基于CAN总线的变频设备远程监控系统的实现

1　引言

　　近年来，随着国家建设节约型社会的提出，对节能节电的重视程度越来越高，特别是加大了对国有企业中的大型用电设备的节能改造力度，变频器在油田、煤矿、发电厂、钢铁厂等国有大型企业中的使用数量越来越多。特别是油田上，抽油机变频器、潜油电泵变频器、注水泵变频器和加热电源等电力电子设备在油田的大面积推广使用。根据油田生产野外作业的特殊性，即每个设备之间的距离比较远，但又相对集中，所以基于各种现场总线的集中控制显得越来越有必要。can总线在变频设备的集中管理和控制上显示了突出的优势，其超远距离传输，和超强的抗干扰性是其他总线所不能比拟的。另外最重要的一点是在整个控制系统中，可不分主从的组网拓扑结构，方便地增减通讯节点。

　　山东新风光电子科技发展有限公司的中、低压变频器和加热电源性能稳定，各种保护功能齐全，具有rs－232和rs－485通讯接口。到2007年6月份止，在大庆油田，胜利油田的使用中、低压变频器总数数量超过700台，其中胜利油田大概500台左右，并且呈现快速上升的趋势。另外在新乡制药集团的发酵罐应用的变频器设备也有上百套。这对于同一品牌的变频器在同一领域内的市场占有率是相当高的。这就为基于can总线的远程集中监控系统提供了很大的市场条件，也有了推广的必要性。另外该系统对于同时拥有多台变频设备的生产现场都能灵活应用。

2　can总线介绍

　　can使用的通讯协议是csma／cd协议（carrier sense multiple access/collisiondetection）。网络上的每个节点在向总线发送数据的时候总是要监听总线的状态是否空闲，若检测到没有冲突，即总线处于空闲状态，这时候每个节点向总线发送数据且每个节点的机会均等，即载波监听多路访问。如果两个节点同时向总线发送数据，节点检测到冲突，并做出相应的无损仲裁处理。即在冲突以后，数据能保持不变，继续监听总线，等待下一次发送。

　　can协议是一个基于消息格式的协议而不是完全基于节点id的传输的协议，废除了传统的站地址编码。基于这种协议：消息的传输不只是按照地址从一个节点传输到另一个节点，还可以实现组播和广播。广播时，系统中的每个节点都能接收总线上传输的数据并确认是否每个消息都能被正确的接收。同时每个节点都能判断接收的数据是应该被保存还是立刻丢弃。在can通讯过程中的错误检测中主要包括：应答错误，格式错误，位错误，填充错误。其中主要的错误状态有错误激活，错误认可，总线关闭等。

　　can总线有以下特点：

　　（1） can可以是对等结构，即多主机工作方式，网络上任意一个节点可以在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，不分主从，通讯方式灵活;

　　（2） can网络上的节点可以分为不同的优先级，满足不同的实时需要;

　　（3）can采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点自动停止发送，在网络负载很重的情况下不会出现网络瘫痪;

　　（4）can可以点对点、点对多点、点对网络的方式发送和接收数据，通讯距离最远10km，在距离10km的设备传输速率也可达到5kbps，40m以内的传输速率为1mbps，节点数目可达110个;

　　（5）can采用的是短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，具有crc校验和其它检测措施，数据出错几率小。can节点在错误严重的情况下，具有自动关闭功能，不会影响总线上其它节点操作;

　　（6） 通讯介质采用廉价的双绞线，无特殊要求，用户接口简单，容易构成用户系统。

3　系统拓扑

　　如图1所示，整个系统由3个部分组成，节点信息采集卡，can-rs232/485转换接口和监控计算机。

　　图1　系统拓扑图

　　3.1　变频器节点信息采集

　　节点信息主要是指变频器的各个运行参数以及运行状态，风光变频器常用的参数设置主要有：运行频率、最高频率、起始频率、加速时间、减速时间、额定电流、v/f曲线选择、开环/闭环设定、多段速设定、实际输入电流、电压、实际输出电流、电压、低频补偿等;另外还有多种故障保护监测：短路保护（瞬间电流超过额定电流的1.8倍）、过流保护（电流超过额定电流的1.5倍并持续1min）、过压保护（输入电压超出额定电压的1.2倍）、欠压保护（输入电压低于额定电压的0.8倍）、温升保护（变频器内部温度高于75℃）、缺相保护、外部异常保护等等。

　　目前的采集方式有两种：对于原来的机型主控芯片为n87c196mc，主控板的对外的通讯方式为rs-485，所以在与can总线通讯是必须外加一个rs485－can的转换电路。如图2所示。

　　图2　节点信息采集示意图

　　随着产品的升级换代，dsp的应用使得通讯变得更加容易，ti公司的tsmlf2407a芯片上集成了can通讯接口，可以省略上面的电路。升级后的风光变频器实现can总线通讯将会变得更加的简单。

　　3.2　数据的传输与转换

　　数据在送到总线上后，要通过介质传输，于can协议本身对差错控制算法比较优化，所以对介质没有很高的要求，用普通的双绞线由就能够达到10km的传输距离。但是考虑到变频器运行和设备控制的绝对可靠性，我们在5km的传输范围内使用双绞线，在超出5km时采用光纤作为中间传输介质用来提高抗干扰能力。

　　can在传输到控制计算机时，必须外加一个电平转换器来完成与主控计算机的数据交换，其转换原理参见图2。另外这种转换装置在目前的市场上有比较成熟的产品，如图3所示为周立功推出的转换接口，对用户来说，使用起来基本上属于透明设备，使用比较方便。

　　图3　can-232转换接口卡

　　图4　人机界面示意图

　　3.3　人机界面

　　监控计算机的监控程序配置有特定系统和通用型系统两种，下面是一个通用型20套设备的集中监控人机界面。整个人机界面系统包括两个部分：设备监测部分和设备控制部分，如图4所示。

　　若在系统中增加一个设备后，可以人为的为该设备设置一个设备号，并在系统中存储，即启用一个设备号。在系统移除一个设备后，可以删除设备号，也可以再重新利用。启用后的设备编号为可操作编号，否则该编号不可操作。设备正常运行后，正常指示绿灯亮，出现异常，红灯亮。

　　为方便操作，可以对整个系统中的多台设备分成若干个控制组进行管理，在按组操作时，对该组中的所有设备同时做出相应操作：开机，停机，紧急停机，参数设置，频率调节等。可以同时查看该组中的共同的参数设置。双击设备号也可以按设备查看运行状态和运行曲线，也可以方便的对单个设备进行各种操作，也可以对系统中的全部设备同时操作。

4 　结束语

　　在整个系统中，设计本着灵活方便的原则，按照能够适应于多个工作现场的思想来设计的。硬件节点部分发生故障后，能够在最短的时间内把数据上传。上位机也能实时的对各个设备进行观测和控制，实现了远程监控的目的，方便了操作，增强了系统的可靠性，同时还节约了生产成本。

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