摘要：介紹了基于CAN總線的分布式鋁電解控制系統的設計和實現方法，給出了CAN總線的硬件接口電路設計和槽控機邏輯電路結構圖。
實時性差等問題，需要對鋁電解槽實施分布式控制方案。現在分布式控制已成為鋁行業計算機控制系統的發展趨勢。為此，本文介紹鋁行業比較先進的基于CAN總線的分布式鋁電解控制系統。
1 鋁電解生產工藝控制要求
鋁電解生產系列是由多臺串聯式直流鋁電解槽組成。計算機數據采集信號為每臺電解槽槽電壓和系列電流，對電解槽的監控主要是槽電壓和氧化鋁濃度。槽電壓控制是采用帶電流補償的槽電阻數學模型控制算法，即調節槽電壓，主要控制槽內的能量平衡；對于氧化鋁濃度的控制，由于該濃度無法直接測定而無法建立精確的數學模型。但是它和槽電阻的變化有一定的對應關系，為此采用模糊控制算法控制氧化鋁濃度，即打殼下料，主要控制槽內的物料平衡。
2 CAN總線簡述
CAN總線即控制器局域網絡，是由德國Bosch公司為汽車的監測和控制系統而設計的總線式串行通訊網絡，適用于工業過程控制主設備和監控設備之間的互聯。CAN可以多主方式工作，網絡上任意節點均可主動向其它節點發送信息；網絡節點可按系統實時性要求分成不同的優先級，一旦發生總線沖突，會減少總線仲裁時間。CAN采用短幀結構，每一幀為8個字節，保證了數據的出錯率極低，被公認為最有發展前途的現場總線之一。其傳輸介質可用雙絞線、同軸電纜或光纖，通訊速率最高達1Mbps，傳輸距離可達10km。
3 系統結構
本系統由智能槽控機、監控計算機和CAN總線三部分構成。其中智能槽控機是直接而向生產過程的，主要功能是采集和控制現場數據。其數據交換是通過CAN總線網絡送到監控計算機，監控計算機由一臺工業控制PC機構成，主要功能是對現場槽控機參數進行設置；通過現場總線網絡時獲取現場槽控機的數據；監測系統異常和完成報表輸出等功能。CAN總線部分主要由智能（CAN-PC總線適配卡PC CAN、通訊介質以及相應通訊軟件組成。CAN接口卡是具有高性能價格比的智能通訊適配卡PCCAN，它使監控計算機方便地連接到CAN總線上。PCCAN上高懷能的嵌入式微處理器80C188（12MHz）極大地減輕了主機PC的負擔，而且可以完成用戶復雜的通訊任務。卡上有1KB或2KB高速雙口RAM，直接映射到主機內存空間，實現CAN與主機PC的高速數據交換。PCCAN上帶有光電隔離，使其避免由于地環流而導致損壞，增強系統在惡劣環境中使用的可靠性。PCCAN上帶有可配置的Hilon協議及DOS、Windows驅動程序。
該系統采用的傳輸介質為雙絞線，負載連接在CAN-H和CAN-L之間，終端匹配阻抗的值應該等于信號線的特性阻抗值（約120）。如果電阻不匹配，有可能降低數據的有效傳輸。
3.1 智能槽控機的設計
槽控機以LG公司的GMS90C32單片機為核心而設計。該單片機為90年代產品，與Intel MCS-51系列單片同兼容。每臺槽控機由兩上機箱組成，分別為動力箱和邏輯箱。動力箱主要由常規控制電路和信號采集板組成，是槽控機的供電部分和控制執行機構。邏輯箱是槽控機的核心部分，其本質是一臺功能復雜的專用計算機。它主要由5塊均帶CPU的功能相對獨立的智能模擬組成。通過CAN總線聯接起來組成先進的多CPU網絡體系。內、外數據交換均基于CAN總線。各模板功能如下：
主板：主要對過程控制進行解析
采樣模塊：主要完成槽電壓、系列電流的采樣
通訊模板；實現與上位機的數據交換
操作模板：完成所有輸入/輸出操作
顯示模板：接受觸模開關的輸入信號，輸出運行信息
采用軟件模擬方式完成原來靠硬件電路實現的組合邏輯關系。其輸入手動信號采用無機械觸點和機械運動的觸摸式開關。
3.2 智能模板接口電路的設計
上述5塊智能模板，除通信模塊需增加CAN收發器（型號PCA82C250）以及其它模板有一些常規電路外，其核心主要由5部分組成。GMS90C32為單片機，屬總線型結構，可以根據應用需要擴展不同功能。X25045為監測電路，它根據應用需要擴展不同功能。X25045為監測電路，它把常用的三種功能即看門狗定時器、電壓監控和EEPROM組合在單個封裝之內。這種組合降低了系統成本并減小了電路板面積。看門狗定時器對單片機提供保護作用。當系統出現故障時，在選定的超時時間之后，X25045的看門狗將以RESET信號做出響應。利用X25045低Vcc檢測電路，可以保護系統使之免受低電壓的影響。當Vcc降到最小Vcc轉換點以下時，系統復位。復位一直到Vcc返回規定值穩定為止。X25045的存儲器是CMOS的4K位EEPROM。PSD311為可編程單片機通用外圍接口芯片，該芯片將EPROM、RAM、PAD、地址鎖存器和I/O口集成在單一的芯片上中，取代了傳統的分散器件，使設計者不再考慮由離散器件構成所需的存儲器譯碼電路、端口和地址鎖存器。SJA1000為CAN通信控制器，是CAN總線接口電路的核心，主要完成CAN的通訊協議。SJA1000的復位/RST和中斷/INT分別由CMS90C32的P13、/INT0引腳控制；與CAN總線接口主要由TX0和RX0引腳實現；片選信號/CS由PSD311 PC0口控制。PCA82C250為CAN收發器，主要功能是提高CAN總線的保護和驅動功能；TXD和RXD引腳分別用于發送和接收信號。
3.3 CAN通訊軟件設計
CAN設計的三層結構模型為：物理層、數據鏈路層和應用層。網絡物理層和數據鏈數層的功能由CAN接口器件完成，包括硬件電路和通訊協議兩部分。CAN通訊協議規定了四種不同用處的網絡通訊幀，即數據幀、遠程幀、錯誤指示幀和超載幀。CAN通訊協議的實現，包括各種通訊幀的組織和發送，均是由集成在SJA1000通訊控制器中的電路實現的，因此系統的開發主要在應用層軟件的設計上。應用層軟件的核心部分是CPU與SJA1000通訊控制器之間的數據接收和發送程序，即CPU把待發的數據發給SJA1000通訊控制器，再由SJA1000通訊控制器發到總線上；當SJA1000通訊控制器從總線接收到數據后，CPU再把數據取走。首先，應對SJA1000中的有關控制寄存器寫入控制字，進行初始化。之后，CPU即可通過SJA1000接收/發送緩存區向物理總線接收和發送數據。本系統采用中斷方式實現CAN的通訊過程。
在程序設計中，設置了DW、XW兩個標志，這樣CPU不通過SJA1000即可知道當前數據收發情況，把高程序的執行速度。
基于CAN總線的分布式鋁電解控制系統，可實現對電解槽生產的高效控制，保證電解槽在新型工藝技術條件下的平穩運行。該系統結構簡潔，集成度、智能化程度高，安全可靠性高，結構與功能可擴展性好，且易于操作與維護。CAN總線性能優越，可廣泛應用分布式控制系統。