摘 要:本文主要分析了当前陶瓷辊道窑的计算机控制技术,提出了一种基于CAN现场总线技术的控制系统,介绍了其基本组成、CAN总线的网络接口以及系统软件设计流程图。
关键词:CAN总线;陶瓷窑炉;网络节点
Abstract: This text mainly analyzes how to make use of the computer control technique in the current roller kiln of ceramic, a new control system based on CAN fieldbus was discussed, the basic constitute , the network node of CAN bus and the flow chart of system software were introduced.
Keywords: CAN Bus; ceramic kiln; network node
0 概述
陶瓷辊道窑是陶瓷行业中最重要的热工设备,主要由窑体、燃烧系统、排烟系统、冷却系统、传动系统及测控系统等部分组成。其控制目标是:在综合消耗最小的情况下,获得满足工艺要求的良好制品。但是,由于窑炉烧制产品时具有大惯性、纯滞后、强非线性及温度、气压等多种变量的耦合特性,要对其进行有效控制往往比较困难。
目前,国内陶瓷窑炉的测控系统一般通过对每个燃烧点进行温度控制实现整个流程所需的温度曲线,每个控制点实行开环或闭环控制,通过PID调节器实现,一般也能获得较好的效果。但相邻被控点之间则没有建立联系,窑炉内的气氛没有或只有简单的开环控制。现场总线陶瓷智能测控系统,是对每个测控点进行单独控制的同时,考虑各点之间的相互关系,对影响整个辊道窑内燃烧风油比的风机进行闭环控制,另外对烧成带关键部分的氧含量进行测控,以提高烧成品质量。
1 控制方式
1.1 PID调节器
对每个测控点进行单独控制一般通过PID调节器来实现。它以单片机为主体,结合外围的继电器、比例阀、调节器等检测与执行机构,构成一个完整的初级计算机控制系统。由于单片机速度及容量的限制,这种控制系统一般只能采用简单的PID或模糊控制算法,按照预先设定的控制参数进行过程控制。但这种系统难以实现诸如参数的自适应调整与在线优化等功能。
1.2 基于CAN总线的控制
将各测控点通过CAN现场总线与上位计算机连接,可实现更加复杂的先进控制与优化,从而适应产品的升级换代和更大幅度的提高产品质量。利用预测控制,可以使关键部位的温度控制精度进一步提高;依靠检测窑内氧含量,保证陶瓷质量必须满足氧含量的要求,通过按燃烧热效率最高在线风油比优化软件来实现控制系统的节能;总结提高产品成品率和产品质量的专家经验,例如为完成气氛控制如何调整窑内含氧量,按窑内的空间分布的温度和压力变化曲线,以及烧制者的经验等,并在上位机中通过软件得以实现,从而提高产品质量。
2 测控系统基本组成
针对陶瓷窑炉的控制要求,采用CAN总线技术设计的测控系统原理图如图1所示。系统设计时,考虑将各段窑炉上的执行机构和对应段的热电偶用一块CAN总线控制模块进行控制和信号采集,并安装在现场,这样可减少热电偶在传输过程中可能产生的干扰;其它热电偶、氧含量探头以及压力传感器使用CAN总线A/D模块进行控制;风机控制通过D/A模块完成;流量计数据的采集通过计数器模块,风机运行的状态等开关量信号由开关量输入模块完成等。
图1 测控系统原理图
CAN总线的网络适配卡采用PCL-841,其特性是与IBM-PC机兼容又符合CAN协议,插入扩展槽内完成CAN协议的通信。各从站模块中模拟量采集及模-数、数-模转换采用ADAM系列模块完成。
3 CAN总线的特点
CAN是开放的现场总线,出于对实时性和降低成本的考虑,CAN总线只采用了开放式互连（OSI）7层参考模型中最关键的两层,即物理层和数据链路层。根据Philips公司制定的CAN技术规范2.0版,其通信距离可达到10Km（5kbps）,最高速率达1Mbps（40m）。
CAN总线的物理层主要内容规定了通信介质的机械、电气、功能和规程特性。数据链路层的主要功能是将要发送的数据进行包装,即加上数据差错校验位、数据链路协议的控制信息、头尾标识等附加信息组成数据帧,从物理通道上发送出去,在接到数据帧后再把附加信息去掉得到通信数据。
CAN总线的主要特点:
（1） 实时性:CAN总线数据段长度最多为8个字节,能够满足工业领域中对一个工作点的控制命令或数据采集的要求。
（2） 无主性:网络上的任意一个节点均可以主动地向其它节点发送数据,可方便地构成多机备份系统。
（3） 可靠性:数据每一帧都有循环冗余（CRC）检验和其它检验措施,数据差错率低,而且网络上的节点在严重错误时,能够自动关闭总线,退出网络通信而保证总线上的其它操作不受影响。
4 CAN总线的网络接口及系统设计
4.1 CAN总线的网络接口
CAN总线网络接口由Philips公司SJA1000芯片和PCA82C250芯片组成。SJA1000是一个独立的CAN控制器,可以工作在BasicCAN和PeliCAN两种不同的工作方式,且支持CAN2.0B协议,具有扩展接口缓冲器、增强错误处理能力和增强验收滤波等功能,可以直接进行CAN总线互连。为了增强驱动能力,使用总线收发器82C250与之配合,其连接电路图如图2所示。
为了提高网络节点的拓扑能力,CAN总线两端需要接有120Ω（R22）的抑制反射的终端电阻,它对匹配总线阻抗起着非常重要的作用。如果忽略此电阻,会使数字通信的抗干扰性和可靠性大大降低,甚至无法通信。
图2 CAN总线接口电路图
4.2 系统软件设计
多个现场测控装置的控制程序包括热电偶测温的非线性补偿、压力和流量等控制量的执行功能,通过CAN总线和上位机进行通信。多个测控单元分别完成系统的某部分功能。当某一单元出现故障时,它的影响只是局部的;主机出现故障时,各智能卡仍可以独立完成测控任务。各个测控装置将现场信号就近采集并作处理后,通过CAN总线送给上位机进行运算处理,以便分析、控制和存储,主机还负责人机交互和数据管理。
辊道窑控制系统中上位机的主要任务是:通过CAN总线接口与各节点通信,接收下端传来的数据并向CAN网络中各节点发送指令;处理节点上传数据并计算控制量。主机的主要计算任务是根据节点传送的温度、氧含量和流量等,运用程序中设定的控制算法（如模糊神经网络、专家系统等）,对现场测控点的控制量进行精确计算。
上位机程序设计的关键是通信程序的设计,由三部分组成:CAN控制器的初始化程序、发送程序及接收程序。设计的难点是SJA1000的初始化,如果初始化不正确,系统将不可能正确发送和接收数据。对SJA1000的初始化包括对其时钟分频寄存器（CDR）、验收码寄存器（ACR）、验收屏蔽寄存器（AMR）、两个总线定时寄存器（BTR0和BTR1）和输出控制寄存器等的初始化。其初始化流程图如图3所示。
图3 初始化程序流程图
5 结语与本文作者创新点
将先进的现场总线技术（CAN BUS）应用于陶瓷窑的智能测控系统中,大大提高了系统的可靠性、陶瓷产品的成品率而且节能效果明显。利用89C52单片机、SJA1000和82C250等芯片所实现的CAN总线网络节点设计,性能稳定,可扩展性强,可以直接移植到其它系统中,为科研工作者提供一定的参考。
参考文献
[1] 刘磊,高军. 现场总线技术在装备监控系统中的应用[J].微计算机信息,2006,7-1: P73-74
[2] 袁淑娟,陈仁文. CAN总线网络节点的实现及应用[M]. 江南大学学报（自然科学版）,2005,4（3）:1671-7147.
[3] 邱银安, 阳爱民. 一种新型PID决策模糊控制器设计与实现. 微电子学与计算机. 2005年 22卷 2期
[4] 刘美俊. 基于CAN总线的陶瓷辊道窑控制系统设计[J]. 低压电器, 2006,3, 1001-5531
[5] 余永来,顾勤,余国华. 集中型计算机控制技术在陶瓷梭式窑炉中的应用[J]. 中国陶瓷. 2006, 6,1001-9642
[6] 蒋书波, 张焕春, 利用软件线程集成技术实现嵌入式通信接口.微电子学与计算机. 2002年 19卷 7期
