen 简介简介 CAN Controller Area Network 即控制器局域网络最初是由德国的 BOSCH 公司为汽车监测 控制系统 而设计的 现代汽车越来越多地采用电子装置控制 如发动机的定时 注油控制 刹车控制 ASC 及复杂 的抗锁定刹车系统 ABS 等 这些控制需要检测及交换大量数据 CAN 总线就是用来实现汽车内部控制系 统与各检测和执行机构间的数据通信 由于 CAN 总线本身的特点 其应用范围已不再局限于汽车行业 而 向纺织机械 机器人 数控机床 医疗机械 工程机械及传感器等领域发展 CAN 已被公认为最有前途的 现场总线之一 CAN 属于总线式串行通信网络 其技术规范包括 2 0A 和 2 0B 国际标准组织 1993 年正式颁布了 CAN 的国际标准 ISO11898 CAN 协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型 OSI Open System Interconnection 基础上的 OSI 把开放系统的通信功能划分为物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层 应用层等共 7 个层次 CAN 只使用 OSI 底层的物理层和数据链路层 CAN 信号传输介质 为双绞线 通信速率最高可达 1Mbps 40m 直接传输距离最远可达 10km 5kbps 可挂接设备数最多可达 110 个 CAN 的信号传输采用短帧结构 每一帧的有效字节数为 8 个 因而传输时间短 受干扰概率低 当节点有严重错误时 具有自动关闭功能 使总线上其他节点通信不受影响 CAN 的媒体访问机制是带有 优先级的 CSMA CD 载波监听多路访问 冲突检测 方式 而且其占线侦测是非破坏性的 因此 CAN 是一种 优先级抢占方式的实时网络 CAN 的基本协议只有物理层和数据链路层 没有应用层 为了便于面向用户层面的应用开发 不同的 行业组织相继在 CAN 的基础上制定了一系列具有应用层的通信协议 包括 J1939 SDS CAL 和 CANopen 等 等 CANopen 是用于自动控制工程的开放的 CAN 通信协议 由 CiA CAN in Automation 协会制定 该协议 使用 CAN 总线作为传输媒体并定义了应用层 CANopen 应用层定义的内容有 网络管理 对象目录 标识 符分配的缺省值 配置数据及过程数据的传输 网络监控和错误处理等等 这样在同一总线上所有不同种 类的 CANopen 设备只需要经过正确的通信配置 其变量和参数便可以通过对象目录进行传输 而用户无需 再开发专门的通信程序 正因为 CANopen 通过其应用层封装了 CAN 复杂的底层协议和操作 使用户的开发 精力直接面向应用项目本身 可以大大缩短开发周期 所以在工程领域 CANopen 已经得到越来越广泛的应 用 2 2 CANCAN 在工程机械控制系统上的应用在工程机械控制系统上的应用 工程机械控制系统的发展大体经历了机械控制 液压控制 模拟电路控制 数字电路控制 到当今的 数字网络控制 随着超大规模集成电路技术和网络技术的飞跃发展 以及新型传感器和电控发动机的广泛 应用 数字网络控制系统已经成为工程机械 尤其是大型和复杂工程机械的必需配置 CAN 以其高性能 高可靠性及其在汽车行业的成功应用 必然也成为工程机械控制系统的首选网络 当今国际著名的工程机械制造商都在其最新的产品上应用了 CAN 总线网络 其主要应用目的有 1 与电控发动机的 CAN 接口交换数据 实现节能控制与环保排放 并且可以监控发动机的运行参数和故障信 息 实现发动机仪表数字化 2 通过具有 CAN 接口的新型传感器采集数据 不仅可以减少接线 更可以 避免模拟信号传感器的干扰问题 提高数据采集的准确性和速度 3 多个控制器及显示单元之间相互交 换数据 使得控制系统的配置和安装都更加灵活 4 与具有 CAN 接口的 GSM GPS 通讯装置连接 实现工 程车辆的远程机群控制 故障诊断和管理功能 5 与具有 CAN 接口的遥控系统联网 实现工程机械的遥 控操作或无人驾驶 CAN 总线网络在工程机械上的应用关键是要选择合适的控制器 工程机械工作环境恶劣 而对控制器 的可靠性要求又很高 用普通工业 PLC 是肯定不能胜任的 而必须使用针对工程机械开发的专用控制器 自行设计制造控制器不仅开发周期长 开发成本高 而且也不符合现代工业专业化分工的规律 因此国际 上大的工程机械制造商在应用 CAN 作为控制系统时都采用外购电子公司生产的控制器硬件 而自己开发应 用程序进行集成的模式 在生产控制器硬件的公司中 德国 Inter Control 公司是最为著名的一家 该公司长期和 Wirtgen 集团等 世界著名的工程机械制造商合作 是专业为工程机械设计 制造各类集成电子控制系统的高科技公司 其 产品种类齐全 集成度高 在系统组成时具有非常大的灵活性 既可以组成小规模的集中控制网络 也可 以实现大规模的分布式控制网络 可以对常规的 I O 实施控制 更擅长对各种电液伺服元件和电液比例元 件进行直接驱动与控制 特别设计的宽电源范围供电 IP66 的防护等级 适合在各种野外恶劣环境条件 下的使用 既能组成经济型的简单控制系统 更可以实现各类复杂的闭环控制 遥控控制 基于 GSM 网络 的远程数据传递 GPS 全球卫星定位等最新的现代控制技术 Inter Control 公司的 CAN 总线系列控制器称为 Compact 该系列产品是由密封在相同外观尺寸铸铝 盒子里的一组控制单元和输入输出单元组成 包括 控制单元 DIGSY compact 控制单元 DIGSY compact 控制单元 DIGSY compact 液压单元 CAN node Hydraulics 模拟量单元 CAN node Analog 数字量单元 CAN node Digital 电控发动机总线转换单元 CAN Gateway J1939 等等 所有以上 的控制与 I O 单元和显示装置 CGM Cockpit Graphic Monitor 及各类 CAN 总线传感器均遵循 CANopen 通讯协议 通过 CAN Bus 组成一个控制网络 这样 可以大大简化整个控制系统的接线 容易维修 降低 故障率 并且具备非常好的可扩展性 主控制器 DIGSY compact 使用 PROSYD1131 进行编程 PROSYD1131 是标准的 Windows 应用程序 支持梯形图 功能图 顺序逻辑语言 结构文本 指令表等 IEC 1131 3 标准定义的所有编程方式 用 户可根据系统特点和编程习惯自由选择 DIGSY compact 带有一个 RS 232 接口供用户编程时使用 还有 两个 CAN Bus 接口供控制系统组网 DIGSY compact 自带数字量 脉冲量 模拟量和 PWM 等常用控制信号 的输入输出功能 尤其是其 PWM 输出通道和液压卡一样可以直接驱动比例阀 用户可以对每一个通道分别 设定 PWM 频率 电流反馈控制 PID 参数 线圈电流特征曲线 斜坡时间 颤振幅值等电液控制特有的参数 值 正是因为 DIGSY compact 具备如此强大的控制和输入输出功能 在不需要显示的情况下 一台单独的 DIGSY compact 经常就能完成全部的控制任务 这是一种非常经济而又功能强大的控制方案 DIGSY compact 输入输出功能表 型号名称数量备注 数字量输入18 路 24V DC 模拟量输入8 路0 10V 或 0 20mA 频率输入8 路频率上限 30KHz 数字量输出8 路24V DC 1 5A 带短路保护 模拟电流输出4 路 0 20mA PWM 输出8 路24V DC 1 5A 带短路保护 数字量输入10 路 24V DC 模拟量输入4 路0 10V 或 0 20mA 频率输入2 路频率上限 30KHz PWM 输出8 路24V DC 1 5A 带短路保护 数字量输入20 路 24V DC 模拟量输入8 路0 10V 或 0 20mA 频率输入4 路频率上限 30KHz PWM 输出16 路24V DC 1 5A 带短路保护 3 3 应用实例应用实例 基于 Inter Control 集成电子控制系统的 CAN 总线网络已经在西安宏大公司生产的 CM1900 CM1200 和陕西建设机械集团生产的 CM2000 型路面冷铣刨机上成功应用 该系列铣刨机选用 Digsy Compact 一 台作为主控制器 选用其人机接口装置 CGC 一台作为驾驶台上的主操作台 图形显示装置 CGM 二台作为安 装在机器两侧的辅助操作台作为铣刨深度设定仪 以上控制单元通过 CAN 总线集成为铣刨机的控制网络 而且控制网络具有很好的扩展性 在用户需求的情况下 通过 CAN 总线可以增加 HBC 公司的工业无线遥控 系统使铣刨机具备遥控功能 也可以增加 Inter Control 公司专为野外车辆研制的远程数传递系统 Digsy ServiceLink 该装置具备基于 GSM 移动电话网络的无线通信功能 可以在 GSM 网络覆盖的所有地方进行 实时通信 实现远程故障诊断和技术支持 Digsy ServiceLink 同时具有 GPS 功能 配合电子地图可以进 行精确的定位管理 西安宏大交通科技有限公司还正采用 Inter Control 的 CAN 总线系列产品为我国首台 摊铺宽达 10 5 米的 HTH9000 型滑模式水泥混凝土摊铺机控制系统进行升级改造 西安宏大交通科技有限公司积极致力于在中国工程机械行业推动 CAN 总线控制网络这一国际先进技术 的应用 正在实施或设计中的项目有 1 沥青混凝土摊铺机控制系统的升级 国内现有的沥青摊铺机行 走控制大多采用 Rexroth 公司的 MC6 等专为车辆行走设计的控制器 找平则采用 MOBA 公司等专门设计的 找平控制系统 布料 送料 振捣等其他机构的控制还要再另外自制一套控制柜 因为这三部份相互隔离 不能交换信息使得机器难以形成一个有机整体 也不具备故障自诊断和报警功能 升级方案为选用 Digsy Compact 一台作为主控制器 CGC 一台作为人机接口装置 通过 CAN 总线把前述的行走 找平和其他控 制集成在同一个控制网络里 不仅所有的信息可以集中处理 具备友好的人机界面及故障诊断功能 而且 用户可以自行开发应用程序 Inter Control 及代理商为软件开发提供全面的技术支持 使系统应用具有 非常好的灵活性 由于采用一套新的控制系统取代了原来三部份独立的控制装置 在全面提升机器性能和 档次同时 成本却反而降低了 2 铁路道叉铺设机 道叉铺设机是铁道部为替代进口而进行研制的专用 设备 该机户外使用工况条件恶劣 为了工人的健康要求具备遥控功能 选用 Digsy Compact 一台作为 主控制器 DIGSY compact 一台作为扩展控制器 通过 CAN 总线将 HBC 公司的工业遥控系统集成到控制 网络 本系统的可靠性 稳定性及遥控功能已完全达到进口设备的水平 3 新型水泥混凝土泵车 为了 在隧道等特殊场地施工 新型水泥混凝土泵车的臂架设计成折伞式 要求准确控制其展开形状及浇注位置 在每一节臂架的控制油缸里均安装直线位移传感器 由于传感器数量众多且传输距离长 所以选用带有 CAN 接口的传感器 以减少接线和保证信号质量 传感器和控制器 Digsy Compact 人机接口装置 CGC 遥控装置通过 CAN 总线集成为控制网络 操作者通过 CGC 设定控制结构参数及控制模式 控制器接 受遥控装置的操作指令并按照一定的数学模型 根据各个传感器反馈回的位置信息 经过分析运算 向各