基于CAN總線的分布式鋁電解控制系統

張 東

（四川啟明星鋁業有限責任公司，四川 眉山 620041）

在時代不斷發展的過程中，人們對于機械的使用重視程度越來越高，也對現有的機械進行不斷的改進與完善，使機器能夠在最大程度上提升人們的工作效率，解放人們雙手。而伴隨著時代的發展，計算機技術也在不斷的改進與完善，在這種情況下，人們將計算機智能化技術應用于現階段的工業發展中，極大程度上提升現階段工業發展質量與效率。在這種環境之下，相關的人員對現有的鋁電解生產技術進行改進與優化，更好的將智能化技術與現階段的鋁電解生產技術相互融合，使其能夠在現階段人們的生產活動中起到更好的應用效果。

1 概念闡述

1.1 CAN總線

1.1.1 CAN

CAN又被稱為控制器局域網絡,其最早產生于德國BOSCH公司，主要應用于汽車電子產品之中。而伴隨著時代的發展，其技術在不斷的發展與完善，現階段CAN總線已經成為國際中應用最為廣泛的現場總線之一，而在北美與西歐等地區，其協議也成為了汽車計算機控制系統和嵌入式工業控制局域網絡的標準總線。

1.1.2 CNA總線特點

控制器局域網絡在現階段我國工業發展過程中有著極為重要的作用，而且在實際應用的過程中，自身的特點主要表現在5個方面。第一，完成對通信數據的成幀處理，其在實際應用的過程中能夠通過協議的物理層以及數據鏈路層功能，對通信數據進行成幀處理工作，更好的進行數據優先級別的判定。第二，是網絡內節點個數在理論上不受到限制，CAN協議在實際應用的過程中最為重要的特點之一是其廢除了傳統的地址編碼，利用通信數據塊進行編碼，這種方式也造就其在實際應用的過程中并沒有傳統網絡內節點數量的限制。第三，可在各個節點之間實現自由通信，CAN總線在實際應用過程中采取了多種競爭總線結構,這種結構造成其在實際應用的過程中具有多主站運行，分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點。各個節點可以按照自身的實際需求，不分主次的向其他節點發送相應的信息，進而實現各個節點之間的通信自由。第四，結構簡單，相比于其他方式而言，其在實際應用中僅僅有兩根線與外界進行連接，而其線路內部存在錯誤探測與管理模塊，以保證其能夠順利的運行。第五，傳輸距離與速率。從數據通訊角度上來說，數據通信沒有主次之分，可以從任意一個節點向其他節點進行數據通訊，而各個節點在進行數據通訊的過程中，會采取信息優先等級進行通訊次序的確定，優先級高的節點甚至可以達到134μs，而在信息傳遞的過程中，如果出現多個節點同時發起通信的情況，優先級低的會主動停止數據發送避讓優先級高的，在這種情況下通訊線路不會出現擁堵情況。而從傳輸距離角度上來說，其傳輸距離最遠可達到10千米，而傳輸速率可以達到1MBps。

1.1.3 CAN總線應用優勢

控制器局域網絡的優勢基本表現在3個方面。第一，網絡各個節點之間數據通訊實時性較強。首先從各個等級的數據來說，現在進行信息傳遞的過程中，會根據數據的優先等級采用無損結構的逐位仲裁的方式競爭，向總線發送數據。而這種方式與傳統的方式不同，其次廢除了原來的站地址編碼，而使用通信數據進行編碼，這種方式也造成其在實際應用的過程中能夠使不同的節點同時接受通信數據，增強數據通信的實時性，提升系統的可靠性與靈活性。第二，開發周期較為短暫。控制器局域網絡在實際應用的過程中，不會出現多個節點會同時向總線發送數據，造成總線呈現短路狀態，進而損壞某些節點。而CAN節點在出現嚴重錯誤的情況下，會自行的關閉自身的輸出功能，降低受損節點對其他節點的影響，進而降低了由于單個節點的問題影響總線運行情況發生的概率。第三，已是標準化現場總線。相比于其他的方式而言，控制器局域網絡在實際應用的過程中發展的時間較為長，發展較為完善，且其具有通信速率高，容易實現，性價比較高等優勢，造成其在市場中更具有競爭力，也成為現階段國際標準的現場總線之一。

鋁電解生產：鋁電解生產系列是由多臺直流鋁電解槽串聯組成。計算機數據采集信號為每臺電解槽槽電壓和系列電流,對電解槽的監控主要是槽電壓和氧化鋁濃度。槽電壓控制是采用帶電流補償的槽電阻數學模型控制算法,即調節槽電壓,主要控制槽內的能量平衡;對于氧化鋁濃度的控制,由于該濃度無法直接測定而無法建立精確的數學模型。但是它和槽電阻的變化有一定的對應關系,為此采用模糊控制算法控制氧化鋁濃度,即通過打殼下料來主要控制電解槽內的物料平衡。

鋁電解智能控制：但隨著時代的發展，人們對于智能化控制的重視程度在不斷的提升，而將智能化技術應用于現階段共享中是現階段我國發展中的重點工作之一，鋁電解智能控制在實際應用的過程中需要保證其按照控制的原則以及控制內容進行控制工作，才能夠在最大程度上保證槽控機運行的穩定性。

1.2 控制原則

相比于一般的工業生產過程而言，鋁電解的車間環境更加的惡劣，因而對于鋁電解的要求更加的高，一般情況下，鋁電解智能控制在實際運行的過程中需要遵循以下幾方面的原則：首先要求鋁電解智能控制在實際應用的過程中具有較高的較為清晰的層次劃分。其次需要保證智能控制系統的全面性，在進行智能系統設計過程中需要盡可能的從多個角度出發，進行智能控制系統的設計，保證鋁電解槽運行過程能夠受到更加全面的監督與管理，進而保證其運行質量。最后需要保證其可持續發展性，伴隨著時代的發展，相關的技術、理論等也在不斷的進行發展與完善，在這種情況之下，要求鋁電解智能控制需要伴隨著時代的發展，積極的進行新技術，新理論的引入，進而保證其能夠緊跟時代發展的潮流，保證自身發展的活性。

1.3 控制內容

為保證鋁電解能夠順利的完成，需要按照實際情況設置相應的主控模塊，而且主控模塊只需要設置相應的功能模塊，如較為常見的數據處理模塊、屏幕顯示模塊、故障處理模塊、打印模塊、控制模塊、輸出模塊等。進而需要對每一個模塊進行更加細致的劃分，如可以將數據處理模塊分解為模擬數據采集，開關量數據采集，數據濾波三個模塊，而將故障處理模塊可以細分為黏連故障，越線模塊，陽極效應模塊故障，熱槽故障，并槽故障，系列電流異常等模塊。而控制模塊需要分成常規控制，出鋁函數控制，陽極轉接函數控制幾個部分。

控制流程：從其控制流程角度上來說，首先需要啟動相應的軟件，調動初始化模塊，之后通過登錄窗口進入主窗口，進而進入到子模塊中，在實際運行中的主模塊分別為控制模塊，故障處理模塊，打印模塊，退出模塊，數據出鋁子模塊等。其子模塊是由控制子模塊進行統一的管理，控制子模塊在實際應用中能夠對故障處理子模塊，數據出鋁子模塊，推出子模塊進行控制，而故障子模塊能夠對打印子模塊以及推出子模塊進行控制，數據出鋁子模塊能夠對推出模塊進行處理。

槽控機電路技術要求：槽控機在實際應用的過程中，對于其電路有以下幾方面的要求。第一，為保證槽控能夠更加順利的使用，要求槽控機的邏輯擁有自動和手動功能，在出現問題時能夠進行手動操作。第二，線路在實際應用的過程中需要有動作保護，以及軟硬件兩方面的保護，提升設備使用的安全性，保證應急動作能夠按照要求準確的實施。第三，要求槽控機在實際應用的過程中能夠具有自我診斷功能，槽控機在使用中如果出現故障，能夠將其故障通過線路反映于槽控機的顯示面板中，并能夠向上級計算機進行反饋，具有選擇性的向外界傳遞其故障信息，為維修管理人員提供更加精確的數據。

結構系統研究：本文所研究的系統，在實際應用的過程中是由智能槽控機，監控管理計算機以及CAN總線三部分所組成。其中監控計算機主要對CAN總線進行監控，而CAN總線將智能槽控機與監控計算機進行連接。從功能角度上來說智能槽控機在實際應用的過程中，主要是進行信息的采集以及信息的控制，通過CAN總線網絡將所收集的數據傳遞到監控計算機中，而監控計算機則對所收集的數據進行分析，為智能槽控機參數設置提供一定的數據支持。以及在系統運行的過程中能夠對運行中的異常數據進行監控。CAN總線是由智能總線通訊適配卡PC CAN、通訊介質以及相應通訊軟件組成。CAN接口卡是具有高性能價格比的智能通訊適配卡PCCAN,它使監控管理計算機方便地連接到CAN總線上。而PCCAN中的嵌入式微處理器在實際應用的過程中也能夠在較大程度上降低主機的負擔，更高效的完成部分復雜的通信任務。

智能控制基槽設計：槽控機在實際應用的過程中首先需要按照其實際情況進行單片機的選擇，本文在研究過程中所選擇的是Intel公司的386eX CPU芯片，其在實際應用中的優勢表現在，發展時間較長各方面發展較為完善。而從槽控機的構成角度上來說，槽控機在實際應用中的主要構成部分由動力箱以及邏輯箱所組成，而兩者在實際應用中的功能也存在一定的不同，動力箱在實際應用中主要是進行常規電路的控制。而邏輯箱在實際應用的過程中功能較為復雜，可以說是一個復雜的專用計算機，也是槽控機的核心部分。主要是由幾塊帶有不同功能的相對獨立的智能模板所組成，而不同模板之間是通過PC104總線和串口進行連接。分別為CPU板部分，在實際應用的過程中在主要是進行控制解析；邏輯大板部分，在實際應用的過程中主要是進行繼電器驅動、提供直流定時器、顯示數碼驅動、提升機安全保護、光隔輸出等功能；輸入隔離板部分是對輸入信號與系統進行隔離，防止外部高電壓等對內部的沖擊；智能打殼板部分是對打殼氣缸進行智能控制；操作開關板部分，在實際應用中主要是進行手動指令工作；狀態數碼顯示板部分，在實際應用中主要是進行信息的顯示。

CAN通信軟件設計：從其通訊軟件設計角度上來說，其結構設計可分成物理層，數據鏈接層以及應用層三個層面，而前兩者在設計以及應用的過程中需要依托于CAN總線，其中最為重要的是硬件線路以及通信協議兩方面的內容。從協議角度上來說，CAN協議在實際應用的過程中主要是通過網絡通信數據幀、遠程幀、錯誤幀以及超載幀四個組成部分進行系統的控制與運行，而其系統在實際運行的過程中首先是由各種通信數據幀進行數據的傳遞與接收，之后通信控制器在接收相應的信息后，將其發送給總線上，總線在進行信息的接收后，信息通過CPU繼續進行傳遞，CPU即可通過接收/發送緩存區向物理總線接收和發送數據。

2 結語

基于CAN總線的分布式鋁電解控制系統在實際應用中能夠在較大程度上提升電解槽生產的高效控制，進而保證其能夠更加穩定平穩的運行，提升系統運行整體質量與效率。而從另一方面來說，其系統的高效使用也能夠在極大程度上提升系統集成化、智能化程度，進而使系統在應用中安全性更高，更具有可靠性。故而，CAN總線在實際應用中具有著較為突出的優勢，具有推廣以及應用價值。