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案例頻道1. 引言：
為確保性能可靠和安全運輸，鐵路內燃機車用柴油機每次新造出廠前或大修后必須進入柴油機試驗站進行臺架試驗，經驗收合格后方可裝車運行。實現柴油機臺架試驗自動控制與數據采集的主要困難是：邏輯關系復雜，步驟繁多，各種條件相互關聯；所測參數種類眾多。怎樣設計出一種有效的控制系統和合理的控制方案是解決問題的關鍵。因此，采用基于CAN總線技術的現場測控系統，無論從實時性，可靠性，還是通信距離上都滿足柴油機臺架實驗的需要。
2. CAN總線技術特點
CAN總線屬于總線式串行通信網絡，由于采用了許多新技術及其獨特的設計于一般通信總線相比，CAN總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。其特點可概括如下：CAN總線以多主方式工作，網絡上任意節點均可在任意時刻主動地向網絡上其他節點發送信息，而不分主從，通信方式靈活，且無須占地址等節點信息，利用這一特點可方便地構成多機備份系統。CAN總線網絡上的節點信息分不同的優先級，可滿足不同的實時要求，高優先級的數據最多可在34μs內得到傳輸。CAN采用非破壞性總線仲裁技術，當多個節點同時向總線發出信息時，優先級較低的節點會主動地退出發送，而最高優先級的節點可不受影響地繼續傳輸數據，從而大大節省總線沖突仲裁時間，尤其是在網絡負載很重的情況下也不會出現網絡癱瘓的情況。CAN總線只需通過報文濾波即可實現點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接受數據，無需專門的“調度”。CAN總線的直接通信距離最遠可達10Km(速率5Kbps以下)；通信速率最高可達1Mbps（此時通信距離最長為40 m）。.CAN總線上的節點主要取決于總線驅動電路，目前可達110個；報文標識符可達2032種，而擴展標識符幾乎不受限制。采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾概率低，具有極好檢錯效果。CAN總線的每幀信息都有CRC校驗及其它檢錯措施，保證了數據出錯率極低。CAN總線的通信介質可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。CAN總線節點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出的功能，以使總線上的其它節點的操作不受影響。
3. 系統組成及硬件
1. 本系統采用兩層體系結構，即操作站―現場智能單元。操作站由工控機加上網卡組成，網卡的功能是完成RS-232C與CAN總線之間的協議轉換，實現工業PC機與CAN總線的連接。現場智能設備（現場控制單元）具有“功能全分散”的特點，使現場控制單元成了控制系統的核心。CAN總線控制節點由微處理器，CAN總線控制器及CAN接口電路組成。現場總線控制系統“功能全分散”的特點，使現場控制單元成了控制系統的核心。我們采用了自行開發的SHCAN2000型現場控制單元采用了由實時多任務操作系統、實時監控軟件、任務級組態軟件、實時數據庫等構成的現場智能測控儀表軟件組件集成技術，支持在線組態。由于現場總線的特點之一是將控制功能徹底分散到現場，因此在現場總線控制系統中，現場控制單元就成了系統的核心部件。SHCAN2000系統中，現場控制單元將PLC和回路調節器的全部功能有機的溶為一體：用于順序控制可取代PLC；用于連續控制可替換回路調節器和DCS；用于間歇過程工業則可替代DCS與PLC的復雜組合；并使所有的工業自動化系統都有一個簡單、統一的解決方案。SHCAN2000型現場控制單元的硬件結構如圖2-6所示。其中CAN驅動器82C250和CAN控制器SJA1000完成CAN總線通信，其余的采集和控制單元由Philips公司的微處理器芯片P80C552單片機系統構成。
4. 系統軟件體系設計
系統的軟件設：我們采用軟件構件技術，以編寫功能塊的方法來實現。本系統下位機的核心是分布的現場實時數據庫和功能模塊庫，組態序列調用功能模塊庫，實現對現場實時數據庫的操作。現場控制單元組態軟件是嵌入在現場智能測控組件中的組態、數據采集、控制、輸入輸出和通訊軟件模塊。其中，智能測控組件功能模塊庫由14大類，共80余種特定的功能塊組成，是各種控制和算法的集合。功能模塊組態序列是智能測控組件所需功能的集合，是所要完成的各種功能的選擇和按前后順序方式實現的組織形式。智能測控組件的不同功能，由不同的組態隊列形式來實現。實時數據庫是系統參數、功能模塊工作參數、控制參數、運行變量等的參數集合。實時數據庫中任一點數據，都可通過CAN通信模塊實現雙向通信。CAN總線通訊軟件完成上位機與實時數據庫之間、任意兩個實時數據庫之間的雙向數據交換。智能測控組件工作過程是：以實時數據庫為核心，由功能模塊組態序列調用功能模塊庫，通過功能模塊控制操作實時數據庫，其結果再返回數據庫中，再由輸入/輸出系統和CAN總線通信模塊實現控制功能。其軟件功能圖如圖3所示。
圖3 SHCAN2000型現場控制單元軟件結構
5．系統控制方案
監控站要進行柴油機臺架實驗，實驗分成磨合，調整，驗收三個實驗。實驗要求柴油機在一定的轉速和功率條件下運轉一定的時間之后測試柴油機的各項數據，通過數據檢查柴油機的各項性能，同時調節進入柴油機的燃油溫度和冷卻水溫度。當出現異常情況是系統會在界面中顯示報警并通過聲光信號提醒實驗人員，同時還要完成質量平定，和實驗記錄的功能。對于實驗過程的監控我們應用上位機直觀、友好的人機界面是系統功能的一個重要體現。隨著計算機和軟件技術的發展，上位機的界面設計變得越來越方便、直觀。在設計上位機監控界面時，我們采用FIX軟件的畫圖程序（DRAW）,借助于畫圖程序的強大功能，實現了柴油機試驗臺線路狀態的實時顯示、柴油機參數的實時監控和柴油機試驗當前步驟狀態顯示，使試驗員能全面、直觀地監控柴油機試驗全過程。監控界面由模擬試驗線路、虛擬儀表和操作按鈕組成。試驗員可以通過模擬試驗線路觀察電路開關狀態；虛擬儀表顯示柴油機主發機組的電壓、電流、轉速、溫度、壓力等參數；試驗步驟指示燈顯示當前試驗狀態；操作按鈕控制柴油機試驗項目和試驗流程。整個監控界面形象直觀，易于操作。為了設計出直觀、形象的監控界面，采用了動態顯示技術。試驗線路的開關狀態根據現場狀態動態顯示；各種壓力、溫度、轉速、電流、電壓等參數通過虛擬儀表動態顯示；柴油機試驗的當前步驟通過虛擬指示燈動態顯示。動態顯示技術的原理如下：監控界面上幾何圖形的大小、位置、顏色、旋轉角度以及可見性等并不是固定不變的，而是由FIX過程數據庫中對應點所決定的。例如：試驗步驟N指示燈的可見性由數據庫中對應的試驗步驟。對于系統的控制功能我們運用功能強大的軟件模塊庫，將控制功能通過功能模塊組態的形式按找系統的要求組織起來下載到現場智能單元中，這樣現場智能單元就會根據分配給各自的任務完成系統的功能。并利用他們之間的通訊功能將整個系統統一連接起來達到時實多任務要求實現系統的控制功能。
6. 結束語
本課題的主要創新點是分析了間歇控制的特點和難點，研究基于現場總線控制系統實現間歇控制的方法。具體論述了采用現場總線控制系統實現柴油機試驗的自動控制，包括試驗流程的自動控制、試驗數據自動采集和管理、友好的人機接口等，并討論了上位機操作站和現場控制單元的功能組態實現。實現了柴油機試驗過程的全自動，且試驗臺系統全部控制功能由現場測控儀表完成，充分體現了控制全分散這一發展趨勢, 較好地完成了柴油機試驗臺計算機改造項目。
參考文獻
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