CAN总线在机械制造中的应用

吴剑

摘要：CAN即控制器局域网，CAN总线因其数据通信具有抗干扰性强、安全性高、实时性强、功能完善和成本合理等特点在机械制造中应用广泛，成为国际上应用最广泛的现场总线之一。现场总线技术已成为当今工业自动化技术发展的热点。本文对CAN总线在机械制造中的应用进行了详细分析。

关键词：CAN总线；机械制造；应用

前言

随着机械制造各项技术的不断发展，电子技术、计算机技术及智能控制技术越来越广泛地应用于机械制造中，以提高机械制造的操纵性、平稳性、舒适性和工作效率。机械制造电子控制技术在设备安全、节能环保及改变设备功能等方面发挥着重要的作用，越来越成为机械制造工业发展的主导。

传统的机械制造控制系统由众多传感器、仪表及控制机构组成，加上越来越复杂的工作状态，使得电线数量、种类和节点数越来越多，造成了整机电气设计和制造越来越复杂，布线困难，可靠性下降，故障排除时间越来越长。CAN总线技术具有成本低、线数少、适用广、灵活性大、信息传输高、特别抵抗干扰等优点，因而被成功地广泛应用于机械制造行业。

1.CAN总线的相关概念和特点

CAN是目前国际应用最广泛的现场总线之一，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，是控制器局域网络的简称，最早由德国BOSCH公司推出，用于解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，如今其总线规范已被定为国际标准。

CAN总线目前已经在车辆、船舶等运输业中；嵌入式机器控制、工厂自动化、过程自动化和发电等制造业中；电梯控制、嵌入式门控制、供暖控制、通风控制、空调控制等楼宇自动化中；医疗设备、重病监护等卫生保健中；分拣机、输送机、加油站、自动取款机等行业中；舞台控制、照明控制等娱乐行业中；煤矿安全监控系统等工业通信中得到广泛应用。

CAN总线特点：①支持多主工作方式，网络上任何节点均可以在任意时刻主动向其它节点发送信息，部分主从，通信灵活；②支持点对点、一点对多点和全局广播传送数据；③采用了独特的非破坏性总线仲裁技术，通过设置优先级来避免冲突，能满足实时性要求；④信号传输采用短帧结构，每帧有效字节数为8个，因而传输时间短，且每帧信息均具有故障自我检测、诊断和自动关闭功能，使总线上其他节点通信不受影响，数据出错率极低，可靠性高，具有較强的抗干扰能力；⑤通讯距离最远可达10km/5Kbps/s，通讯速率最高可达40m/1Mbp/s，网络节点数实际可达110个，传输速度快，传送信息量大；⑥通过传输总线链接各个控制计算机，可以减少导线数量和连接端子，从而减轻整车质量和故障概率提高车辆的可靠性及安全性。控制模块之间能共享传感器输入的信息，从而可以减少传感器数量；⑦可以实现复杂的控制功能，较易实现子系统的增加或减少，系统扩充容易，改型灵活。

2.CAN总线在机械制造中的应用

CAN总线技术的引入彻底改变了机械制造控制领域的面貌，分布式控制系统完全取代了集中式控制系统，在众多具有CAN功能的控制器、传感器和执行器的支持下，繁琐的连线被单一、简洁的现场总线网络所替代，系统设计更加灵活、信号传输质量也大幅提高。CAN总线在机械制造上的广泛应用将使机械制造的控制性能、动力性、操纵稳定性、安全性都上升到一个新的高度，给机械制造技术的发展注入新的活力。在工程机械领域，世界领先的大型工程机械公司CAT、VOLVO、利勃海尔等都使用现场总线控制，大大提高了机器的运行效率，维护等方面的成本也都大大降低。

2.1 CAN总线在摊铺机中的应用

摊铺机是道路施工中重要的路面施工机械，其性能与可靠性会直接影响整个路面工程的质量。将CAN总线应用在摊铺机行走控制系统中，整个控制系统可分为三个模块，分别为电喷发动机控制器、行走控制器和显示器，以实现集中管理以及功能和危险的分散。其中，电喷发动机控制器根据发动机实际工况对发动机的转速进行控制；行走机构控制器在摊铺过程中发挥恒速控制、转向控制以及整机状态参数检测等作用；显示器发挥整机状态参数和故障报警信息的界面显示的作用。摊铺机的功能分散、集中监视、危险分担，有利于提高整机的工作性能。CAN总线技术还可应用于摊铺机自动找平系统中，在系统工程过程中，每个节点作为路面高度采样点，实时采集路基变化样本。当主控节点广播式地发送数据请求帧时，各个节点将当前的实时采样数据发送给主控制器，多点采集可以滤除干扰信号，更准确地描述路基的变化情况。当主控制器接受完所有节点的数据后，按照一定的算法进行数据处理，去除偶然因素如石块、坑槽等影响，然后发出PWM信号控制液压缸的电磁阀，从而控制熨平板的升降使得摊铺厚度均一。CAN总线的应用提高了道路摊铺工程的自动化和智能化水平，使摊铺机作业效率和路面施工质量得到提高的同时改善了道路工程的操作环境，降低了劳动强度。

2.2 CAN总线在挖掘机中的应用

随着中国挖掘机行业的快速发展，挖掘机的性能是生产厂家市场竞争力的关键，高效、节能的智能控制系统成为了提升挖掘机性能的主要手段。电气控制系统作为挖掘机核心系统之一，关系到整机的性能、智能化程度和可维护性。挖掘机的性能要求越高，传感器数量就越多，如果用传统控制方式必会增加线束数量，使维护难度增大，不利于数据共享。CAN总线的应用可以在不影响原系统的前提下克服传统控制方式的缺点。挖掘机的电气控制系统主要由发动机控制模块、液压控制模块、显示模块、GPS远程管理模块和常规控制模块组成。发动机控制模块中主控制器通过CAN总线可以读取转速、工作时间、水温、油压、运行状态等信息，控制发动机起停、转速、节能、保护，无需再安装相应的传感器，简化了电气线路。同样在液压控制模块采用CAN总线采集司机的操作，根据档位、功率模式和发动机状况等确定主阀的开度，以控制液压系统实现整机行走、回转等动作，提高了系统的可操作性，简化了液压控制管路。此外，具有CAN总线功能的显示器能对挖掘机运行过程中的参数进行实时显示，也能进行参数设置、故障警报及保养提示。GPS终端也能通过CAN总线与总控制器进行数据通信，实现定位和远程数据传输。

2.3 CAN总线采矿铲运机中的应用前景

随着矿产资源的开采逐渐向深部延伸，采矿条件更加恶劣，智能化、自助式的采矿设备已是发展必然的发展趋势。铲运机是有色金属深井矿山开采的关键设备，由于过去的人为驾驶铲运机对工作人员的安全威胁很大，而遥控铲运机可靠性差、系统成本高，所以自助式无人操纵铲运机成为了采矿设备的重要研究方向。CAN总线技术的通讯系统在自助式无人操纵铲运机中的应用能使传感器系统和控制系统方便地对信号的采集、分析和处理，从而实现行走、铲运等功能。CAN总线的开发应用在采矿机械领域业有广阔的前景，定能给行业带来飞跃性的发展。

3.结束语

CAN总线技术具有较高的可靠性、实时性和较强的灵活性，这些突出的优点使其被广泛地应用，它的发展也推动了机械制造自动化技术的发展，而且在许多有待开发的机械设备领域具有广阔的应用前景。CAN总线的应用使机械制造的性能、作业效率和工作质量得到了提高，简化了电气线路，液压回路，减少了传感器的使用，从而降低了产品的成本也改善了机械的可维护性，由此CAN总线的扩展开发及应用会给许多行业带来巨大的效益。

参考文献：

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