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基于CAN总线的食品包装生产线控制系统的设计

信息来源:gkong.biz  时间:2010-04-21  浏览次数:123

  作者:金凤莲单位:大连轻工业学院
  [摘 要]:提出了基于CAN总线技术的食品包装生产线控制系统的设计,给出了系统整体结构,同时阐述了CAN节点控制器的硬、软件设计方法。结果证明:该系统结构简单、运行可靠、易于调整,提高了生产管理水平和工作效率,为企业生产和管理人员及时了解远程生产现场的状况提供了可能。
  现场总线作为当今自动化领域技术发展的热点之一,被称为自动化领域的计算机局域网。现场总线技术自从20世纪80年代末出现以来,引起了国内外专家、学者的广泛注意和高度重视。它的出现,标志着自动化系统,步入一个真正意义上的全新的开放式自动化控制系统的新时代,它带来的是自动控制系统体系结构上根本性的变革。在现场总线控制系统中,CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络,应用范围遍及高速网络到低成本的多线网络。它的应用越来越广泛,它不仅应用于汽车工业,而向过程工业、机械工业、纺织工业、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。它是一种很有应用前景的现场总线之一,是一个全集成的、结构完整、功能完善、面向整个生产过程的过程控制系统。而且国内外的大量资料表明,CAN总线已成为现场总线领域很有发展前途的一种通信技术,基于CAN总线的测控网络已经在多种工控领域取得广泛成功的应用。
  某食品包装厂过去一直采用单机、单条生产线运行,数量、设备状态和停机等信息无法统一集中管理,对全厂的生产决策无法进行,效率低、速度慢。利用总线技术对生产线进行自动化改造之后,采用多机、多条生产线运行,对设备进行统一集中管理,取得了良好效果。
  1 食品包装工艺流程
  文中仅以水果包装为例,说明CAN总线技术在包装行业上的应用。随着生活水平的不断提高,人们对农副产品的消费观念已由数量型向质量型转变,不仅要求口味纯正,而且要求形靓物美。因此,一些包装精美、外观奇特、品质优良的农副产品越来越受到市场的宠爱。而那些包装简陋、档次低的农产品则少人问津。在这一市场消费趋势下,我国的广大农民渐渐意识到包装的价值,一些水果产销商在大力选择培育优质品种的同时,开始在水果包装上大做文章,从而在一定程度上提高了国产水果档次,促进了产品销售。但是,随着果品资源的日益丰富和消费需求的不断变化,进一步改进水果包装势在必行。柑桔、橙、苹果等球状水果通过洗涤、分选、打蜡、保鲜、烘干、贴标、包装,可以大大提高其销售价格。而在收获旺季这一系列工序靠人工很难在短时间里完成。而且人工记数,包括单机和总量,不便于集中管理,信息反馈滞后,准确性差。因此国内外在这方面进行了大量研究,针对这种情况采用总线技术对生产线进行统一记数统计,同时下位机对包装机状态进行监测。可以提高管理水平和工作效率。文中将CAN技术应用于食品包装生产线上,设计出能适应中小型控制领域的一种CAN总线控制系统,并着重介绍了CAN节点控制器的设计过程。
  2 CAN总线控制系统
  食品包装技术和包装生产线作为食品技术产业化的基础,使用精确、自动的控制系统则能减少成本、增加产量及提高包装质量,并且便于管理。分布式控制系统正是针对这一情况研制的,系统由现场控制器(下位机)、监控计算机(上位机)和CAN总线3部分构成,具体结构见图1。其中,现场控制器是面向生产过程的,主要功能是采集控制现场的工艺参数,如水果、蔬菜、鲜肉及半成品食品的装盒、称重、贴标及记数,以至最后出厂销售。过去,这一切都由人工记数,手工操作,不便于集中管理,采用总线技术对生产线进行统一记数统计、管理,提高了工作效率。
  系统总共分2层,完成数据采集、记数及故障诊断等功能。及时对装盒、称量、贴标各参数进行监控,各参数的监测将通过传感器监测到的数据,经过各变送器输入到A/D转换模块进行模数转换,考虑到可靠性、性价比等因素,下位机CPU采用MCS—51系列单片机。上位机由1台PC机构成,另有1台工控机作为备用机,一旦某一台发生故障,另一台立即启动,确保控制系统的可靠性,Pc监控机的功能是对各下位机运行参数进行设置;通过现场总线网络实时获得各个下位机的数据;以友好的界面直观指示当前各包装机运行阶段和运行参数;若监测系统发生异常,立刻收到故障信号,马上发出声光报警,CAN总线部分主要由接口电路(包括CAN总线控制器,CAN总线收发驱动器等)、双绞线通信介质、监控机网卡(CAN总线适配卡)及相应的通信软件构成。
  上位机的主要功能是对下位机的参数进行设置;通过总线实时获取下位机采集的数据;各个对象特殊事件的记录;监测数据的实时显示、异常报警,及报表输出等功能。总线适配器将总线与上位机联系起来,完成数据及命令的传送。下位机完成各自对象的参数检测和控制,及向上位机发送必要的数据。
  3 模块硬件电路设计
  模块节点的结构见图2,它由微控制器AT89C51、独立CAN总线控制器SJA1000、CAN总线收发器82C250和高速光电耦合器6N137组成。微处理器AT89C51是模块的核心,它完成CAN总线应用层的功能。82C250是SJA1000和物理总线间的接口,它提供对总线的驱动发送功能和对SJA1000的差动发送与差动接收功能。
  文中所设计的CAN总线系统智能节点,采用AT89C51作为节点的微处理器。在CAN总线通信接口中采用PHILIPS公司的SJA1000和82C250芯片。SJA1000是独立CAN通信控制器;82C250为高性能CAN总线收发器。
  图3为CAN总线系统智能节点硬件电路原理图,从图中可以看出电路主要由4部分所组成:控制器AT89C51、独立CAN通信控制器SJA1000、CAN总线收发器82C250和高速光电耦合器6N137。微处理器89C51负责SJA1000的初始化。通过控制SJA1000实现数据的接收和发送等通信任务。
  为了增强CAN总线节点的抗干扰能力,SJA1000的TX0和RXO并不是直接与82C250的TXD和RXD相连,而是通过高速光耦6N137构成的隔离电路后与82C250相连。这样就很好的实现了总线上各CAN节点间的电气隔离,不过应该特别说明的一点是光耦部分电路所采用的两个电源VCC和VDD必须完全隔离,否则采用光耦也就失去了意义。电源的完全隔离可采用小功率电源隔离模块或至多5V隔离输出的开关电源模块实现。这些部分虽然增加了节点的复杂,但是却提高了节点的稳定性和安全性。
  82C250与CAN总线接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措施。82C250的CANH和CANL引脚各自通过一个5Ω的电阻与CAN总线相连,电阻可起到一定的限流作用,保护82C250免受过流的冲击。CANH和CANL与地之间并联了两个30pF的小电容,可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力;另外,在两根CAN总线接入端与地之间分别反接了一个保护二极管,当CAN总线有较高的负电压时,通过二极管的短路可起到一定的过压保护作用,以保护82C250在瞬间高电压情况下而不受损坏。82C250的Rs脚上接有一个斜拉电阻,电阻的大小可根据总线速率适当调整,其值一般在16~140kΩ之间,图3中选用47kΩ。
  由图1可见,监控模块的主要功能是对整个系统进行监控。它通过CAN总线不断的向下位机发送远程帧,并接收从下位机传送过来的装盒、称量、贴标等数据信息,并对这些信息进行分析、显示、存储等。用户可根据监控菜单的提示,选择需要了解的项目。监控模块还可以对数据进行记录、打印,以及对出现异常情况给予报警、处理等。现场显示模块同样可以接收各点的记数值,并以数值曲线等形式显示出来,用户可以在现场对系统进行观察等。
  4 软件设计
  CAN总线上的每一节点均可以作为主节点主动地与其它节点交换数据,彻底解决了主从结构网络上只能有一个主节点、其余均为从节点的潜在危害,CAN网络中的节点(信息帧)可分优先级,这对实时控制系统无疑是极为有利的。由于本系统采用了CAN总线构成局域网,因此程序设计具有很大的灵活性。
  CAN总线节点的软件设计主要包括3大部分:CAN初始化程序、CAN中断程序及数据接收发送程序等。熟悉这3部分程序的设计就能编写出利用CAN总线进行通信的一般应用程序。文中只简要介绍CAN节点初始化程序设计。
  CAN的初始化主要是设置CAN的有关通信参数。其过程主要是,通过对CAN控制器控制段中的寄存器写入控制字,从而确定CAN控制器的工作方式等。有3种方式进入初始化程序:上电复位、硬件复位、软件复位。即在运行期间通过给CAN控制器发一个复位请求,置复位请求为“1”。在初始化中,必须初始化的寄存器有ACR接收代码寄存器、AMR屏蔽寄存器、BRT总线定时寄存器及ORC输出控制寄存器等。需要注意的是,这些寄存器只能在复位期间写访问,因此,在对这些寄存器初始化前,必须保证系统进入复位状态。初始化程序流程图见图4。
  5 结 语
  本文采用的CAN总线技术,具有以下优点:(1)响应速度快,抗干扰能力强;(2)网络用两根双绞线组网,故障率极低,通信波特率高,数据传送量大;(3)结构简单可扩性强,安装、维修方便,可靠性高。基于现场总线CAN的系统智能节点由于具有CAN总线的诸多优点,在控制系统领域具有良好的应用前景。用它和CAN适配卡将上位机(主机)和下位机(分机)组网后可方便的实现实时监控、高速数据采集、时间记录、故障滤波、趋势分析、异常报警和报表输出等功能,完成网络上的预知维修、故障诊断、状态检修等基础工作,因此具有非常广阔的应用前景。

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