基于CANopen的鋁合金板帶快速電磁鑄軋通信系統設計

3 系統硬件設計
3．1 網絡系統結構
基于CANopen的通信系統由上位機與現場設備層的電源控制系統(包括三相特種電源控制系統與直流輔助電源控制系統)共同構成。上位機通過CAN現場總線與下位機進行通信，以實現實時監控與控制系統功能。各個子系統之間也通過CAN總線連接進行通信。通信網絡拓撲結構采用總線式結構。其系統網絡結構如圖3所示。
3．2 下位機通信系統設計
基于“MCU+CPLD”的設計是當前數字電路研究開發的一種重要實現形式。本控制系統將MCU和CPLD相結合，以用于鋁電磁場快速連續鑄軋特種電源控制，并將其作為系統的控制核心。
MCU采用美國TI公司的MSP430F1611，該器件是16位超低功耗MSP430系列微控制器中的一款。MSP430系列單片機(或稱為微控制器)是具有超低功耗特性且功能強大的單片機，它有多個子系列，其中MSP430F1x子系列是TI公司在2000年開發的、帶FLASH的單片機，其存儲器容量和片內外圍模塊隨著具體型號的不同而不同，用戶可以根據需要具體選擇。其控制系統硬件框圖如圖4所示。

CANopen通信協議可由CAN通信控制器來實現。由于MSP430F16ll內部沒有集成CAN控制器模塊，因此需要在外圍進行擴展。本設計選擇美國Microchip公司的MCP2510作為系統的CAN總線通信控制器，圖5所示為CAN總線通信接口電路。MCP2510是帶有SPI接口的獨立CAN控制器，它完全支持CAN總線V2．0A／B技術規范，通信速率為lMbps，芯片包含三個發送緩沖器和兩個接收緩沖器，可以減少MCU的管理負擔。CAN總線收發器采用的PCA82C250是CAN控制器與物理總線之間的接口，可以提供對總線的差動發送和接收功能。兩個高速光電隔離器件TLPll3用來提高通信電路的抗干擾能力，防止總線上的干擾信號竄入控制器和MCU，同時也可以完成MCP25lO與82C250之間3．3V和5V電平的轉換。

MSP430F16ll的USART接口可支持兩種不同的串行協議，即通用異步協議(UART協議)和同步協議(SPI協議)。用控制寄存器UCTL中的控制位SYNC可選擇所需模式，當SYNC為0時，選擇異步模式UART；當SYNC=1時，選擇同步模式SPI。MCP2510可與USARTl通信模塊的SPI進行接口。
3．3 上位機設計
上位機要能完成對下位機監測及參數設置等功能。他的硬件選型及結構設計的好壞直接影響系統現場的工作效率。本系統選用PLC與觸摸屏相結合的方式來設計監控上位機。其中PLC是上位機的中心，利用PLC實現對上位機的監控，比采用工控計算機監控上位機更加符合現場操作的要求，并能夠適用現場高溫的惡劣環境，也具有更高的可靠性，同時還能夠方便地實現邏輯控制。而監控采用觸摸屏技術，也比鍵盤和鼠標操作更加簡單和方便，也更加符合現場操作習慣，可大大提高現場操作的效率。
本設計采用施耐德公司的Twido系列PLC。Twido PLC帶有多種不同的通信方式及接口，包括工業以太網、CANopen、MODBUS、AS-I。一般它最少帶1個標準的RS-485／422的串行通信接口，而且運算速度快，PLC循環周期短，擴展性能好。Twido PLC不僅具有眾多的開關量I／O擴展模塊，而且還具有眾多的特殊功能模塊可供用戶選擇，故可大大提高PLC的控制性能。系統中的處理器可選擇TWDLAE40DRF，它是一體型控制器，該控制器具有24點輸入，14點繼電器輸出和2點源型晶體管輸出，同時帶有一個RS-485端口和一個RJ-45以太網口，可直接接入工業以太網與上層網絡進行通信。該控制器本身不具有CAN通信功能，但可通過外接CANopen主站模塊TWDNC01M實現基于CANopen協議的CAN現場總線通信。
TWDNC01M CANopen主站模塊可安裝在PLC的擴展總線上，它支持16個從設備，但不支持對CAN從設備的擴展尋址，其傳輸速度決定于總線長度和電纜長度。用于連接到CAN現場總線的總線連接器位于TWDNC01M CANopen主站模塊的中下部，包含管腳CAN_L(CAN_L bus線)、CAN_H(CAN_H bus線)，PLC通過這兩個有差動接收和發送能力的總線終端連接到CAN總線上。
為配合PLC的工作。監控平臺應選用操作方便的人機界面(觸摸屏)，本系統選中eView公司的MT500系列觸摸屏MT510，其配套的軟件為EasyBuilder。EasyBuilder是組態軟件，主要用來配置各種元件。該軟件是專門面向PLC應用的，其功能非常強大，使用非常方便，完全可以滿足現代工業龐大的工作量及功能需求。
eView MTS00觸摸屏定義了RS-232和RS-485兩種通信接口，本設計選用RS-485接口定義。Twido系列PLC通過CPU單元上的通信端口與e-View MT500觸摸屏相連接，它們之間采用Modbus協議進行通信。