基于CAN现场总线的智能混凝土搅拌站称重仪表

基于CAN现场总线的智能混凝土搅拌站称重仪表 
 

 
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　　1．引言
　　在混凝上搅拌站的混凝土生产过程中，物料称重、配料控制是影响商品混凝土质量的重要因素。混凝上生产中需要水泥、大石、中石、小石、沙、水、添加剂等多种配料，目前，混凝土搅拌站配料拧制一般使用分布式控制系统，一套传统的典型的搅拌站分布式控制系统如图1所示，它包括多个称重显示控制终端。称重显示控制终端功能主要采集相应料斗传感器信号，换算成重量，同时根据混凝土的配方进行配料的过程控制。这种显示控制和传感器信息采集一体化的称重显示控制终端在远距离模拟信号的传输中，外部干扰的串人以及传输过程中信号的衰减都直接影响到检测和控制的精度。同时由于采用串口和上位的工控机进行通信，对工控机串口的数量要求苛刻，系统布线复杂，不便于安装和维护，当物料种类增加时往往难以灵活配置。
　　CAN总线技术是国际上前沿的现场总线技术，它布线简单，只需两根双绞线就可连接多个传输节点，节点增删灵活，传输距离长，抗干扰能力强，在工业现场运用极其广泛。采用了CAN总线的新型称重显示控制终端的搅拌站控制系统如图2所示。

　　由图2可以看到，其布线大为简化，只需要一根四芯CAN总线电缆就可实现显示控制模块，传感器数据采集模块以及工控机之间的相互通信。同时由于CAN总线采用了数字传输方式也解决了搅拌站控制系统中模拟信号远距离传输干扰串入和信号衰减问题。
　　2．称重仪表硬件构成
　　该型称重显示控制器由显示控制模块和传感器数据采集模块组成，模块之间由CAN总线连接。传感器数据采集模块不断地采集传感器模拟电压信号，通过内部放火、A／D转换变成数字信号，并将数字信号经过通信子模块传到CAN总线上去，供CAN总线上的对应的显示控制模块接收处理，完成称重显示控制器主要功能，满足搅拌站称量系统的需要。
　　其工作原理如图3所示，称重仪表实物如下图4所示。

　　2.1 基于CAN接口的传感器数据采集模块原理
　　传感器数据采集模块由信号采集处理子模块、通信子模块和电源电路组成，如图5所示。

　　信号采集处理部分采用TI公司的MSC1210单片机，MSC1210集成一个增强型的8051内核、具有可编程增益(1-128倍)放大器、8路24位高精度∑-△摸数转换器(A／D)，可以容易地实现单片式低噪声高精度数据采集系统。同时还具有温度传感器、32K FLASH存储器、1.2KB的SRAM、32位累加器，可串行或并行编程，达10万次擦除／写操作，工作电压2.7--5.25 V，温度范围-40--+85℃。
　　通信子模块由PHILIPS公司的独立CAN总线控制器SJA1000、高速光隔离收发器6N137和CAN收发器A82C250组成。
　　电源部分主要由TVS、LM2956和DC-DC模块设计而成。LM2956是一款性能优越的低压差稳压器，可以使系统的以较低的功耗工作，具有输入电压反接保护，使系统在不同的工作环境下更**可靠，输出电压作为供电电源同时也作为AD转换的基准电压，无需**稳定的基准电压源即可实现**的测量，降低了对供电电源和基准电压源的要求，简化了电路，同时也有效的降低了成本。DC-DC模块给光耦6N137右边模拟电路供电，采用不同的电源供电，光耦6N137两边电路才完全隔离，提高了模块的稳定性。电路中各器件的电源输入端接有去耦电容，增强系统的抗干扰能力。
　　2.2 显示控制模块原理
　　显示控制模块由信息处理子模块、通信子模块、显示子模块、键盘电路和电源电路组成。如6图所示。
　　显示控制模块通过CAN总线接收传感器数据采集模块发送的信息，转换成重量值，经过主程序的处理，显示重量并发送相应的控制信息。
　　信号处理部分采用Cygnal公司的C8051F040单片机，它是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机，25MIPS高速流水线式CIP-51控制器内核，JTAG调试接口，64KB的可编程FLASH存储器，RAM可存储4352(4096+256)字节，64个I／O端口管脚，同时有一个CAN2.0B集成控制器，可在工业温度范围-45-+85℃内采用2.7伏到3.6V的工作电压。
　　显示电路采用HD7279驱动LED。该芯片具有串行接口，可以同时驱动8位共阴极数码管和连接64键的键盘矩阵，单片即可以完成数码显示和键盘接口的全部功能，而且该芯片自带RC振荡电路，无需外接时钟，与单片机的接口电路简单，只需四条I／O线。
　　通信部分选用高速光隔离收发器6N137和CAN控制收发器A82C250
　　电源设计与数据采集模块相似。

　　3．软件体系
　　软件由数据采集程序和显示控制程序两部分组成，分别安装在传感器数据采集模块和显示控制模块内。
　　(1)数据采集程序包括A／D转换中断子程序、数据处理子程序、发送数据子程序和接收处理子程序；数据采集程序流程如图7：
　　(2)显示控制程序包括初始化子程序，开机自动置零子程序、菜单子程序、零点跟踪子程序、自动配料子程序、手动配料子程序和通信子程序，各程序互相配合实现搅拌站控制的主要功能。
　　主程序流程如图8：

　　(3)CAN通讯协议说明
　　系统CANBUS网络结构如下：
　　图9 CANBUS网络结构

　　其中，PC为上位监控机、C1…C32为显示控制模块、S1…S32为传感器数据采集模块、MC为手持监控器(可选)。
　　下面以显示控制器节点CYY(YY：控制器节点编号1＜＝YY＜＝32)为例说明CANBUS的ID分配，PC(MC)和传感器数据采集模块节点SYY的ID分配原理和CYY是一样的，通过ID的互相匹配，就可以实现各个节点之间的相互通迅，传输不同的数据和命令。
　　● 0x00(广播ID)：用于接收系统同步控制和紧急控制命令；
　　● 0xYY：接收数据帧，用于PC参数设置、配方设置、参数查询；
　　● 0xYY+0x20：接收数据帧，接收SYY反馈的传感器信息；
　　● 0xYY+0x40：发送数据帧，向PC发送参数、配方数据；
　　● 0xYY+0x60：发送数据帧，向PC发送系统状态、任务进程数据；
　　● 0x100+0xYY<<4(即0xYY左移4位再加0x100)：发送数据帧，用于向SYY传送传感器参数。
　　4．结束语
　　将CAN现场总线引入搅拌站称重仪表，在满足搅拌站称重系统要求的同时，与传统搅拌站称重仪表相比具有布线简单，现场组网方便灵活，信号传输可靠等优点。该型称重仪表已取得国家的技术**，并批量应用于三一的混凝土搅拌站，具有广阔的市场前景。