基于CAN总线的液压同步滑移控制系统设计与实现-.pdf

第 1 1 卷第 2 期 2 0 1 3年 4月 中国工程机械学报 C H I N E S E J O U R N A L O F C O N S TR UC T I O N MA C H I NE R Y Vo 1 ． 1 1 No． 2 Ap r ．2 0 1 3 基 于 C AN 总线 的液压 同步滑移控 制 系统设计 与实现 卞永明， 严月华 ， 黄 亮，竺仁杰 同济大学 机械与能源工程学院 ， 上海2 O 1 8 0 4 摘要 液压同步滑移是为解决施工中大跨度、 大空间结构安装问题而发展起来的一项技术， 其应用 已经越来越 广泛． 为了达到控制精度高、 响应速度快和布线简单的控制要求， 系统采用了基于 C A N总线的液压同步控制技 术． 阐述了基于 C AN 总线的液压同步滑移控制系统的组成及各节点硬件和软件设计． 关键词 C A N总线；L P C 2 1 1 9处理器； 节点 ；同步控制 中图分类号 T H 2 4 3 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 2 5 5 8 1 2 0 1 3 0 2 0 1 4 20 4 De “ g n a nd ‘ mp l e me n t a t i o n o n CAN． b us ． b a s e d hy d r a u l i ce s i g n a n i m l e me n t a t i o n a s e 1 1 r a u l l C - - s y nc hr onous s l i ppag e c o nt r ol s ys t e m B ／ AN Y o n g - mi n g ，Y A N Y u e h u a，HU ANG L i a n g，Z H U R e n - j i e S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g， To n g j i U n i v e r s i t y ， S han g h a i 2 0 1 8 0 4 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e h y d r a u l i c s y n c h r o n o u s s l i p p a g e t e c h n i q u e， wh i c h i s i n c r e a s i n g l y a p p l i e d， i s d e v e l o p e d f o r t h e wi d e s p a n a n d l a r g e s c a l e c o n s t r u c t i o n s t r u c t u r a l a s s e mb l y． To me e t s u c h c o n t r o l r e q u i r e me n t s a s h i g h c o n t r o l p r e c i s i o n， f a s t r e s p o n s e s pe e d a n d s i mp l e wi r i n g， t h e C A N- b u s b a sed h y d r a u l i c s y n c h r o n o u s c o n t r o l t e c h n o l o g y i s e mp l o y e d． I n d e t a i l s ， t h e e l e me n tal a n d n o d a l h a r d wa r e a n d s o f t wa r e d e s i g n f o r C A N b u s - b a s e d h y d r a u l i c s y n c h r o n o u s s l i p p a g e c o n t r o l s y s t e m i s i mp l e me n t e d ． Ke y wo r d s C AN b u s ；L P C2 1 1 9 p r o c e s sor ；n o d e ；s y n c h r o n o u s c o n tro l 液压同步滑移技术是一种集机械、 电子、 液压、 传感器、 通信和计算机于一体的技术， 主要应用于 现代工程中大型构件的平移安装[ 1 ] ． 近年来， 随着 液压同步滑移技术的广泛应用和发展 ， 对其控制系 统也提出了更 高的要求 要求简化现场布线 、 提高 系统的控制精度和响应速度等． C AN 总线在实 时性 和可靠性方面的优势能很好地满足这些要求， 保证 系统高效可靠运行 ． 1 液压 同步 滑移 系统及 C AN 总线 概述 液压同步滑移系统主要由液压推进器 包括液 压油缸和夹轨器 、 液压动力系统、 传感器件和计算 机控制系统等组成． 系统的基本工作原理为 液压 推进器的夹轨器夹持于地面轨道 ， 在计算机控制系 统的指令下， 液压油缸相互交替伸缩， 使大型构件 沿轨道向前连续同步推进． 该技术具有设备体积 小 、 自重轻 、 承载能力大 、 安全可靠性好 、 自动化程 度高、 操作方便灵活等优点[2 ] ． C AN 总线是 目前应用 比较广泛 的一种先进 的 现场总线 ， 可以有效支持串行通信 网络 的分布式控 制和实时控制． 它具有数据传输率高、 通信距离远、 总线利用率高、 硬件错误处理机制和高抗电磁干扰 性等特点[ 3 ] ． 2 系统组成 基于 C A N总线的控制 系统将功能尽可能地分 散到各 个控制模块 中， 各个模块 以微处理 器为核 心， 完成数据的采集和控制功能． 为了使信息能在 作者简介 卞永明 1 9 6 5 ～ ， 男， 教授， 工学博士． E - m a i l y mb ia n m a i l 1 6 3 ． c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 卞永 明， 等 基于 C A N总线的液压 同步滑移控制 系统设计与实现 C A N协议标准下进行通信， 各个模块都设有 C AN 总线接 口电路L 4 ] ． 典型的基于 C AN 总线的液压同步滑移控制系 统组成示意图如图 1 所示． 系统采用总线型网络拓 扑结构， 主控制柜控制器、 2 个液压泵站控制器和 4 个油缸传感器采用 C AN 总线连接， 组成一个通信 网络． 其中， 主控制柜控制器采集控制面板上的 l 号作用点 2 号作用点 负载 操作信号， 通过 C A N总线接收油缸传感器发送的 油缸状态数据， 执行同步控制算法得到控制数据并 通过 C A N总线发送给泵站控制器 ； 泵站控制器通 过 C A N总线接收主控制柜发出的控制指令， 执行 开关量和模拟量的输出； 油缸传感器采集油缸状态 数据 包括行程数据和油压 数据 ， 通过 C AN 总线 将油缸状态数据发送给主控制柜． 3 号作用点 4 号作用点 油缸 传感 器1 夹轨器1 、 轨道 1 O 缸 拉绳 拉绳 一 传感器1 传感器2 油压 传感器 l 油压 传感器2 泵站 1 油缸 传感器2 ，夹轨器2 轨道2 油缸 传感器3 夹轨器3、 轨道3 、拉绳 拉绳 ， 传感器3 传感器4 油压 传感器3 油压 传感器4 泵站2 主控制柜 C AN 总线 图 1 控制系统组成示意图 Fi g ． 1 Co mp o s i t i o n d i a g r a m o fc o nt r o l s y s t e m． 基于 总线 的同步控制系统的性能 主要包 括 ①数据处理的实时性 ， 系统能实时地监视各个 点的位移数据 ； ②较强的纠错 能力 ， 系统拥有智 能 纠错能力 ， 能屏蔽和提示 误操作 ； ③通信 自动修 复 能力， 现场人为造成的通信中断待硬件重新连接后 能 自动连接L 5 J ． 3 节点硬件设计 3 ． 1 主控制柜 采用 L P C 2 1 1 9处理 器为核 心 ， L P C 2 1 1 9是荷 兰恩智浦半导体 N X P 公司的一款支持实时仿真 和跟踪的 删7 T D MI S微处理器 ， 片内多达 6 4 l 【 B 的静态随机存取存储器 S I 己 A M ， 具有较 大的缓 冲 区规模和强大 的处 理能力 ， 内部集 成 了 2个 C A N 控制器、 2个 3 2 位定时计数器和 4 个 A D C A n a l o g t o ． D i g it a l C o n v e r t e r 单元电路， 完全能够满足控制 要求 ． 系统硬件结构框 图如图 2所示 ． 电源模块 输入电源为 1 8 ～ 3 6 V， 一组采 用 自制的 2 4 V转 5 V 电源模块转 换成 5 V的 隔 离 电源 ， 供L P C 2 1 1 9 处理 器使 用 ； 另 一 组通 过 。 缸 油缸 传感器4 ，夹轨 轨道4 图 2 主控 制柜硬 件结构框 图 Fi g． 2 Ha r d wa r e s t r u c t u r e o f ma i n c o nt r o l l e r L M2 5 7 5 5转换成 5 v B的非隔离 电源， 供模 拟 量输入模块及 L C D显示模块使用 ． 电源输入端加 二极管 ， 防止电源反接 ， 损坏元器件 ． 模拟量输入模块 4 ～2 0 mA电流输入 同时也 可为 5 V电压输入 ， 模拟量通过 L M3 2 4跟随后经 过元件 T L C 2 5 4 3转换为数字量． 由于 L P C 2 1 1 9由 3 ． 3 V供 电， 所 以这些数字量需要再经过元件 A D I M1 2 0 0及 A D U M1 2 0 1磁 电 隔离 后 才 能 送 入 L P C2 1 1 9 ． 开关量输入模块 开关量输入信号经过光耦 P S 2 8 0 21进行光电隔离后进人处理器 L P C 2 1 1 9 ． 开关量输出模块 开关量输出信号经过光耦 P S 2 8 0 2 1 进行光电隔离后输出供外界负载使用． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 l 1卷 C A N通信模块 采用 自制的 C A N总线收发 电 路， 完全电气隔离． L C D显 示 模 块 采 用周 立 功 单 片 机公 司 的 Z 1 M8 0 0 4 8 0 S 7 0 1 WT串控屏 ， 通过 I 2 3 2与处理 器 L P 、 2 1 1 9连接． 3 ． 2泵站控制器 以 L P 1 1 9处理器为核心 ， 控制器硬件结构框 图如图 3所示 ． 电源模块 与主控制柜 电源模块相 同． 开关量输出模 块 与主控制柜开关量输 出模块 相同． B T S 6 2 1 驱动输 出模块 B T S 6 2 1用于驱动感 性负载， 如换向阀及比例阀， 最大可驱动 1 6路， 其 中 4路可用 于 P 删 P u l s e Wi d t h Mo d u l a t i o n 驱 动． B T S 6 2 1驱动芯片的第 3 ， 6脚为输入控制端 ， 第 1 ， 7 脚为驱动输出端， 当第 3 脚或第 6 脚输入为高 电平时对应输出第 1 脚或第 7 脚也为高电平， 输人 为低电平时对应输出也为低电平． C A N通信模块 与主控制柜 C A N通信模块相同． 图 3 泵站控制器硬件结构框 图 Fi g． 3 Ha r d wa r e s t r u c t u r e o f p u mp s t a t i o n c o n t r o l l e r 3 ． 3 油缸传感器 以 L P C 2 1 1 9处理器为核心 ， 控制器硬件结构框 图如图 4所示 ． 电源模块 与主控制柜 电源模块相 同． 模拟量输入模块 油压传感器采用德国哈威液 压有 限公 司 H A WE HY D R A I Ⅱ ． I C 的 P T24一 MS DT7型传感器 ， 输出电流为 4 ～2 O m A． A D采 样模块通过 A 0 5 1 5 S生成 1 5 V电压 ， 1 5 V与模 拟量输入端连接传感器的 1 ， 3 脚． 为了提高模拟量 采样精度 ， L P C 2 1 1 9 模拟电源的基准 电压 由 T L 4 3 1 提供 ， 同时模拟量的地线和数字量地线采用单点接 地方式． 模拟量输入端输入 4 ～2 0 m A的电流信号 先通过高精密电阻转换成电压信号， 模拟电压输入 到L P C 2 1 1 9 ， 进行电压采样， 采样精度为 1 0 2 4位． R S 一 4 2 2通信模块 测量油缸伸缩行程的编码器为 S S I S y n c h r o n o u s S e r i a l I n t e r f a c e 模式 ， 具有连线 少的优势． 电路中为避免干扰， 单独采用一个电源 隔离模块 B 0 5 0 5 Tl W， 通信上采用 8 7芯片 将收、 发信号转为一个信号输入到 L P C 2 1 1 9 ． C A N 通信模块 与主控制柜 C A N通信模块相同． 图 4 油缸传感器硬件结构框图 Fi g ． 4 Ha r d wa r e s t ru c t u r e o fc y l i nd e r s e n s o r 4 节点软件设计 系统采用基于 C语言 的程序设计 ． 在 A D S V1 ． 2开发环境下进行调试和仿真． 4 ． 1 主控制柜软件设计 主控制柜上 电后 ， 首先进 行各个模块初始化 ， 包括 I ／ O口、 定时器 、 串口、 C A N控制器和中断初始 化． 初始化完毕后， 系统进入定时器中断服务程序 及 C A N接收中断服务程序， 同时系统等待串控屏 初始化完成并与串控屏建立通信 ， 接着进入 wh i l e 主体循环结构． 定时器中断服务程序实现 数 据 泵站控制命令数据 的发送 ， C A N接收中断服务 程序实现油缸状态数据 的接收． w h i l e主体循环结 构实现基准油缸行程与跟随油缸行程之 间最大偏 差的计算、 就地操作指令的读取和串控屏的动态信 息显示． 主控制柜程序具体流程如图 5 所示． 4 ． 2 泵站控制器软件设计 泵站控制器上电后， 首先进行各个模块初始 化 ， 包括 I ／ O口、 P WM 模块 、 控制器和 中断初 始化 ． 初始化完毕后 ， 系统进入 C A N接收 中断服务 程序 ， 同时系统进入 wh i l e主体循 环结构． C A N接 收中断服务程序实现主控制柜发送 的控制命令 的 接收， wh i l e主体循 环结构实现根 据所接收 的控制 命令执行泵站的输出驱动控制． 泵站控制器程序具 体流程如图 6所示． 4 ． 3 油缸传感器软件设计 油缸传感器上电后， 首先进行各个模块初始 化， 包括 I ／ O口、 A D C模块、 C AN 控制器和中断初 始化 ． 初始化完毕后 ， 系统进入定 时器 中断服务程 序 ， 同时系统进 入 w h i l e主体 循环结 构 ． 定 时器 中 断服务程序实现 C AN 数 据 油 缸状 态数 据 的发 送 ， wh i l e主体循环结构实现油缸油压数据 和行程 数据的读取． 油缸传感器程序具体流程 如图 7 所示 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 期 卞永明， 等 ； 基于C A N总线的液压同步滑移控制系统设计与实现 1 4 5 l J 各 个 模 块 初 始 化 f 1 人 上 ． 讳 控 屏 上 电 初 始 化 等 待 时 回 ＼一 f 计 算 基 准 油 缸 行 程 与 跟 随 l ＼ 逗 标 志 F 1 A G --T im e o 三 Q ／ l 油 缸 行 程 之间 最 大 偏 差 l ＼ ／ Jr I定 时 器 。 中 断 服 务 程 序 l Ia 接 收 中 断 服 务 程 与 串 控 屏 握 手 通 信 读 取 就 地 操 作 指 令 l J r 、 ， 串 控 屏 动 态 信 息 显 示 }_一 串 控 屏 静 态 界 面 显 示 l 图 5 主控制柜程序流程 图 F ．i g ． 5 Fl o w c h a r t o fma i n c o nt r o l l e r 图 6 泵站控制器程序流程图 Fi g ． 6 Fl o w c ha r t o f p u mp s t a t i o n c o nt r o l l e r 图 7 油缸传感器程序流程图 Fi g． 7 Fl o w c h a r t o f c y l i nd e r s e n s o r 5 结语 目 前， 基于 C A N总线的液压同步滑移控制系 统已成功应用于港珠澳大桥钢筋笼顶推和南京禄 口国际机场 T 2 航站楼钢桁架滑移试验等众多项 目 中． 实践表明， 该控制系统设计合理、 运行稳定、 系 统配置灵活、 操作方便 ． C AN 总线的使用大大简化 了现场的布线 ， 并且提高了数据传输 的准确性和实 时性 ． 参考文献 [ 1 ] 许晔， 乌建中． 液压同步滑移分层监控系统 的研究与设计 [ J ] ． 机电一体化， 2 0 0 7 ， 1 3 5 6 9 7 3 ． XU Y e 。 WU J i a n z h o n g ． R e s e a r c h a n d d e s i g n o f h i e r a r c h i c a l mo n i t o r s y s t e m f o r h y d r a u l i c s y n c h r o n i z i n g s l i p p a g e s y s tem 口] ． Me c h a t r o n i c s ， 2 0 0 7 ， 1 3 5 6 9 7 3 ． [ 2 ] 李夏， 乌建中． 液压同步滑移控制系统设计与实现r J ] ． 中国 工程机械学报 ， 2 0 0 5 ， 3 1 5 55 8 ． L I X i a 。 WU J i a n z h o n g ．D e s i g n o f h y d r a u l i c s y n c h r o n i z i n g s l i p p a g e c o n t r o l s y s t e mI- J ． C h i n e s e J o u r n a l o f C o n s t r u c t i o n Ma c hi n e r y， 2 00 5， 3 1 555 8． [ 3 ] 王欲进， 江发潮． 车载网络的现状与发展E J 3 ． 车辆与动力技 术 ， 2 0 0 8 1 5 45 7 ． WA NG Y u e j i n ， J F a c h a o ． Th e p r e s e n t c o n d i t i o n a nd d e v e l o p m e n t o f i n - v e h i c l e n e t w o r k E J ] ． V e h i c l e P o w e r Te c h n o l o g y， 2 0 0 8 1 5 45 7． [ 4 ] 郝寿朋， 刘瑞玲． 基于 C A N总线的数据采集与控制系统设计 [ J ] ． 现代电子技术， 2 0 1 1 ， 3 4 8 3 6 3 8 ． HA 0 S h o u p e n g， LI U Ru fl i n g．De s i n g o f d a t a a c q u i s i t io n a n d c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n C AN b u s [ J ] ． Mo d e r n E l e c t r o n i c s Te c h n i q u e， 2 0 1 1， 3 4 8 3 63 8． [ 5 ] 王军． 基于现场总线的液压同步顶升控制系统设计与实现 E J ] ． 工程建设与设计， 2 0 1 2 4 1 0 9 1 1 2 ． WAN G J u n ．D e s i g n a nd i mp l e me n t a t io n of s y n c h r o n i z i n g h y d rau l i c l i f t i n g c o n t r o l s y s t e m bas e d o n f i e I d - b u s t e c h n o l o g y [ J ] ． Con s t r u c t i o nDe s i g n f o r P r o j e c t ， 2 0 1 2 4 1 0 91 1 2 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m