基于PC-CAN適配卡和總線技術(shù)實現(xiàn)潛水電機分布式監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用方案

目前，國內(nèi)外已有多家公司開發(fā)出針對個體潛水電機的智能電了保護裝置，雖然可以達到保護電機的目的，但無法實現(xiàn)集中管理。因此，對潛水電機群的實時監(jiān)控與統(tǒng)一管理的要求日益迫切。本文設(shè)計了基于CAN現(xiàn)場總線的潛水電機群分布式智能監(jiān)控系統(tǒng)，可以對散布的潛水電機保護裝置進行組網(wǎng)，實現(xiàn)潛水電機的智能化控制和網(wǎng)絡(luò)化管理。

潛水電機智能監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計

基于CAN現(xiàn)場總線的潛水電機分布式智能監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控計算機（內(nèi)置PC-CAN適配卡）、智能節(jié)點、CAN總線網(wǎng)絡(luò)組成，其系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。分布在現(xiàn)場的監(jiān)控節(jié)點可以獨立對電機進行智能控制和故障保護；監(jiān)控計算機可以通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)和各個監(jiān)控節(jié)點進行實時通信，從而實現(xiàn)潛水電機群的分布式控制和集中臨管。

智能節(jié)點是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，它對潛水電機進行智能控制，并對電機在運行過程中出現(xiàn)的過載、過熱、滲水、漏水、短路、缺相等故障進行保護。PC-CAN適配卡用來完成CAN總線和監(jiān)控計算機之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，可以選用PCI總線適配卡、ISA總線適配卡或RS-232串行通信適配器。各個智能節(jié)點之間通過屏蔽雙絞線瓦聯(lián)構(gòu)成CAN總線網(wǎng)絡(luò)，總線兩端連接120Ω的阻抗匹配電阻，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

由監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和功能可知，該系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要足CAN智能節(jié)點的設(shè)計。智能節(jié)點硬件電路設(shè)計采用了模塊化結(jié)構(gòu)，由MCU、CAN通信模塊、信號采集模塊、電機控制模塊、狀態(tài)顯示模塊、參數(shù)設(shè)置模塊及串行通信接口組成，智能節(jié)點的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)具體情況可以只選用其中的部分模塊，增加了監(jiān)控裝置的實用性和經(jīng)濟性。例如：可以去掉顯示模塊和現(xiàn)場設(shè)置模塊，利用監(jiān)控計算機實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和參數(shù)設(shè)置的功能。在單機運行時，可以不使用CAN通信模塊。

為了簡化設(shè)計，提高系統(tǒng)的可靠性和性價比，智能節(jié)點的主要元器件都是選用同一家公司的產(chǎn)品，包括：微控制器（P89V51RD）、CAN控制器（SJA1000）、CAN收發(fā)器（PCA82C250）。P89V51RD內(nèi)帶64kB的Flash存儲器，該存儲器支持ISP功能，ISP的優(yōu)點是支持在系統(tǒng)編程，即不需要移出為控制器，只需要通過串行接口（RXT和RXD），結(jié)合上位機軟件就可以實現(xiàn)PC對MCU的重復(fù)編程，而且硬件電路連接簡單，這樣就方便了程序調(diào)試，縮短了設(shè)計開發(fā)周期，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性?，F(xiàn)場智能節(jié)點各個組成模塊的功能如下：

1．CAN通信模塊：CAN總線通信接口電路主要由CAN控制器SJA1000、6N137高速光隔、CAN收發(fā)器PCA82C250組成。SJA1000完全兼容CAN2.0協(xié)議，用來完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能，可實現(xiàn)對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，具有多主結(jié)構(gòu)、總線訪問優(yōu)先權(quán)、硬件濾波等特點；PCA82C250提供了對CAN總線差動發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的功能，有效地提高了總線的抗干擾能力，實現(xiàn)了保護總線、降低射頻干擾等功能。為了進一步提高整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，在SJA1000和PCA82C250之間增加了光電隔離器件，并且采用了雙電源，有效地抑制由總線引入的干擾。

2．信號采集模塊：用來檢測電機的運行狀態(tài)，包括：鉑電阻溫度傳感器、電流互感器、電極式液位傳感器。分別用來檢測電機三相定子的溫度、三相主電流和電機腔內(nèi)的水位，可以有效地監(jiān)測潛水電機的過流、過熱、缺相、短路、滲漏等異?，F(xiàn)象。信號采集模塊以12位精度的ADC和多路模擬開關(guān)為核心，將傳感器采集到的模擬信號進行調(diào)理后轉(zhuǎn)變?yōu)?a target="_blank">數(shù)字信號并送入微控制器。MCU得到檢測信息后做出相應(yīng)的判斷，并送至不同的子程序進行相應(yīng)的處理，如：把電機運行的溫度、電流等信息通過通信程序發(fā)送給監(jiān)控計算機；若出現(xiàn)電機內(nèi)腔水位過低、溫度過高、電流過大，則自動切斷本節(jié)點的電機、發(fā)出聲光報警信息，并把節(jié)點的停機信息通過CAN總線發(fā)送給監(jiān)控計算機。

3．電機控制模塊：MCU判斷電機定子溫度、電流、液位中的任一項值超出設(shè)定值范圍時，都會通過SSR（固態(tài)繼電器）觸發(fā)相應(yīng)的異常處理電路，使電機得到保護。

4．參數(shù)設(shè)置模塊：報警電流、報警溫度、停機電流、停機溫度、節(jié)點地址、波特率等信息通過參數(shù)設(shè)置模塊存儲于基于X25045的E2PROM中，實現(xiàn)節(jié)點工作參數(shù)現(xiàn)場設(shè)定功能。除了節(jié)點地址外，其它的參數(shù)也可以通過監(jiān)控計算機設(shè)置。

5．狀態(tài)顯示模塊：采用基于I2C總線的顯示技術(shù)，通過LED數(shù)碼管實時顯示電機運行過程中定子的溫度和電流值。并可以在設(shè)置模式下顯示待定參數(shù)的當(dāng)前值。當(dāng)電機出現(xiàn)非正常停機時，發(fā)光二極管可以指示出故障的類型，方便檢查維護。

監(jiān)控節(jié)點的硬件部分除了以上介紹的之外，還有電源電路和看門狗電路。電源電路提供所需隔離電源，用于提高節(jié)點的可靠性和安全性；看門狗電路主要保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，在上電、掉電以及警戒情況下復(fù)位輸出。

監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

從整個監(jiān)控系統(tǒng)的角度來看，該系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要分為兩大部分：即監(jiān)控計算機應(yīng)用軟件設(shè)計和現(xiàn)場智能節(jié)點軟件設(shè)計。

監(jiān)控計算機的軟件設(shè)計

計算機監(jiān)控軟件主要分為用戶應(yīng)用層、數(shù)據(jù)分析處理層及硬件設(shè)備驅(qū)動層3個部分，其軟件設(shè)計流程如圖3所示。

硬件設(shè)備驅(qū)動層通過PC-CAN接口卡建立監(jiān)控計算與CAN總線的連接，并與智能節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換；數(shù)據(jù)分析處理層完成CAN總線數(shù)據(jù)的接收、分類、判斷、處理、發(fā)送、存取操作等任務(wù)；用戶應(yīng)用層和用戶需求緊密相關(guān)，它主要完成的任務(wù)是為用戶提供顯示各類信息的監(jiān)控界面，進行人機交互，也就是通常所說的人機界面（HMI）設(shè)計。

監(jiān)控節(jié)點的軟件設(shè)計

潛水電機的現(xiàn)場控制與數(shù)據(jù)采集都是通過智能節(jié)點完成的，與節(jié)點的硬件設(shè)計相一致，智能監(jiān)控節(jié)點的軟件設(shè)計也遵循模塊化的設(shè)計原則，使控制軟件具有易讀、易擴展和易維護的優(yōu)點。通過C51語言編寫相應(yīng)的軟件模塊實現(xiàn)智能節(jié)點的各種功能。軟件的各功能模塊之間通過入口和出口參數(shù)相互聯(lián)系，組合靈活方便，減少了調(diào)試時間，縮短了開發(fā)周期。

監(jiān)控節(jié)點通信程序設(shè)計

智能監(jiān)控節(jié)點的通信采用CAN總線2.0A協(xié)議，通信模塊的軟件設(shè)計主要由初始化子程序、報文接收子程序、報文發(fā)送子程序3部分組成。其中初始化子程序是實現(xiàn)通信的關(guān)鍵，它主要用來完成CAN控制器工作方式的選擇，即對系統(tǒng)中的CAN控制器控制段中的寄存器進行設(shè)置。初始化過程是在CAN控制器復(fù)位模式下完成的。

智能節(jié)點與監(jiān)控計算機之間的數(shù)據(jù)交換是通過發(fā)送程序和接收程序?qū)崿F(xiàn)的。報文發(fā)送時只需將電機的狀態(tài)數(shù)據(jù)送入SJA1000的發(fā)送緩沖區(qū)中，然后啟動發(fā)送請求。監(jiān)控節(jié)點采用定時中斷的方式主動向監(jiān)控計算機發(fā)送數(shù)據(jù)。這是利用了CAN總線可以采用多主機方式通信的特點。由于實時監(jiān)控功能由各個控制節(jié)點完成，而監(jiān)控計算機主要起到管理作用，所以采用了定時上傳數(shù)據(jù)的方法，而沒有實時上傳所有傳感器采集到的數(shù)據(jù)，從而減輕了總線負擔(dān)。一個正在等待的報文會從存儲器復(fù)制到發(fā)送緩沖器后，置位命令寄存器TR標(biāo)志產(chǎn)生發(fā)送請求，發(fā)送過程由SJA1000獨立完成?；赟JA1000的報文接收有兩種方式：中斷方式和查詢方式。為了保證接收報文的準(zhǔn)確性，選擇實時性較高的中斷方式。在中斷方式下，如果SJA1000已接收一個報文，并且報文已通過驗收濾波器并放入接收FIFO，那么會產(chǎn)生一個接收中斷，通知微處理器有報文已經(jīng)接收。接收緩沖區(qū)用來存放CAN總線上發(fā)來的數(shù)據(jù)，MCU讀取數(shù)據(jù)后，接收緩沖區(qū)將被清空，等待接收新的數(shù)據(jù)。

結(jié)語

本文采用CAN現(xiàn)場總線設(shè)計的潛水電機分布式智能監(jiān)控系統(tǒng)具有抗干擾能力強、網(wǎng)絡(luò)化管理程度高、人機界面友好等特點。開發(fā)過程中所提出的技術(shù)方案和實現(xiàn)方法可以在類似的工業(yè)底層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及分布式監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計中推廣應(yīng)用。

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