基于can总线的工业自动化控制系统的设计

湖南汽车工程职业学院 刘小兵



基于can总线的工业自动化控制系统的设计

湖南汽车工程职业学院 刘小兵

【摘要】基于工业4.0的要求本文设计了一种基于Can总线的工业控制自动化系统，给出具体的网络架构设计和Can总线节点硬件和软件设计，通过该系统可以有效的解决了企业对工业智能化控制的需求，对促进工业智能化转型具有非常重要的意义。

【关键词】工业4.0；自动化；Can总线；控制系统

本文为湖南省教育厅科学研究课题成果（课题号：14C1205）。

目前在工业生产现场，多种机电设备分布于工厂的各个厂房，绝大部分的控制功能虽然采用了相关的PLC控制器进行控制，但是由于其独立单一的控制功能，导致在进行许多控制操作过程中依然还需要依靠人工进行控制，对生产信息进行统计，各个设备之间的管理相对独立，并且一些相关的设备也无法进行通信交互实现联合控制功能，导致整个工业现场生产效率低下，成本过高。针对这一问题，本文在设计的基于can总线的工业自动化控制系统过程中主要解决控制功能、多机监控功能、协同控制功能等问题。

1 基于Can总线的工业控制系统网络模型设计

现场总线网络的控制网络直接面向生产过程，其对通信过程中的数据完整性、可靠性和实时性等要求非常高，是一般网络通信技术无法替代的，现所采用的现场总线一般分为设备层、中间监控层、远程监控层三层， 现场总线现场总线控制网络结构模型如图1所示。

图1 现场总线现场总线控制网络结构模型

基于现场总线总线的智能设备层是整个控制网络的最底层，其主要是按照现场总线协议标准进行相关数据交换，同时完成数据的采集、AD转换和PID控制等功能，同时总线上还有PLC接口以方便与原有的系统进行连接，中间监控层主要从现场设备中获取相关的数据，进而完成对各种设备的数据分析和控制功能，实现对各种现场智能设备监控，其通过扩展槽中的网络接口板与现场总线总线进行连接，对整个现场总线总线网络中的各种设备通信数据进行协调。远程监控层主要是基于以太网等通信方式，从中间监控层获取相关的现场智能设备的信息数据，然后对其进行集中管理与监控。

2 Can节点设计实现

Can总线的工业自动化控制系统的节点进行设计。首先，在硬件上根据系统需求分析，本文设计的Can总线的节点的原理结构如图2所示。整个Can总线节点硬件由输入键盘、输出液晶显示屏、PCA82C250接口芯片、SJA1000串口转换芯片和AT89C52控制器等组成。

基于上述控制系统的硬件设计方案，还需要在主控器AT89C52单片机上编写控制软件，协调各个控制元件进行工作，完成整个Can总线通信功能，其中整个程序主要包括发送和接受两个核心部分，系统的接收与发送程序流程如图3所示，在接收过程中，主要是采用终端方式进行接收，同时在接收过程中还要对总线的脱离、错误和报警等信息进行检测并进入相应的处理程序，发送的过程中只需要将发送的数据按照Can控制器SJA1000的格式输入到控制器的缓冲区然后触发发送。

图2 Can总线节点的硬件结构原理图

图3 Can总线节点的发送程序

3 实验分析

基于上述系统设计原理，本文基于Can控制系统的网络拓扑结构搭建了Can总线仿真测试平台，同时通过在上位机上运行canAnalyser分析软件对本文设计的Can总线节点模块进行仿真测试，本文在测试分析过程中通过在上位机上的canAnalyser平台上编写脚本宿主，进行图形化数据发送和接受测试，本文在设计过程中主要是通过在IXXAT.MbsAnalyer.dll脚本下进行编写测试程序，通过canAnalyser平台多次模拟Can报文启动和停止Can节点接收器数据进行分析，其结果如图4所示。

图4 接收与发送的数据测试

通过测试分析得出本文设计的Can总线通信系统可以正确稳定的进行Can总线通信，收发数据的误码率为0，同时最后通过实验模拟测试分析，本文设计的Can总线网络具有很好的负载能力，可以适应复杂的通信环境，对提升Can总线网络稳定性和可靠性具有非常重要的意义。

4 结语

本文通过对现有的现场控制系统的不足进行分析，提出了基于Can总线的工业自动化控制系统的设计，首先分析了Can总线的基本原理，结合企业工厂现场总线设计网络架构，完成了基于Can总线的工厂现场总线系统的设计，同时对系统中的硬件实现和软件实现进行了设计，给出了具体的硬件实现效果图和核心软件实现流程图，通过该系统可以有效的利用Can总线的优势提高工业控制系统的、实时性、稳定性和可靠性，对促进我国工业控制技术发展具有非常重要意义。

参考文献

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作者简介：

刘小兵（1981—），男，湖南攸县人，湖南大学硕士研究生，讲师，主要研究方向：微处理器控制电路设计和汽车电子控制和总线通信的研究。