關于CAN總線的接觸網(wǎng)隔離開關監(jiān)控系統(tǒng)的設計探究論文
目前國內(nèi)鐵道機務段使用接觸網(wǎng)隔離開關進行電分段, 一部分機務段對隔離開關的動作仍是手動操作, 不僅效率低, 而且操作員的安全隱患系數(shù)非常大;另一部分采用微機監(jiān)控方式, 采用RS232/485和無線通信方式, 然而RS232/485 的通信距離無法達到要求, 無線通信又對現(xiàn)場的輻射、電場及磁場的要求比較苛刻�？紤]到機務段工作環(huán)境比較惡劣, 筆者提出構建一種新的監(jiān)控系統(tǒng), 該系統(tǒng)采用具有強糾錯能力、高性價比的CAN總線通信方法, 并在接觸網(wǎng)上設有2.5萬伏的高壓。為了保障在機車頂部作業(yè)工作人員的安全, 系統(tǒng)采用了一人操作一人監(jiān)護且均需要刷卡的互鎖機制, 采用可供選擇的聯(lián)機驗證模式和獨立操作模式, 符合鐵道部《電氣化鐵路有關人員電氣安全規(guī)則》第24 條所給出的接觸網(wǎng)隔離開關操作的規(guī)定。
隨著嵌入式系統(tǒng)應用的發(fā)展, 各現(xiàn)場總線的應用日益廣泛, 其中控制器局域網(wǎng)(controlareanetwork, CAN)總線以結構簡單、低成本、高可靠性、實時性和抗干擾能力強等優(yōu)點在工業(yè)現(xiàn)場控制等眾多領域得到了廣泛應用。CAN能有效支持具有很高安全等級的分布實時控制, 已被列入ISO國際標準, 稱為ISO11898。CAN協(xié)議是建立在國際標準組織的開放系統(tǒng)互聯(lián)模型基礎上的, 不過其模型只有3層, 即OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。由于其結構層次少, 因而有利于系統(tǒng)中實時控制信號的傳送。
1 系統(tǒng)總體方案設計
整個系統(tǒng)包括以AVR128單片機為主控制器的下位機監(jiān)控裝置、CAN通信模塊和上位機監(jiān)控系統(tǒng)3個部分。下位機監(jiān)控裝置包括液晶面板、鍵盤、語音、時鐘、射頻卡、電機控制、信號機控制、CAN總線智能節(jié)點等模塊, 以及一些開關量輸入輸出等;CAN通信模塊包括CAN總線程序設計、CAN-RS232轉換器和CAN總線應用層協(xié)議設計等;上位機包括RS232通信、監(jiān)控界面以及數(shù)據(jù)庫等。
下位機負責采集并顯示現(xiàn)場隔離開關的狀態(tài)和執(zhí)行開關動作, 是操作員和監(jiān)護員與系統(tǒng)的主要操作界面。下位機監(jiān)控裝置一共有10個, 在CAN網(wǎng)絡里被定義為節(jié)點1 ～ 10;上位機負責遠程監(jiān)控, 并提供操作員和監(jiān)護員的數(shù)據(jù)庫, 提高了整個系統(tǒng)的安全性;CAN通信模塊是下位機與上位機通信的轉換模塊, 由于監(jiān)控主機(上位機)沒有CAN標準接口, 故需要專門設計一個轉換裝置, 即CAN通信模塊, 它實質(zhì)就是CAN-RS232的轉換器, 負責數(shù)據(jù)的傳輸。
2 下位機監(jiān)控裝置
下位機監(jiān)控裝置設置在一個防護亭里面, 其操作面板上設有接觸網(wǎng)開關狀態(tài)指示燈、操作按鈕和鑰匙閉鎖開關等。
綜合考慮價格、IO資源及功能要求, 選擇Atmel公司的AVRATmega128單片機作為主控制芯片;液晶面板選擇OCM12864, 用在下位機監(jiān)控裝置上, 顯示當前隔離開關的狀態(tài)、機車號、操作員卡號及操作步驟提示;鍵盤設計為4 ×4的矩陣鍵盤, 通過ATmega128的PB口組建而成, 用來輸入機車號、卡號及進行刪除、確認等功能操作;語音芯片采用BMP5008系列4 M的語音模塊, 主要用來對在防護亭里工作的操作員和監(jiān)護員播放操作步驟及一些其他提示, 并配合液晶顯示模塊進行步驟提示工作;時鐘模塊主要是使下位機監(jiān)控裝置上能顯示當前的時間, 選用了涓流充電時鐘芯片DS1302, 能提供2100 年前的秒、分、時、日、月、年的時間信息;射頻卡主要是達到認證的目的, 通過IC卡和上位機上的'數(shù)據(jù)庫, 認證操作員和監(jiān)護員的身份, 只有操作員和監(jiān)護員同時刷卡成功且卡號對應才能進行隔離開關的閉合或打開操作;通過AVR128單片機輸出的開關信號來控制電機正轉或反轉, 從而使與電機連接的隔離開關斷開或閉合;CAN總線智能節(jié)點的主要目的是使每一個下位機監(jiān)控裝置里的AVR128單片機都作為CAN總線上的一個子節(jié)點, 從而完成CAN總線的組網(wǎng)。
3 CAN通信模塊設計
3.1 CAN通信模塊的硬件設計
CAN通信模塊主要負責處理各個下位機監(jiān)控裝置與監(jiān)控主機的信息通信問題, 下位機監(jiān)控裝置與通信控制單元采用CAN通信, 監(jiān)控主機與通信控制單元采用RS232通信, 故該模塊實質(zhì)上是一個CAN-RS232轉換卡, 同時也是CAN網(wǎng)絡中的一個CAN節(jié)點, 定義為節(jié)點0。
CAN通信模塊的控制芯片采用STC89C52單片機;CAN控制器采用Philips公司的獨立CAN控制器SJA1000, 兼容CAN2.0A和CAN2.0B兩種技術規(guī)范;CAN驅(qū)動器采用Philips公司的PCA82C250, 可提供對總線的差動發(fā)送和接收功能.
下位機監(jiān)控裝置的信息通過CAN總線發(fā)送給CAN通信模塊, CAN通信模塊再將該信息通過串口發(fā)送給監(jiān)控主機;類似地, 監(jiān)控主機可以通過串口將要發(fā)送至下位機監(jiān)控裝置的信息發(fā)送給CAN通信模塊, 然后由CAN通信模塊通過CAN總線發(fā)送給下位機監(jiān)控裝置。
3.2 CAN通信模塊的軟件設計
CAN通信模塊的軟件設計主要包括串口的初始化、發(fā)送、接收程序和CAN的初始化、發(fā)送、接收程序兩大部分。串口的軟件設計比較常見,故不再詳述。
主要包括工作方式的設置、ACR/AMR的設置、BTR0/BTR1的設置、OCR的設置, 以及中斷允許寄存器的設置等;接收函數(shù)中, 要對總線上數(shù)據(jù)是否有需要接受、報文是否有效等狀態(tài)做出判斷, 并進入相應的處理程序;發(fā)送過程也需要對上次發(fā)送是否完成、緩沖器是否鎖定等狀態(tài)做出判斷, 并進行相應的處理。
3.3 CAN通信應用層協(xié)議的制定
CAN協(xié)議本身只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的規(guī)范(遵循OSI標準), 因此, 用戶在應用CAN協(xié)議時, 必須根據(jù)實際需求自行定義CAN高層協(xié)議。國際上已經(jīng)形成了諸多基于CAN的高層應用協(xié)議, 如CAL、CANopen、DeviceNet、SDS和CAN Kingdom等, 而適于接觸網(wǎng)隔離開關監(jiān)控系統(tǒng)的統(tǒng)一的CAN高層應用協(xié)議目前還沒有形成。
在信息的安排上應該注意CAN信息幀一次最多可以發(fā)送8個字節(jié)的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)中, CAN通信采用帶29位報文標識符的擴展幀, 主要通過報文標識符中的內(nèi)容來確定該幀數(shù)據(jù)的類型、通信目的地址、源地址、股道號和結束標記等信息。對于CAN通信模塊來說, CAN總線上要發(fā)送的數(shù)據(jù)定義為3種, 即發(fā)送數(shù)據(jù)幀、遠程請求幀和信息應答幀.
4 上位機監(jiān)控系統(tǒng)
上位機監(jiān)控系統(tǒng)采用工控機作為人機接口,使用RS232串行接口通過CAN通信模塊與下位機監(jiān)控裝置進行通信, 利用Windows環(huán)境下開發(fā)軟件的可視性, 面向事件和對象的特征, 編寫良好的用戶界面。上位機可以接收現(xiàn)場接觸網(wǎng)隔離開關分合的狀態(tài)、操作員的卡號、監(jiān)護員的卡號、機車類型以及機車號, 在聯(lián)機驗證模式中, 值班員可以發(fā)送信息來同意操作員和監(jiān)護員繼續(xù)操作或拒絕其繼續(xù)操作, 且值班員可以查詢工作人員的歷史工作數(shù)據(jù)。為完成這一系列功能的設計, 該系統(tǒng)使用了BorlandC++Builder來開發(fā)該接觸網(wǎng)隔離開關監(jiān)控系統(tǒng)的上位機程序。
根據(jù)設計要求, 上位機程序主要完成如下的功能:①用戶登錄, 密碼設定, 確保身份的認證;②主工作界面, 現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控;③操作員和監(jiān)護員的數(shù)據(jù)庫管理和維護;④歷史工作數(shù)據(jù)的記錄與管理。
5 結論
基于CAN總線的接觸網(wǎng)隔離開關監(jiān)控裝置是專門針對電氣化機務段、動車段和機車廠的接觸網(wǎng)隔離開關的集中監(jiān)控而研制的一種分布式綜合自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)對機務段整備場接觸網(wǎng)隔離開關進行集中監(jiān)控和安全管理。由于其采用了抗干擾能力較強的通信方式、可重復使用的IC卡、語音提示, 以及對接地桿位置、隔離開關操作機構電源、鑰匙開關、軟件多級閉鎖等功能,大大提高了機務段接觸網(wǎng)隔離開關集中監(jiān)控的安全性和可靠性。該系統(tǒng)的使用可降低接觸網(wǎng)隔離開關操作人員的勞動強度, 杜絕接觸網(wǎng)隔離開關的誤操作, 能適應作業(yè)自動化操作發(fā)展趨勢, 提高工作效率, 可有效地防止鐵路人身和設備安全事故的發(fā)生。
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