第7章 基于iCAN网络的分布式控制系统

1、第7章 基于iCAN网络的分布式控制系统由于CAN-bus总线的高可靠性，实时性，使其在工业控制领域获得了广泛的应用知识回顾：什么是CANvCAN 全称为Controller Area Network 即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一；v最初CAN 被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU 之间交换信息，形成汽车电子控制网络；v一个由CAN 总线构成的单一网络中理论上可以挂接无数个节点，实际应用中节点数目受网络硬件的电气特性所限制。例如当使用Philips P82C250 作为CAN 收发器时同一网络中允许挂接110 个节点；vCAN 可提供高达1Mbit

2、/s 的数据传输速率这使实时控制变得非常容易，另外硬件的错误检定特性也增强了CAN 的抗电磁干扰能力。vCAN是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10Km时，CAN 仍可提供高达50Kbit/s的数据传输速率。v由于CAN总线具有很高的实时性能，因此，CAN已经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。 知识回顾：CAN总线的主要特点v它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆和光纤，通信距离最远可达10km（5kb/s），最高速率可达1Mb/s（40m).vCAN总线通信接口中

3、集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。vCAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义211或229个不同的数据块，让各节点通过滤波的方法分别接收指定标识码的数据。这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。v数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8个字节

4、不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。在每帧中都有CRC校验及其它检错措施，保证了数据通信的可靠性。vCAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。v网络上的节点可以定义成不同的优先级，利用接口电路中线与功能，巧妙地实现无破坏性的基于优先权的仲裁v网络上的节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能知识回顾： CAN 通讯协议vCAN 通讯协议主要描述设备之间的信息传递方式，CAN 层的定义与开放系统互连模型OSI 一致。每一层与另一设

5、备上相同的那一层通讯实际的通讯发生在每一设备上相邻的两层，而设备只通过模型物理层的物理介质互连。vCAN总线也是建立在ISO参考模型基础上的，不过只采用了其中最关键的两层，即物理层和数据链路层v应用层协议可以由CAN 用户定义成适合特别工业领域的任何方案。已在工业控制和制造业领域得到广泛应用的标准是DeviceNet。v物理层的主要内容是规定通信介质的机械、电气、功能和规程特性 v数据链路层的主要功能是将要发送的数据进行包装，即加上差错校验位、数据链路协议的控制信息、头尾标记等附加信息组成数据帧，从物理信道上发送出去，在接收道数据帧后，再把附加信息去掉，得到通信数据 媒体访问控制子层MAC：传

6、输规则 逻辑控制子层LLC：报文的滤波和报文的处理vCAN总线的物理层和数据链路层的功能在CAN控制器中完成知识回顾v实验开发包括的实验设备有：USBCAN 接口卡，CAN-bus 分析仪，iCAN 模块，传感器，传动控制系统等；利用配套的iCAN 模块可以在此平台上实现开关量控制、LED 亮、灭控制、电机起、停控制、电机转速控制、电机转向控制、模拟量输入、输出控制及光电开关检测等实验。知识回顾viCANiCAN功能模块简介功能模块简介 iCAN 系列功能模块采用CAN-bus 通讯接口，iCAN 系列I/O 模块符合CAN2.0B 协议规范。根据模块输入信号种类的不同，iCAN 功能模块分为

7、数字量输入、数字量输出、模拟量输入、模拟量输出、计数器/频率以及PWM 输出等模块。以下为iCAN 功能模块型号列表：v表1 iCAN 功能模块型号列表 回顾：电机速度调节、方向控制及转速测量实验v实验目的：掌握iCAN4400 模拟量输出功能，掌握iCAN2404 继电器输出功能，掌握iCAN7408 计数功能。v实验设备及器件：PC 机 一台；iCAN 实验教学平台 一台v实验内容：利用iCAN4400 输出电压变化，改变电机转速；电机的起、停控制由iCAN2404 功能模块完成；利用iCAN7408 功能模块用来计算电机转动的圈数（转一圈产生4 个脉冲）。回顾：传动系统控制实验v实验目的

8、：掌握iCAN4050 输入、输出控制原理及应用。v实验设备及器件：PC 机 一台；iCAN 实验教学开发平台 一台v实验内容：能够利用iCAN4050 模块检测光电开关的信号及步进电机的起、停和方向控制。该实验主要利用iCAN4050 模块控制传动系统的运动方向及起、停控制。7.1 控制系统组成v对某一控制对象的位移，速度等连续变化的物理量实现保持或趋近一定值（目标值）的控制称为反馈控制。而对多个操作实现启动，停止的控制称为顺序控制。在iCAN网络的分布式控制系统中，比如LED亮，灭控制，电机起停控制，开关控制等属于顺序控制；如对位置定位的控制等属于反馈控制。7.1.1 顺序控制系统框图v如

9、图7.1所示为顺序控制系统框图。系统所发出的指令几乎都是启动某项作业的命令。控制装置按预先规定的指令执行顺序向各执行装置发出相应的控制命令后，执行装置控制被控对象执行相应操作。7.1.2 反馈控制系统框图v如图7.2所示，当通过控制指令信号给出控制值时，控制装置将产生执行控制量。这种控制量输入到执行装置就可以产生对被控制对象的控制输出。被控制对象的变化直接由检测装置检测出来，反馈到控制装置上，再由控制装置执行相应的动作控制。7.2 基于iCAN协议的传动控制系统组成v7.2.1 7.2.1 传动系统结构传动系统结构 如图7.3所示的是由电机和进给丝杠组成的位置控制机构的实例。首先，将由位置传感

10、器检测的信号传送给控制装置，在控制装置中产生作为执行控制量的速度指令。驱动器接收到速度指令后，经过放大处理供给电机能量，驱动电机开始旋转，通过与电机相连的进给丝杠带动工作台开始移动。在工作台移动的过程中，安装在工作台上的位移传感器就可以检测出工作台的移动位置，并反馈给控制装置。比如当工作台的位置超过了指定位置，就要产生反方向的运动。7.2.2 使用直流电机构成的传动系统v如图所示，利用iCAN-2404及iCAN-4050模块组成了一个简单的传动系统CANBUS网络示例。该系统是基于PC的简单的分步控制，集中管理系统（FCS）。PC机通过一块CAN接口卡连接到CAN总线上作为主站控制，其中iC

11、AN-2404用于控制电机的起、停及正反转；iCAN-4050模块用于检测光电开关的输出信号，作为电机正反转的控制。v如图7.5所示，利用iCAN-4400及iCAN-7408模块组成了一个简单的传动系统CANBUS网络。该系统是基于PC的简单的分布控制、集中管理系统（FCS）。PC机通过一块CAN接口卡连接到CAN总线上作为主站控制，其中iCAN-4400用于控制电机的转速；iCAN-7408模块用于检测光电开关的输出信号，从而计算出电机的转速，将此信号作为反馈信号来控制电机转速及转角度。直流电机传动系统控制方向工作原理v如图7.6所示为传动系统控制方向工作原理框图。其中iCAN-2404模

12、块用于控制电机起、停及正反转，当主站发送控制起、停命令，iCAN-2404模块控制电机开始转动，带动丝杠转动，从而控制工作台的移动。当工作台移动到指定位置时，由光电检测开关检测来实现位置的控制。光电开关信号由iCAN-4050模块检测，并定时传送给主站。设定光电开关断开时，工作台达到指定目的地；当光电开关导通时，工作台未达到指定位置。利用光电开关检测位置信号传送给主站，当主站检测发现工作台到位时，立刻发送命令给iCAN-2404，利用iCAN-2404模块控制电机的正反转，从而实现简单的运动方向的控制。直流电机传动系统控制转速工作原理v如图7.7所示为传动系统控制转速工作原理框图。其中iCAN

13、-4400模块用于控制电机转速，当主站发送控制转速命令，iCAN-4400模块控制电压输出大小，由电机的转动带动丝杠转动，从而控制工作台的移动。通过计数器模块iCAN-7408可以计算出电机的转速和转角度，iCAN-7408模块会将采集的数据定时传送给主站，主站根据实际需要控制电机的转速从而控制工作台的移动速度，控制电机的转角度可以控制工作台移动的距离。从而实现了简单的速度和位移控制。利用iCAN-2404模块控制直流电机正反转viCAN-2404模块具有4路开关型输出通道。选择双电源控制方式来控制电机正反转，利用iCAN-2404模块中的两路输出通道构成两组开关电路。如图7.12所示，利用i

14、CAN-2404模块的通道0、通道1作为两组切换开关控制电机转动的方向。当通道0导通，通道1关闭时，Q1导通，Q2截止，电机正转；当通道0关闭，通道1导通时，Q1截止，Q2导通，电机反转；当通道0，1都关闭时，电机停止运转。由于电机的转动带动工作台的移动，控制电机的转向即可控制工作台的移动方向。利用iCAN4400模块控制电机转速viCAN4400模块具有4路模拟量输出控制模块，可以输出1-5v左右的电压或4-20mA电流，由于模块本身的特性，输出功率很小，不能够直接驱动外部设备，因此需要在模块与控制设备之间加隔离、放大等处理，如图7.27所示。改变iCAN-4400模块的通道输出值，可以改变

15、流过电机电流的大小，从而控制电机转速。利用iCAN模块控制直流电机起停示例viCAN-2404模块为4路继电器输出模块，本例中利用其中一路输出通道控制另一个继电器。利用小继电器控制大继电器，可获得更大的电流，可以驱动更大的电机。如图7.33所示。7.2.3 步进电机传动系统iCAN网络的构成v与直流电机相比，步进电机的效率较低，但是借助于iCAN模块或振荡电路可以对步进电机进行简便的位置和速度控制。如图7.36所示，利用iCAN-2404模块控制步进电机的起、停及正、反转控制，iCAN-8440模块控制电机转速，iCAN-4050模块用来检测工作台的位置，iCAN-7408模块检测步进电机转速

16、。在这个简单传动系统中就既可以控制步进电机的转速又可以控制步进电机的位置及位移，达到位置、位移和速度同时监控的效果。步进电机传动系统工作原理v如图7.37所示为传动系统控制方向速度及位移工作原理图。其中iCAN-8440输出PWM脉冲信号，iCAN-2404模块输出开关量信号，由这两个模块组成在一起可以为不仅电机提供驱动脉冲信号及正反转信号。当主站发送启动电机的命令，即可控制电机转动从而控制工作台的移动。在移动过程中，当工作台到达指定位置时，iCAN-4050模块检测到位信号并将此信号传送给主站，主站接收到此信号时，即可向iCAN-2404模块发送开关切换命令来控制电机的转向。通过在步进电机上

17、安装光电开关，利用iCAN-7408模块来检测步进电机的转速，将这个信号反馈给主站，由主站控制iCAN-8440输出的驱动脉冲，从而控制工作台的移动速度和移动距离。7.3 环境监测系统v环境监测系统用于检测温度、湿度等参数，并在环境参数超过一定范围时作出适时反应。环境监测系统一般由环境检测系统、环境参数控制、数据传输网络和数据处理系统组成，如图7.38所示，这是一种典型的分布控制，集中管理系统。v环境参数检测系统负责获取环境参数，如温度、湿度等，并将当前的环境参数通过数据网络传送到主控系统以作进一步处理。v环境参数控制系统接收主控系统的命令，根据主控命令来控制设备的起停，例如在检测到环境温度过

18、低时，启动加热设备；环境湿度过低时，启动加湿设备；检测到可燃气体浓度超标时，启动报警装置。v数据传输网络是系统的核心，负责完成主控系统与环境参数检测系统和环境参数控制系统的数据交换。v主控系统处理来自环境监测系统的环境参数，并根据一定的策略通过环境控制系统对环境参数的改变作出反应。7.3.1 基于iCAN网络的环境监测系统v基于iCAN网络的环境监测系统结构如图7.39所示。本系统使用现场总线CAN-bus作为数据传输网络，使用iCAN系统功能模块完成环境参数检测与控制。主控系统由CAN-bus接口卡和PC构成，CAN-bus接口卡负责从CAN-bus网络中收发数据，PC机与模块之间使用iCA

19、N协议进行通信，PC端的数据处理可以由组态软件实现，也可调用iCAN库编程实现。v对于温度的检测，由使用的温度传感器的不同可选择热电阻工模块iCAN-5303或热电偶功能模块iCAN-6202.v常用湿度模块和气体模块输出模拟量信号，可以使用模拟量输入模块iCAN-4017。v对于环境参数控制，根据受控设备的控制方式，可以选择数字量输出模块iCAN-4050、继电器输出模块iCAN-2404和模拟量输出模块iCAN-4400.7.4 iCAN7.4 iCAN网络与以太网的互联网络与以太网的互联v以太网技术经过多年的发展，技术已经非常成熟，成本也大大降低。由于以太网具有应用广泛、价格低廉、通信速

20、率高、软硬件产品丰富、应用支持技术成熟等优点，目前它已经在工业控制系统中的资源管理层、执行制造层得到了广泛的应用，并有向低层控制器网络发展的趋势。v工业控制网络作为工业企业综合自动化系统的基础，从结构上看可分为三个层次，如图7.63所示。管理公司的战略性功能在“公司控制层”执行，要用于企业的计划、销售、库存、财务、人事以及企业的经营管理等方面信息的传输。公司分层的计划和管理由 “生产控制层”执行。在“过程控制层”中，生产命令被转换为相应的工艺过程，而工厂更大的生产线通过这一层中的控制系统进行控制和监视（制造单元、过程主机控制单元）。v以太网在工业控制系统中的应用，尤其是向底层设备网络的延伸，最

21、大的优势是能够将现场的仪表、设备无缝的链接到企业的管理层，组成更加灵活的透明度更高的工业控制网络系统。iCAN网络可以通过CANNET-E设备直接连到以太网，通过以太网进行远程的监控和管理，使底层的I/O设备与上层网络的连接更加紧凑。如图7.64所示。v在灯光控制场合（如图7.65所示），在现场通过iCAN功能模块实现灯的监控：灯的开关，现场光强、温度以及电流信号的检测，并对现场开关进行检测。在远端工作站通过以太网实现对于现场灯光系统的远程监控：实时了解灯的运行状态。由于以太网和CAN总线的应用，使灯光系统远程监控实现方便，系统的开发更为快捷，并具有良好的可靠性。7.5 iCAN网络在工程机械中的应用v在工程机械的控制系统中，计算机技术、网络通讯等技术的应用日趋广泛。以往工程机械的控制系统多采用集中控制方式，虽然提高了系统的智能化和信息化水平，但是系统的连线复杂，对于系统的维护、故障的诊断也提出了较高的要求。因此在工程机械的控制系统中，如何降低系统应用的成本，提高系统应用的灵活性和可靠性是一个亟待解决的问题。CAN总线技术在工程机械控制系统中的应用，较好的解决了上述的问题。采用分布式的控制系统取代原有的集中式控制系统。各种控