基于控制局域網(wǎng)總線技術(shù)實現(xiàn)船用張緊器驅(qū)動監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

鋪管船用張緊器是海底油氣管道鋪設(shè)的關(guān)鍵配套設(shè)備，由夾緊系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)組成，我國從上世紀(jì) 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，2007年開始深水鋪管張緊器的研究。張緊器驅(qū)動系統(tǒng)由上下兩套履帶驅(qū)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(dá)驅(qū)動的方式來輸送管線，但深水鋪管的張緊力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于灘海鋪管所需的張緊力，若采用液壓馬達(dá)驅(qū)動，則進(jìn)出油管直徑較大，由泵站到馬達(dá)的管路設(shè)計、布置難度大。相對而言，電機(jī)安裝方便、控制方式簡單，所以采用四個交流伺服電機(jī)代替液壓馬達(dá)驅(qū)動張緊器。張緊器在工作過程中上下履帶同步運(yùn)動，并確保管線的張力在一定范圍內(nèi)，這就要求監(jiān)控系統(tǒng)對交流伺服電機(jī)的控制信號具有實時性強(qiáng)、同步性好的特點(diǎn)，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(diǎn)，將 CAN總線技術(shù)應(yīng)用于張緊器驅(qū)動監(jiān)控系統(tǒng)中。 CAN總線技術(shù)為張緊器驅(qū)動監(jiān)控系統(tǒng)提供了一個實時可靠的信息交互網(wǎng)絡(luò)，解決了傳統(tǒng) I/O模塊多，干擾嚴(yán)重、系統(tǒng)軟件復(fù)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(diào)試和維護(hù)。

1 CAN總線的特點(diǎn)及應(yīng)用

CAN作為一種串行總線， 特別適用于含有一群智能設(shè)備的系統(tǒng)或子系統(tǒng)中，總線上任一個節(jié)點(diǎn)均可在任一時刻主動向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，而從不分主從，通信靈活，總線上的節(jié)點(diǎn)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(dāng)兩節(jié)點(diǎn)同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點(diǎn)主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。具有實時性強(qiáng)、可靠性高、通信速率快、結(jié)構(gòu)簡單、互操作性好、總線協(xié)議具有完善的錯誤處理機(jī)制、靈活性高和價格低廉等特點(diǎn)，在工業(yè)測控和工業(yè)自動化等領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景。

在歐美等國，CAN總線已被廣泛地應(yīng)用于汽車、火車、輪船、機(jī)器人、智能樓宇、機(jī)械制造、數(shù)控機(jī)床、各種機(jī)械設(shè)備、交通管理、傳感器、自動化儀表等領(lǐng)域。

在國內(nèi)，CAN總線技術(shù)被大量地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)監(jiān)控、電廠測控、火災(zāi)報警、變電站控制、煤炭綜合監(jiān)控等。 2張緊器驅(qū)動監(jiān)控系統(tǒng)

電機(jī)驅(qū)動上、下履帶運(yùn)動，在摩擦力的作用下拖動管線運(yùn)動，正常鋪管速度為 30m/min，但在鋪管過程中，受風(fēng)浪影響，當(dāng)船上升時，管線將承受很大拉力，當(dāng)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(dāng)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(yīng)力，該應(yīng)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(shè)過程中受張緊力 F范圍為： Fmin驅(qū)動監(jiān)控系統(tǒng)對電機(jī)的監(jiān)控為實時過程，通過采集張緊力、電機(jī)轉(zhuǎn)速等信息，實時控制電機(jī)的運(yùn)行，且四個交流伺服電機(jī)具有良好的同步性。監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1所示

單片機(jī)與 CAN總線連接方式有兩種：片外連接和片內(nèi)集成。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(luò)，這樣使 CPU外圍電路復(fù)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(jī)，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(zhuǎn)換器、8位 A/D轉(zhuǎn)換器及 12位 D/A轉(zhuǎn)換器等。為進(jìn)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(gòu)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(diǎn)的電氣隔離。

為保護(hù) 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(shè)置參數(shù)，通過 LCD顯示器監(jiān)視系統(tǒng)各個參數(shù)。電機(jī)控制單元采用：單片機(jī)—變頻器—交流伺服電機(jī)的控制方式，信號通過 CAN總線對變頻器進(jìn)行控制進(jìn)而控制電機(jī)的運(yùn)行狀況。

CAN通信軟件設(shè)計張緊器驅(qū)動監(jiān)控系統(tǒng)整個監(jiān)控過程為實時采集電機(jī)轉(zhuǎn)速信息、張緊力F的大小，若F》Fmax則電機(jī)加速送管；若F

開始

由主控流程圖可以看出，軟件設(shè)計的關(guān)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(guān)重要。 CAN通信系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括系統(tǒng)初始化、發(fā)送程序、接收程序。在完成對所有報文對象初始化后，程序進(jìn)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(yuǎn)程幀的識別符，將對應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)如圖4所示。

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

4 結(jié)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(shù)運(yùn)用于船用張緊器驅(qū)動監(jiān)控系統(tǒng)中，重點(diǎn)介紹系統(tǒng)設(shè)計方案、CAN與單片機(jī)硬件接口設(shè)計、軟件設(shè)計等內(nèi)容。解決了傳統(tǒng)電機(jī)控制方式中實時性差、響應(yīng)時間長、多電機(jī)控制同步性差、信號傳輸抗干擾能力差的缺點(diǎn)，保證了張緊器對管線實現(xiàn)恒張力控制。 文章創(chuàng)新點(diǎn)：將控制局域網(wǎng)（CAN）總線應(yīng)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(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jī)工作同步性差、信號傳輸抗干擾能力差的缺點(diǎn)，為張緊器可靠工作提供了保證。

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