摘要：本文主要分析了當(dāng)前陶瓷輥道窯的計(jì)算機(jī)控制技術(shù),提出了一種基于CAN現(xiàn)場總線技術(shù)的控制系統(tǒng),介紹了其基本組成、CAN總線的網(wǎng)絡(luò)接口以及系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖。
0 概述
陶瓷輥道窯是陶瓷行業(yè)中最重要的熱工設(shè)備,主要由窯體、燃燒系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)及測控系統(tǒng)等部分組成。其控制目標(biāo)是:在綜合消耗最小的情況下,獲得滿足工藝要求的良好制品。但是,由于窯爐燒制產(chǎn)品時具有大慣性、純滯后、強(qiáng)非線性及溫度、氣壓等多種變量的耦合特性,要對其進(jìn)行有效控制往往比較困難。
目前,國內(nèi)陶瓷窯爐的測控系統(tǒng)一般通過對每個燃燒點(diǎn)進(jìn)行溫度控制實(shí)現(xiàn)整個流程所需的溫度曲線,每個控制點(diǎn)實(shí)行開環(huán)或閉環(huán)控制,通過PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn),一般也能獲得較好的效果。但相鄰被控點(diǎn)之間則沒有建立聯(lián)系,窯爐內(nèi)的氣氛沒有或只有簡單的開環(huán)控制。現(xiàn)場總線陶瓷智能測控系統(tǒng),是對每個測控點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)控制的同時,考慮各點(diǎn)之間的相互關(guān)系,對影響整個輥道窯內(nèi)燃燒風(fēng)油比的風(fēng)機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制,另外對燒成帶關(guān)鍵部分的氧含量進(jìn)行測控,以提高燒成品質(zhì)量。
1 控制方式
1.1 PID調(diào)節(jié)器
對每個測控點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)控制一般通過PID調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)。它以單片機(jī)為主體,結(jié)合外圍的繼電器、比例閥、調(diào)節(jié)器等檢測與執(zhí)行機(jī)構(gòu),構(gòu)成一個完整的初級計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。由于單片機(jī)速度及容量的限制,這種控制系統(tǒng)一般只能采用簡單的PID或模糊控制算法,按照預(yù)先設(shè)定的控制參數(shù)進(jìn)行過程控制。但這種系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)諸如參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整與在線優(yōu)化等功能。
1.2 基于CAN總線的控制
將各測控點(diǎn)通過CAN現(xiàn)場總線與上位計(jì)算機(jī)連接,可實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的先進(jìn)控制與優(yōu)化,從而適應(yīng)產(chǎn)品的升級換代和更大幅度的提高產(chǎn)品質(zhì)量。利用預(yù)測控制,可以使關(guān)鍵部位的溫度控制精度進(jìn)一步提高;依靠檢測窯內(nèi)氧含量保證陶瓷質(zhì)量必須滿足氧含量的要求,通過按燃燒熱效率最高在線風(fēng)油比優(yōu)化軟件來實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的節(jié)能;總結(jié)提高產(chǎn)品成品率和產(chǎn)品質(zhì)量的專家經(jīng)驗(yàn),例如為完成氣氛控制如何調(diào)整窯內(nèi)含氧量,按窯內(nèi)的空間分布的溫度和壓力變化曲線,以及燒制者的經(jīng)驗(yàn)等,并在上位機(jī)中通過軟件得以實(shí)現(xiàn),從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。
2 測控系統(tǒng)基本組成
針對陶瓷窯爐的控制要求,采用CAN總線技術(shù)設(shè)計(jì)的測控系統(tǒng)原理圖如圖1所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時,考慮將各段窯爐上的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和對應(yīng)段的熱電偶用一塊CAN總線控制模塊進(jìn)行控制和信號采集,并安裝在現(xiàn)場,這樣可減少熱電偶在傳輸過程中可能產(chǎn)生的干擾;其它熱電偶、氧含量探頭以及壓力傳感器使用CAN總線A/D模塊進(jìn)行控制;風(fēng)機(jī)控制通過D/A模塊完成;流量計(jì)數(shù)據(jù)的采集通過計(jì)數(shù)器模塊,風(fēng)機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)等開關(guān)量信號由開關(guān)量輸入模塊完成等。
圖1 測控系統(tǒng)原理圖
CAN總線的網(wǎng)絡(luò)適配卡采用PCL-841,其特性是與IBM-PC機(jī)兼容又符合CAN協(xié)議,插入擴(kuò)展槽內(nèi)完成CAN協(xié)議的通信。各從站模塊中模擬量采集及模-數(shù)、數(shù)-模轉(zhuǎn)換采用ADAM系列模塊完成。
3 CAN總線的特點(diǎn)
CAN是開放的現(xiàn)場總線,出于對實(shí)時性和降低成本的考慮,CAN總線只采用了開放式互連（OSI）7層參考模型中最關(guān)鍵的兩層,即物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。根據(jù)Philips公司制定的CAN技術(shù)規(guī)范2.0版,其通信距離可達(dá)到10Km（5kbps）,最高速率達(dá)1Mbps（40m）。
CAN總線的物理層主要內(nèi)容規(guī)定了通信介質(zhì)的機(jī)械、電氣、功能和規(guī)程特性。數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能是將要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行包裝,即加上數(shù)據(jù)差錯校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的控制信息、頭尾標(biāo)識等附加信息組成數(shù)據(jù)幀,從物理通道上發(fā)送出去,在接到數(shù)據(jù)幀后再把附加信息去掉得到通信數(shù)據(jù)。
CAN總線的主要特點(diǎn):
（1） 實(shí)時性:CAN總線數(shù)據(jù)段長度最多為8個字節(jié),能夠滿足工業(yè)領(lǐng)域中對一個工作點(diǎn)的控制命令或數(shù)據(jù)采集的要求。
?。?） 無主性:網(wǎng)絡(luò)上的任意一個節(jié)點(diǎn)均可以主動地向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù),可方便地構(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng)。
（3） 可靠性:數(shù)據(jù)每一幀都有循環(huán)冗余（CRC）檢驗(yàn)和其它檢驗(yàn)措施,數(shù)據(jù)差錯率低,而且網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)在嚴(yán)重錯誤時,能夠自動關(guān)閉總線,退出網(wǎng)絡(luò)通信而保證總線上的其它操作不受影響。
4 CAN總線的網(wǎng)絡(luò)接口及系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1 CAN總線的網(wǎng)絡(luò)接口
CAN總線網(wǎng)絡(luò)接口由Philips公司SJA1000芯片和PCA82C250芯片組成。SJA1000是一個獨(dú)立的CAN控制器,可以工作在BasicCAN和PeliCAN兩種不同的工作方式,且支持CAN2.0B協(xié)議,具有擴(kuò)展接口緩沖器、增強(qiáng)錯誤處理能力和增強(qiáng)驗(yàn)收濾波等功能,可以直接進(jìn)行CAN總線互連。為了增強(qiáng)驅(qū)動能力,使用總線收發(fā)器82C250與之配合,其連接電路圖如圖2所示。
為了提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)淠芰?CAN總線兩端需要接有120Ω（R22）的抑制反射的終端電阻,它對匹配總線阻抗起著非常重要的作用。如果忽略此電阻,會使數(shù)字通信的抗干擾性和可靠性大大降低,甚至無法通信。
圖2 CAN總線接口電路圖
4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
多個現(xiàn)場測控裝置的控制程序包括熱電偶測溫的非線性補(bǔ)償、壓力和流量等控制量的執(zhí)行功能,通過CAN總線和上位機(jī)進(jìn)行通信。多個測控單元分別完成系統(tǒng)的某部分功能。當(dāng)某一單元出現(xiàn)故障時,它的影響只是局部的;主機(jī)出現(xiàn)故障時,各智能卡仍可以獨(dú)立完成測控任務(wù)。各個測控裝置將現(xiàn)場信號就近采集并作處理后,通過CAN總線送給上位機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理,以便分析、控制和存儲,主機(jī)還負(fù)責(zé)人機(jī)交互和數(shù)據(jù)管理。
輥道窯控制系統(tǒng)中上位機(jī)的主要任務(wù)是:通過CAN總線接口與各節(jié)點(diǎn)通信,接收下端傳來的數(shù)據(jù)并向CAN網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令;處理節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)并計(jì)算控制量。主機(jī)的主要計(jì)算任務(wù)是根據(jù)節(jié)點(diǎn)傳送的溫度、氧含量和流量等,運(yùn)用程序中設(shè)定的控制算法（如模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等）,對現(xiàn)場測控點(diǎn)的控制量進(jìn)行精確計(jì)算。
上位機(jī)程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是通信程序的設(shè)計(jì),由三部分組成:CAN控制器的初始化程序、發(fā)送程序及接收程序。設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是SJA1000的初始化,如果初始化不正確,系統(tǒng)將不可能正確發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。對SJA1000的初始化包括對其時鐘分頻寄存器（CDR）、驗(yàn)收碼寄存器（ACR）、驗(yàn)收屏
蔽寄存器（AMR）、兩個總線定時寄存器（BTR0和BTR1）和輸出控制寄存器等的初始化。其初始化流程圖如圖3所示。
圖3 初始化程序流程圖
5 結(jié)語與本文作者創(chuàng)新點(diǎn)
將先進(jìn)的現(xiàn)場總線技術(shù)（CAN BUS）應(yīng)用于陶瓷窯的智能測控系統(tǒng)中,大大提高了系統(tǒng)的可靠性、陶瓷產(chǎn)品的成品率而且節(jié)能效果明顯。利用89C52單片機(jī)、SJA1000和82C250等芯片所實(shí)現(xiàn)的CAN總線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì),性能穩(wěn)定,可擴(kuò)展性強(qiáng),可以直接移植到其它系統(tǒng)中,為科研工作者提供一定的參考。
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