基于CAN總線的變頻設備遠程監控系統的實現

近年來，隨著國家建設節約型社會的提出，對節能節電的重視程度越來越高，特別是加大了對國有企業中的大型用電設備的節能改造力度，變頻器在油田，煤礦，發電廠，鋼鐵廠等國有大型企業中的使用數量越來越多。特別是油田上，抽油機變頻器，潛油電泵變頻器，注水泵變頻器和加熱電源等電力電子設備在油田的大面積推廣使用。根據油田生產野外作業的特殊性----每個設備之間的距離比較遠，但又相對集中，所以基于各種現場總線的集中控制顯得越來越有必要。CAN總線在變頻設備的集中管理和控制上顯示了突出的優勢，其超遠距離傳輸，和超強的抗干擾性是其他總線所不能比擬的。另外最重要的一點是在整個控制系統中，不分主從的組網拓撲結構，方便的增減通訊節點。

山東新風光電子科技發展有限公司的中、低壓變頻器和加熱電源性能穩定，各種保護功能齊全，具有RS232和RS485通訊接口。到2007年6月份止，在大慶油田，勝利油田的使用總數數量超過700臺，其中勝利油田大概500臺左右，并且呈現快速上升的趨勢。另外新鄉制藥集團的發酵罐變頻器設備也有上百套。這對于同一品牌的變頻器在同一領域內的市場占有率是相當高的。這就為基于CAN總線的遠程集中監控系統提供了很大的市場條件，也有了推廣的必要性。另外該系統對于同時擁有多臺變頻設備的生產現場都能靈活的應用。

CAN總線介紹：

CAN使用的通訊協議是CSMA／CD協議（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）。網絡上的每個節點在向總線發送數據的時候總是要監聽總線的狀態是否空閑，若檢測到沒有沖突，即總線處于空閑狀態，這時候每個節點向總線發送數據且每個節點的機會均等，既載波監聽多路訪問。如果兩個節點同時向總線發送數據，節點檢測到沖突，并做出相應的無損仲裁處理。即在沖突以后，數據能保持不變,繼續監聽總線，等待下一次發送。

CAN協議是一個基于消息格式的協議而不是完全基于節點ID的傳輸的協議，廢除了傳統的站地址編碼。基于這種協議：消息的傳輸不只是按照地址從一個節點傳輸到另一個節點，還可以實現組播和廣播。廣播時，系統中的每個節點都能接收總線上傳輸的數據并確認是否每個消息都能被正確的接收。同時每個節點都能判斷接收的數據是應該被保存還是立刻丟棄。在CAN通訊過程中的錯誤檢測中主要包括：應答錯誤，格式錯誤，位錯誤，填充錯誤。其中主要的錯誤狀態有錯誤激活，錯誤認可，總線關閉等。

CAN總線有以下特點：

(1)CAN可以是對等結構，即多主機工作方式



圖1系統拓撲圖

變頻器節點信息采集：

節點信息主要是指變頻器的各個運行參數以及運行狀態，風光變頻器常用的參數設置主要有：運行頻率，最高頻率，起始頻率，加速時間，減速時間，額定電流，V/F曲線選擇，開環/閉環設定，多段速設定，實際輸入電流、電壓，實際輸出電流、電壓，低頻補償；另外還有多種故障保護監測：短路保護（瞬間電流超過額定電流的1.8倍），過流保護（電流超過額定電流的1.5倍并持續1Min），過壓保護（輸入電壓超出額定電壓的1.2倍），欠壓保護（輸入電壓低于額定電壓的0.8倍），溫升保護（變頻器內部溫度高于75攝氏度），缺相保護，外部異常保護等等。

目前的采集方式有兩種：對于原來的機型主控芯片為N87C196MC，主控板的對外的通訊方式為RS485，所以在與CAN總線通訊是必須外加一個RS485－CAN的轉換電路。



圖2節點信息采集示意圖

隨著產品的升級換代，DSP的應用使得通訊變得更加容易，TI公司的TSMLF2407A芯片上集成了CAN通訊接口，可以省略上面的電路。升級后的風光變頻器實現起來CAN總線通訊將會變得更加的簡單。

數據的傳輸與轉換：

數據在送到總線上后，要通過介質傳輸，于CAN協議本身對差錯控制算法比較優化，所以對介質沒有很高的要求，就普通的雙絞線由就能夠達到10km的傳輸距離。但是考慮到變頻器運行和設備控制的絕對可靠性，我們在5km的傳輸范圍內使用雙絞線，在超出5km時采用光纖作為中間傳輸介質用來提高抗干擾能力。

CAN在傳輸到控制計算機時，必須外加一個電平轉換器來完成與主控計算機的數據交換，其轉換原理如圖2所示。另外這種轉換裝置在目前的市場上有比較成熟的產品，如圖3所示為周立功推出的轉換接口，使用起來對用戶來說基本上屬于透明設備，使用起來比較方便。



圖3 CAN-232轉換接口卡

人機界面：

監控計算機的監控程序配置有特定系統和通用型系統兩種，下面是一個通用型20套設備的集中監控人機界面。整個人機界面系統包括兩個部分：設備監測部分和設備控制部分。

若在系統中增加一個設備后，可以人為的為該設備設置一個設備號，并在系統中存儲，既啟用一個設備號。在系統移除一個設備后，可以刪除設備號，可以再重新利用。啟用后的設備編號為可操作編號，否則該編號不可操作。設備正常運行后，正常指示綠燈亮，出現異常，紅燈亮。

為方便操作，可以對整個系統中的多臺設備分成若干個控制組進行管理，在按組操作時，對該組中的所有設備同時做出相應操作：開機，停機，緊急停機，參數設置，頻率調節等。可以同時查看該組中的共同的參數設置。雙擊設備號也可以按設備查看運行狀態和運行曲線，也可以方便的對單個設備進行各種操作。也可以對給系統中的全部設備同時操作。



圖4人機界面示意圖

結束語：

在整個系統中，設計本著靈活方便的原則，能夠適應于多個工作現場的思想來設計的。硬件節點部分發生故障后，能夠在最短的時間內把數據上傳。上位機也能實時的對各個設備進行觀測和控制，實現了遠程監控的目的，方便了操作，增強了系統的可靠性，同時還節約了生產成本。