CAN總線在張緊器驅動監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

鋪管船用張緊器是海底油氣管道鋪設的關鍵配套設備，由夾緊系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)組成，我國從上世紀 90年代開始鋪管船用張緊器的研究， 1998年完成勝利油田灘海鋪管船用張緊器項目[1]，2007年開始深水鋪管張緊器的研究。張緊器驅動系統(tǒng)由上下兩套履帶驅動系統(tǒng)組成，在灘海鋪管船用張緊器中，采用上下兩履帶各用兩個液壓馬達驅動的方式來輸送管線[2]，但深水鋪管的張緊力遠遠大于灘海鋪管所需的張緊力，若采用液壓馬達驅動，則進出油管直徑較大，由泵站到馬達的管路設計、布置難度大。相對而言，電機安裝方便、控制方式簡單，所以采用四個交流伺服電機代替液壓馬達驅動張緊器。張緊器在工作過程中上下履帶同步運動，并確保管線的張力在一定范圍內，這就要求監(jiān)控系統(tǒng)對交流伺服電機的控制信號具有實時性強、同步性好的特點，同時，鋪管船總控制室與張緊器距離約 150m，要求監(jiān)控系統(tǒng)在信號傳輸過程中有良好的抗干擾能力。本文通過分析 CAN總線特點，將 CAN總線技術應用于張緊器驅動監(jiān)控系統(tǒng)中。 CAN總線技術為張緊器驅動監(jiān)控系統(tǒng)提供了一個實時可靠的信息交互網(wǎng)絡，解決了傳統(tǒng) I/O模塊多，干擾嚴重、系統(tǒng)軟件復雜、硬件兼容性差等問題，提高了信號傳輸實時性和可靠性, 便于安裝、調試和維護。 1 CAN總線的特點及應用

CAN作為一種串行總線, 特別適用于含有一群智能設備的系統(tǒng)或子系統(tǒng)中，總線上任一個節(jié)點均可在任一時刻主動向網(wǎng)絡上的其他節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，而從不分主從，通信靈活，總線上的節(jié)點可分為不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實時要求。采用非破壞性總線仲裁，當兩節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)[3]。具有實時性強、可靠性高、通信速率快、結構簡單、互操作性好、總線協(xié)議具有完善的錯誤處理機制、靈活性高和價格低廉等特點，在工業(yè)測控和工業(yè)自動化等領域有很大的應用前景。

在歐美等國，CAN總線已被廣泛地應用于汽車、火車、輪船、機器人、智能樓宇、機械制造、數(shù)控機床、各種機械設備、交通管理、傳感器、自動化儀表等領域[4-5]。

在國內，CAN總線技術被大量地應用于工農(nóng)業(yè)監(jiān)控、電廠測控、火災報警、變電站控制、煤炭綜合監(jiān)控等[6]。 2張緊器驅動監(jiān)控系統(tǒng)

電機驅動上、下履帶運動，在摩擦力的作用下拖動管線運動，正常鋪管速度為 30m/min，但在鋪管過程中，受風浪影響，當船上升時，管線將承受很大拉力，當拉力超過昀大許用拉力值 Fmax時，造成管線破壞或使鋪管船定位錨走錨造成事故；當船下降時，管線承受拉力減小，若拉力值小于昀小拉力值 Fmin時，管線將承受很大彎曲應力，該應力將超過管線材料的屈服極限，從而引起管線產(chǎn)生塑性變形。這就要求管線在鋪設過程中受張緊力 F范圍為： Fmin
驅動監(jiān)控系統(tǒng)對電機的監(jiān)控為實時過程，通過采集張緊力、電機轉速等信息，實時控制電機的運行，且四個交流伺服電機具有良好的同步性。監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖 1所示



單片機與 CAN總線連接方式有兩種：片外連接和片內集成[7-8]。傳統(tǒng)的方式是將 CPU與 CAN總線控制器和總線收發(fā)器相連后再接入總線網(wǎng)絡，這樣使 CPU外圍電路復雜化，整個系統(tǒng)受外部影響較大。因此本系統(tǒng)選用其中以 Silicon Laboratories公司的 C8051F040型單片機，它在一塊芯片上集成了 64KB Flash、4352B RAM、CAN控制器 2.0、2個串行接口、 5個 16位定時器、 12位 A/D轉換器、8位 A/D轉換器及 12位 D/A轉換器等。為進一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在 CAN控制器引腳 CANTX、CANRX和收發(fā)器 PCA82C250之間并不是直接相連，而是通過由高速光耦 6N137構成隔離電路后再與 PCA82C250相連[9]，這樣可以很好的實現(xiàn)總線上各節(jié)點的電氣隔離。

為保護 PCA82C250免受過電流沖擊，在其 CANH和 CANL引腳各自通過一個 5?的限流電阻與 CAN總線相連，在 CANH和 CANL與地之間各聯(lián)一個瞬態(tài)電壓抑制二極管。為防止總線上的高頻干擾和電磁輻射，CANH和 CANL與地之間各自接一個 30pF濾波電容。硬件接口電路如圖 2所示。此外，操作員通過觸摸屏幕設置參數(shù)，通過 LCD顯示器監(jiān)視系統(tǒng)各個參數(shù)。電機控制單元采用：單片機—變頻器—交流伺服電機的控制方式，信號通過 CAN總線對變頻器進行控制進而控制電機的運行狀況。



CAN通信軟件設計張緊器驅動監(jiān)控系統(tǒng)整個監(jiān)控過程為實時采集電機轉速信息、張緊力F的大小，若F>Fmax則電機加速送管；若F
開始



由主控流程圖可以看出，軟件設計的關鍵在于采集速度、張緊力的值和發(fā)送控制信號，所以，基于CAN的通信至關重要。 CAN通信系統(tǒng)的軟件設計包括系統(tǒng)初始化、發(fā)送程序、接收程序[10]。在完成對所有報文對象初始化后，程序進入發(fā)送/接收階段。CAN報文的發(fā)送是個自動過程，由CAN控制器自動完成。用戶只需要根據(jù)接收到的遠程幀的識別符，將對應的數(shù)據(jù)轉移到發(fā)送緩沖寄存器，然后將此報文對象的編碼命令請求寄存器啟動發(fā)送即可。發(fā)送程序結構如圖4所示。

CAN報文的接收也是由CAN控制器自動完成，當接收到發(fā)送完標志位后，程序從接收緩沖器中讀取接收的數(shù)據(jù)[11]。為提高系統(tǒng)運行效率，接收過程采用中斷的方式實現(xiàn)。接收程序結構如圖4所示。


4 結論

深水鋪管張緊器工作條件惡劣，外部環(huán)境易對監(jiān)控系統(tǒng)信號造成干擾，本文將CAN總線技術運用于船用張緊器驅動監(jiān)控系統(tǒng)中，重點介紹系統(tǒng)設計方案、CAN與單片機硬件接口設計、軟件設計等內容。解決了傳統(tǒng)電機控制方式中實時性差、響應時間長、多電機控制同步性差、信號傳輸抗干擾能力差的缺點，保證了張緊器對管線實現(xiàn)恒張力控制。 文章創(chuàng)新點：將控制局域網(wǎng)（CAN）總線應用海洋鋪管張緊器這種工作條件惡劣、但對系統(tǒng)穩(wěn)定性要求高的場合，組成具有總線式網(wǎng)絡拓撲結構的分布式監(jiān)控系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)控制方式中實時性差、多電機工作同步性差、信號傳輸抗干擾能力差的缺點，為張緊器可靠工作提供了保證。