CAN总线在矿渣粉螺旋秤控制系统的应用

我公司矿渣水泥生产工艺中的矿物质渣粉螺旋秤控制系统采用了CAN总线，控制效果良好。
1 矿渣粉掺加工艺流程及设备
1.1 工艺流程
矿渣粉添加系统主要由矿渣粉储存仓、叶轮给料机、稳流螺旋给料机、螺旋计量秤和斜槽风机组成。物料从上到下通过上述设备后，被输送到磨尾斗式提升机，与出磨水泥一起进入选粉机混合后，通过收尘进入成品水泥库。
1.2 辅助设备具体情况
1)矿渣粉储存仓：该仓容量为100t，由钢板卷制而成。仓外有上料管道，由气力输送入料。仓顶安装有四袋压力式除尘器，仓内安装电容料位计，在仓满时打铃报警。
2)叶轮给料机：设计流量范围0~10t/h,要求转速可调，叶轮给料机的电动机由变频调速器控制。
3)稳流螺旋给料机：规格长2000mm，直径300mm，主要作用分割轮下料均匀化，使物料进入螺旋计量秤时，减少计量波动。
4) 螺旋计量秤：规格同稳流螺旋给料机。电动机端固定，另一端用S型拉式传感器固定在钢架上。在安装过程中要注意保持设备的水平。
5) 斜槽风机：将粉料输送至斗式提升机。根据物料情况，倾斜度不要小于6%。
启动顺序是斜槽风机、螺旋计量秤、稳流螺旋给料机、叶轮给料机；停车顺序与此相反。设备间控制设有联锁。
2 控制系统的组成
螺旋秤生产厂家提供一套自主开发的智能仪表，用于螺旋秤的计量控制和标定。而对于其他设备的起停和联锁由我方负责。将这些设备控制信号引入到DCS，由DCS监视控制（如图1所示）。

图1 控制系统示意图
智能仪表共2块，外壳均采用通用盘装仪表结构，卡入式安装。面板上有数据显示区和键盘区，数据显示区由八位高亮度数码管组成，显示当前过程值和参数值。键盘区由4个微动开关组成，分别是菜单键、向上、向下选择键和确认键。一块完成计量控制和标定功能（以下简称控制仪表），安装在电力室。另一块完成设定流量、查询累积量和报警等信息功能（以下简称上位仪表），安装在中控室。两地相距200m，它们之间的通讯采用CAN总线。
3 CAN总线概述
CAN是控制网络ControlAreaNetwork的简称，是开放式、数字化、多点通信的控制系统局域网络。其总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际标准。CAN总线协议描述设备之间的信息传递方式，它有以下特点：它是一种多主总线，各节点可随时向其它节点发送消息。传输介质为双绞线、同轴电缆等，通信速率可达到1Mb/s。由于CAN总线控制简单、扩展能力强、系统成本低，软硬件设计已非常成熟，被广泛的应用于工业控制。
4智能仪表的内部结构和控制过程
4．1 仪表结构
控制仪表的CPU采用AT89C52芯片，它是一种低功耗、高性能的8位单片机。主要完成数据采集、处理和通信功能。内部具有8KB的程序存储器(ROM),用于存储控制程序。256字节的RAM用于存储中间数据和结果。AD转换器采用16位芯片，直接与称重传感器连接。DA转换器采用电流输出型芯片。控制仪表扩展了一个数字量子模块，包含4路隔离DI电路，可用于开关信号输入，接受DCS系统的启停命令。有3路继电器输出，发出报警信号。另外内部还有键盘、显示电路和CAN总线电路接口电路。
上位仪表主要由单片机和键盘、显示电路和CAN总线电路接口电路组成。
4．2计量控制过程
控制仪表获得启动命令后，称重传感器测量出计量秤当前的负荷，通过A/D转换器，读入到单片机。因螺旋秤的旋转速度恒定，在单片机内计算出物料的瞬时流量。经过CAN总线从上位仪表处获取设定流量，调用PID算法程序，计算出设定值后，再通过D/A转换芯片产生4~20mA信号，控制变频器的频率，从而控制叶轮给料机电动机的转速。在完成控制的同时，处理瞬时流量，计算出累计量。并按要求计算出各班的产量。
4．3标定过程；
4．3．1．皮重标定过程
首先标定螺旋秤的皮重，一般要连续标定3次，每次的值应该相等，这样才能保证计量准确。这个过程就是调用标定子程序，将10s（此数可调）的皮重值读入单片机，平均后的皮重值存储于单片机作为标定值。
4．3．2．实物标定过程
按照固定设定转速下料一段时间，将控制仪表上获得的累计值与实际下料值相比较，修正称量系数。此过程调用实物标定子程序，将螺旋秤的毛重值读入单片机，去除皮重值后，计算出实物累计量。再称量出实际下料量，通过键盘输入到单片机中。单片机就会计算出称量系数。一般标定3次，就能标准确。
5 智能仪表间通信的设计
5．1 CAN节点的硬件设计
一个CAN节点由单片机、CAN控制器、CAN收发器等组成，
CAN控制器选用Philips 公司的SJA1000。其内部分别为控制器寄存器组、发送缓冲区和接收缓冲区，它们组成32个字节的寻址空间。为了连接到单片机，SJA1000提供一个复用的地址/数据总线和附加的读/写控制信号， SJA1000能被看作单片机AT89C52的外围存储器。为了保证系统的同步，使用了一个24 MHz的晶振作为SJA1000的振荡器，用它的7号引脚（CLKOUT）作为AT89C52的时钟脉冲。系统中SJA1000的片选由单片机的P2.7口控制。

CAN总线收发器选用82c250,主要负责物理接口部分的处理，包括逻辑电平的控制和接口电气特性的处理，它是SJA1000与物理总线的接口。在CAN总线的网络终端，需加一个120Ω的匹配电阻Rt。可以防止在阻抗不连续的情况下出现反射现象，而使信号扭曲。
5.2 CAN总线通信软件的设计
本系统CAN节点通信功能主要是将本节点的数据信息传送给CAN通信网络的另一个节点，以及接收网络上另一个节点传来的信息。CAN总线单个节点的软件设计主要包括CAN节点初始化，信息的接收和信息的发送3个子模块。选用德国Keil公司推出的Keil C软件进行目标代码编译。
软件设计包括3个子模块：
1) 初始化子模块：首先AT89C52关闭SJA1000所有中断源,然后进行初始化设置,主要有:设置工作方式，配置时钟分频寄存器,设置验收码寄存器,设定波特率等等工作。在初始化内部寄存器时，注意各节点位速率一致，收发同步。初始化结束后，进入工作状态。
2) 接收子模块：负责节点信息的接受，报文的接收有两种方式，中断和查询接受方式，为提高实时性，采用中断方式接收。当CAN控制器接受到信息后向微控制器发出中断信号，微控制器执行中断程序将信息读入。
3)发送子模块：负责节点信息的发送,将要发送的信息组合成一帧,放入发送缓冲器中,然后启动SJA1000发送即可。
6 结束语
螺旋计量秤采用了以单片机为核心的智能仪表，其内部包括高精度的A/D、D/A转换器，使得控制系统稳定、计量准确。用CAN总线通信，提高了系统的反应速度和实时性。CAN节点的连接只要两根线，也节省了部分电缆。该系统调试后已运行数月，运转情况良好，达到设计要求。