CAN總線在張緊器驅(qū)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

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(dòng)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)組成，我國(guó)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(xiàng)目[1]，2007年開始深水鋪管張緊器的研究。張緊器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由上下兩套履帶驅(qū)動(dòng)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(gè)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的方式來輸送管線[2]，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(dòng)，則進(jìn)出油管直徑較大，由泵站到馬達(dá)的管路設(shè)計(jì)、布置難度大。相對(duì)而言，電機(jī)安裝方便、控制方式簡(jiǎn)單，所以采用四個(gè)交流伺服電機(jī)代替液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)張緊器。張緊器在工作過程中上下履帶同步運(yùn)動(dòng)，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(duì)交流伺服電機(jī)的控制信號(hào)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、同步性好的特點(diǎn)，同時(shí)，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(hào)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(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中。 CAN總線技術(shù)為張緊器驅(qū)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)提供了一個(gè)實(shí)時(shí)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(hào)傳輸實(shí)時(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)均可在任一時(shí)刻主動(dòng)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(jí)，可以滿足不同的實(shí)時(shí)要求。采用非破壞性總線仲裁，當(dāng)兩節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)[3]。具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、通信速率快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、互操作性好、總線協(xié)議具有完善的錯(cuò)誤處理機(jī)制、靈活性高和價(jià)格低廉等特點(diǎn)，在工業(yè)測(cè)控和工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景。

在歐美等國(guó)，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(dòng)化儀表等領(lǐng)域[4-5]。

在國(guó)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(cè)控、火災(zāi)報(bào)警、變電站控制、煤炭綜合監(jiān)控等[6]。 2張緊器驅(qū)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)上、下履帶運(yùn)動(dòng)，在摩擦力的作用下拖動(dòng)管線運(yùn)動(dòng)，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(shí)，管線將承受很大拉力，當(dāng)拉力超過昀大許用拉力值 Fmax時(shí)，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(shí)，管線承受拉力減小，若拉力值小于昀小拉力值 Fmin時(shí)，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(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的監(jiān)控為實(shí)時(shí)過程，通過采集張緊力、電機(jī)轉(zhuǎn)速等信息，實(shí)時(shí)控制電機(jī)的運(yùn)行，且四個(gè)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[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(luò)，這樣使 CPU外圍電路復(fù)雜化，整個(gè)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(gè)串行接口、 5個(gè) 16位定時(shí)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(shí)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(gè) 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(gè)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(gè) 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(gè)參數(shù)。電機(jī)控制單元采用：?jiǎn)纹瑱C(jī)—變頻器—交流伺服電機(jī)的控制方式，信號(hào)通過 CAN總線對(duì)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(jì)張緊器驅(qū)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)整個(gè)監(jiān)控過程為實(shí)時(shí)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(jì)的關(guān)鍵在于采集速度、張緊力的值和發(fā)送控制信號(hào)，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(jì)包括系統(tǒng)初始化、發(fā)送程序、接收程序[10]。在完成對(duì)所有報(bào)文對(duì)象初始化后，程序進(jìn)入發(fā)送/接收階段。CAN報(bào)文的發(fā)送是個(gè)自動(dòng)過程，由CAN控制器自動(dòng)完成。用戶只需要根據(jù)接收到的遠(yuǎn)程幀的識(shí)別符，將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到發(fā)送緩沖寄存器，然后將此報(bào)文對(duì)象的編碼命令請(qǐng)求寄存器啟動(dòng)發(fā)送即可。發(fā)送程序結(jié)構(gòu)如圖4所示。

CAN報(bào)文的接收也是由CAN控制器自動(dòng)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)[11]。為提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，接收過程采用中斷的方式實(shí)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(duì)監(jiān)控系統(tǒng)信號(hào)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(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中，重點(diǎn)介紹系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、CAN與單片機(jī)硬件接口設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等內(nèi)容。解決了傳統(tǒng)電機(jī)控制方式中實(shí)時(shí)性差、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、多電機(jī)控制同步性差、信號(hào)傳輸抗干擾能力差的缺點(diǎn)，保證了張緊器對(duì)管線實(shí)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(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性要求高的場(chǎng)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(shí)時(shí)性差、多電機(jī)工作同步性差、信號(hào)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。