基于CAN總線和Internet的分布式網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)

1 引言
煉鋼及冶金企業(yè)是國家宏觀經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)，同時也是電耗大戶，節(jié)能潛力不容忽視。目前，雖然多數(shù)煉鋼及冶金企業(yè)都采用數(shù)字電表，但仍采用人工手抄的方式，對用電情況缺少實時監(jiān)測和控制能力，能源監(jiān)管問題突出。因此，實現(xiàn)電能的自動計量、采集及網(wǎng)絡化管理，是煉鋼及冶金企業(yè)的必由之路。
can總線比之rs-485，具有實時性、可靠性高，安全性強等優(yōu)越性；與其他現(xiàn)場總線相比，can總線具有突出的可靠性、實時性和靈活性。本文運用can總線實現(xiàn)數(shù)字電表的實時數(shù)據(jù)采集，并通過internet將數(shù)據(jù)進行網(wǎng)絡化管理，以實現(xiàn)煉鋼及冶金企業(yè)節(jié)能增效的目的。

2 系統(tǒng)總體設計
系統(tǒng)總體結構如圖1所示。系統(tǒng)主服務器裝有oracle數(shù)據(jù)庫，用于存儲來自工業(yè)現(xiàn)場各節(jié)點的數(shù)據(jù)。區(qū)域上位機裝有access數(shù)據(jù)庫，可暫時對數(shù)據(jù)進行存儲備份，數(shù)據(jù)庫定期清空。從分布工業(yè)現(xiàn)場的各數(shù)據(jù)采集節(jié)點（即數(shù)字電表）采集到的數(shù)字數(shù)據(jù)，經(jīng)過can總線傳到區(qū)域上位機，再由上位機通過internet傳到系統(tǒng)主服務器。在系統(tǒng)服務器上對采集到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析，運用相應算法得到處理結果。然后通過internet將控制命令傳到各相應區(qū)域上位機，上位機再通過can總線將數(shù)據(jù)傳到各控制節(jié)點。在整個現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡系統(tǒng)中，現(xiàn)場智能設備層是整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的核心，只有確?？偩€設備之間可靠、準確、完整的數(shù)據(jù)傳輸，上層網(wǎng)絡才能獲取信息以實現(xiàn)其監(jiān)控功能。因此，本文主要介紹現(xiàn)場設備間的通信與控制。

3 基于can總線的分布式監(jiān)控系統(tǒng)
3.1 can總線簡介
can 總線是德國bosch 公司為解決現(xiàn)代車輛中的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種數(shù)據(jù)通信協(xié)議標準。can 總線遵從iso/osi 模型，分為3 層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層與應用層。can通信介質可為雙絞線、同軸電纜或光纖，通過標準接插件可方便的連接，傳輸速率可達1mbps（通信距離<40m）， 直接傳輸距離最遠可達10km（通信速率<5kbps），同一段總線內最多可接110個設備。目前，can是唯一取得國際標準的現(xiàn)場總線。
3.2 can節(jié)點的劃分
每個can總線分系統(tǒng)采用一主多從分布式結構。主節(jié)點為can網(wǎng)關，從節(jié)點分數(shù)據(jù)采集節(jié)點和控制節(jié)點兩種。can網(wǎng)關用于完成can總線與上位機pc之間通信；數(shù)據(jù)采集節(jié)點用于采集現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，主要有：a相電壓、b相電壓、c相電壓、a相電流、b相電流、c相電流、頻率、功率因數(shù)、無功功率、有功功率以及采集時間等；控制節(jié)點主要完成上位機傳遞的控制命令。由分布廠區(qū)的各數(shù)據(jù)采集節(jié)點和控制節(jié)點組成分布式監(jiān)控系統(tǒng)，通過can網(wǎng)關與上位機通信，上位機通過internet與系統(tǒng)主服務器聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集、信息處理和網(wǎng)絡化控制。圖2是一個can總線分系統(tǒng)的硬件節(jié)點圖。

3.3 can通信協(xié)議的制定
在can分系統(tǒng)里，報文結構采用can 2.0b協(xié)議的標準幀結構。數(shù)據(jù)幀由7個不同的位場組成：幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、crc場、應答場、幀結尾。其中，仲裁場由11位標識符（id28～id18）和rtr位組成，依次從id28～id18發(fā)送，并且高7位（id28～id22）不能全是“隱性”。
根據(jù)can總線逐位仲裁原理和分布式監(jiān)控系統(tǒng)各部分的特點，將仲裁場的11位標識符作以下設計。
（1） id28～id26定義為優(yōu)先級?？梢?guī)定0～7個級別，具有最高優(yōu)先權的節(jié)點首先發(fā)送數(shù)據(jù)。當相同優(yōu)先級別的報文同時發(fā)送時，繼續(xù)在仲裁域內往后進行逐位仲裁，直至有節(jié)點勝出為止。
（2） id25～id24規(guī)定為高低速can的標識。用來區(qū)分高速與低速can報文。其中00 表示高速，01表示低速。
（3） id23～id18用于節(jié)點信號的分類，可留做具體組網(wǎng)時進行分配。

4 系統(tǒng)硬件設計
4.1 can總線節(jié)點硬件電路設計
can總線硬件節(jié)點分主節(jié)點與從節(jié)點兩種。主節(jié)點為can網(wǎng)關，從節(jié)點分數(shù)據(jù)采集節(jié)點和控制節(jié)點兩種。由于can網(wǎng)關的數(shù)據(jù)處理量相對較大，采用ti公司內置can驅動器的dsp處理器tms320lf2407。數(shù)據(jù)采集節(jié)點和控制節(jié)點只需采集和處理與本節(jié)點相關的信息，故采用microchip公司的單片機pic16f876和can控制器mcp2510。pic單片機處理速度快，成本低，且具有極強的抗干擾能力，適合用在工業(yè)現(xiàn)場做數(shù)據(jù)采集和控制。主從節(jié)點硬件電路原理圖如圖3和圖4所示。

4.2 internet通信網(wǎng)絡設計
internet節(jié)點使用普通的工控機，工控機可通過以太網(wǎng)卡與其它上位機和系統(tǒng)服務器進行通信，在此不做詳細介紹。

5 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件分為主程序、數(shù)據(jù)采集和處理、輸出控制和顯示、can總線通信等程序。數(shù)據(jù)采集又分為開關量掃描、模擬量采集、脈沖量采集等程序。can總線通信程序包括can初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收等。
5.1 can節(jié)點主程序
系統(tǒng)主程序主要包括微處理器初始化，can控制器初始化，數(shù)據(jù)的采集與處理和輸出控制和顯示等部分。系統(tǒng)主程序流程圖見圖5。

5.2 can總線通信程序
can總線通信程序包括can初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收等。
初始化can控制器的操作包括: 硬件使能、軟件復位、設置報警界限、設置總線波特率、設置中斷工作方式、設置驗收濾波器工作方式、設置工作模式并啟動can等。在初始化過程中要注意數(shù)據(jù)發(fā)送設備和數(shù)據(jù)接收設備的波特率應相同，否則設備之間無法進行通信。
can初始化完成后，進入數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送階段。為保證發(fā)送數(shù)據(jù)的完整性,采用查詢方式發(fā)送數(shù)據(jù)；同時為保證接收數(shù)據(jù)的實時性,采用中斷方式接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送和接收流程圖如圖6所示。

發(fā)送數(shù)據(jù)時，將待發(fā)送的數(shù)據(jù)打包成符合can協(xié)議的幀格式后寫入發(fā)送緩沖區(qū)，并自動發(fā)送。在寫發(fā)送緩沖區(qū)前必須查詢其狀態(tài)，只有在有空閑的發(fā)送緩沖區(qū)時才將數(shù)據(jù)寫入。啟動發(fā)送成功后，通過查詢can狀態(tài)寄存器或配置發(fā)送成功中斷來判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功。
采用中斷方式接收數(shù)據(jù)，在初始化程序中必須使能接收中斷。在中斷服務子程序中，讀取can中斷允許寄存器，判斷是否有接收中斷標志，有則讀取接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。為防止接收緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)溢出，可開辟一個循環(huán)接收數(shù)據(jù)隊列來暫時存儲數(shù)據(jù)，主程序則通過查詢該隊列來獲得總線數(shù)據(jù)。

6 測試結果
系統(tǒng)安裝調試后，經(jīng)過一段時間的運行，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，無異常現(xiàn)象。圖7是系統(tǒng)主服務器接收到的數(shù)據(jù)，其中ady表示a相電壓，adl表示a相電流，plv表示頻率，wg表示無功功率，yg表示有功功率，cjsj表示采集時間。

7 結束語
本文采用can總線傳輸技術解決鞍鋼集團大孤山選礦廠數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)各部件之間的信號傳輸問題。基于can總線的采礦廠數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)簡化了系統(tǒng)的傳輸線束，同時大大的提高了系統(tǒng)的可靠性和傳輸響應的實時性，也為企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能降耗、成本核算、過程優(yōu)化以及建立mes信息管理系統(tǒng)奠定了物理基礎。
參考文獻（略）