（机械设计及理论专业论文）can总线在人造金刚石合成中的应用.pdf

摘要 c a n 总线是自动控制领域内很有发展前途的一种通信技术。本文 论述了一种运用c a n 总线技术构建的人造金刚石合成车间控制网 络，该网络由监控计算机和多台六面顶液压机控制系统组成，这是 c a n 总线技术在一个全新的领域中的应用。六面顶液压机控制系统 在控制人造金刚石合成过程的同时将系统的各项运行参数和工艺关 键数据发送到c a n 网络，监控计算机实时监控c a n 网络上每一台 六面顶液压机的工况并进行显示、存储、统计、打印和实现异常情况 报警。论文对c a n 总线技术的相关情况和发展现状进行了简要描述， 主要详细介绍合成车间控制网络的设计方案、软硬件的设计与实现及 网络的构建和调试。 关键词：c a n ， 人造金刚石，控制网络 a b s t r a c t t h ec a nb u si sak i n do fc o n a l - n u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hh a s p r o m i s i n gf u t u r ei nt h es c o p e so f f i e l db u s t h i sp a p e rs h o w sat y p e o fc o n t r o ln e t w o r kb a s e d0 1 1c a nb u sa tt h em a n m a d ed i a l n o n d w o r k s h o p ，w h i c hi sc o m p o s e do fp ca n d1 - n a n y c o n t r o ls y s t e m so f m a n m a d ed i a m o n dp r e s sm a c h i n e s ，a n di s an e wa p p l i c a t i o no f c a nf i e l db u si l lau n k n o w ns c o p e s a l lo p e r a t i o n a lp a r a m e t e r sa n d t h em a i nt e c h n i c a ld a t aa r es e n tt om a n l n a d ed i a m o n dp r e s s m a c h i n ei nc a nn e t w o r k ，a tt h es a l n et i m e ，t h ec o n t r o ls y s t e m c o n t r o l st h ep r o c e s so fm a n m a d ed i a m o n ds y n t h e s i z a t i o n t h et a s k o fc o n t r o l l i n g c o m p u t e r i st o s u p e r v i s e a n dc o n t r o lt h ew o r k s i t u a t i o n so fe v e r yp r e s sl n a c h i n e s ，a n da l s ot od i s p l a y ，s t o r a g e s t a t i s t i c ，p r i n ta n dg i v ea na l a r ma te m e r g e n c y t h i sp a p e rs h o w st h e c o r r e l a t i v ei n s t a n c ea n da c t u a l i t yo fc a nb u sb r i e f l y ，a n di n t r o d u c e s t h es c h e l n eo fd e s i g n ，t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o na b o u ts o f t w a r ea n d h a r d w a r e ，t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o na b o u ts u p e r v i s ea n dc o n t r o l s ) , s t e m ss o f t w a r e ，t h eb u i l d i n ga n dd e b u g g i n g o fn e t w o r k k e yw o r d s ：c a n ，t h em a n m a d ed i a m o n d ，c o n t r o ln e t w o r k 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得长沙矿山研究院或其他单位的学位或证书而使用过的材料。 与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的 说明。 作者签名：乏渔匦玉日期：堡堑年月翌日 关于学位论文使用授权说明 本人了解长沙矿山研究院有关保留、使用学位论文的规定，即： 研究院有权保留学位论文，允许学位论文被查阅或借阅；研究院可以 公开学位沦文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保 存学位论文；研究院可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论 文。 作者签名乏幽导师签名：皂盥日期：j 丛年月塑日 前言 h u舌 我国的人造金刚石产业起步晚于发达国家1 0 年左右，但从九十年代丌始， 我国人造金刚石产量迅猛增加，根据行业协会统计，2 0 0 4 年我国的人造金刚石 年产量达到3 0 亿克拉左右，已崛起为世界第一大人造金刚石生产国，产品已经 出口到韩国、新加坡、越南等地。但是，我国的人造会刚石产品的出口主要面 向低端市场，在国际高端市场上的竞争力比较弱。这是因为我国生产的人造金 刚石品质档次低，主要体现在白头多，黑颗粒多，晶型差等。行业内已达成共 识，要提高人造金刚石的品质，优秀的合成工艺和优良的生产设备是关键因素。 本课题研究将先进的c a n 总线技术运用到人造金刚石合成中，并通过双 绞线将合成车削的全部合成设备构造一个控制网络，通过对人造会刚石的整个 合成过程进行实时监控，为管理者提供人造金刚石合成的实时工艺数据、实时 工艺曲线等合成工艺参数，为工艺分析提供了实用有效的第一手数据，有助于 提高工艺水平和合成品质，必将大大促进人造金刚石产品质量的提升，推动我 国人造金刚石的合成水平跨上一个新的台阶，为我国人造金刚石等超硬材制的 合成设备及其技术走向世界提供技术保障，具有可观的经济和社会效益。 本论文课题系2 0 0 0 年国家科技部科研院所技术丌发研究专项资金项目， 论文在实验室原有成果的基础上提出以下见解和创新： 1 、将每个节点的通信信息统计以后，对5 0 个节点的现场总线通信网络所 必须的通讯速率进行了量化计算； 2 、根据项目的特点，利用现场总线技术，对r s 2 3 2 信号与c a n 信号的转 换方案进行了研究，并成功应用于工业现场。 课题成果己于2 0 0 5 年在金瑞新材料科技股份有限公司成功应用。 笫一辛c a n 总线技术 第一章c a n 总线技术简介 1 1c a n 总线的概念及其特点 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 即控制器局域网，属于现场总线的范畴， 是8 0 年代德国b o s c h 公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据 交换而开发的一种串行数据通信协议。由于其具有高速的传输性能、可靠性好 等特点以及独特的设计，当前世界上的许多著名厂商都已经采用c a n 总线来实 现汽车内部控制系统与各检测和执行机构的数据通信。因为c a n 总线本身的特 点，所以其应用范围目前已经不再局限于汽车工业，而向过程控制、机械工业、 纺织工业、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。 随着各种领域的应用推广，对c a n 的通信格式标准化的要求日益增长，1 9 9 1 年 g 月p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r s 公司制定并发表了技术规范，该技术规范包括a 、 b 两部分0 1 o6 | 。c a n 2o a 给出了标准报文格式，c a n 2o b 给出了标准报文和扩 展报文两种格式。此后，1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了高速控制器局域网( c a n ) 的国际标准i s o l l 8 9 8 o8 | ，2 0 0 3 年又对该标准进行了修订。当前，c a n 总线已经 被公认为几种最有前途的现场总线之一。 c a n 总线用“显性”( d o m i n a n t ) 和“隐性”( r e c e s s i v e ) 两个互补的逻 辑值表示数值“0 ”和“1 ” 。当在总线上出现同时发送显性和隐性位时，其 结果是总线数值为显性( 即“o ”与“1 ”的结果为0 ) 。c a n 通信1 力、议定义了 4 种不同的帧格式：数掘帧、远程帧、错误帧和超载帧。数据帧用于传送数据， 远程帧用于请求数据，超载帧用于扩展帧序列的延时，当局部检测出错后产生 一个全局信号出错帧。 c a n 总线与一般总线相比，具有突出的抗干扰性能、可靠性高、实时性和 灵活性好等特点“，概括如下： 通信方式灵活。c a n 总线为多主工作方式，网络上任一节点可在任意时 刻主动向网络上其它节点发送信息，不分主从，且无需站地址等节点信息。利 用这一点可方便构成多机备份系统。 c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求。 第一章c a n 总线技术 c a n 总线采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息 时，优先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可以不受影响的 继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其是网络重载的情况下 不会出现网络瘫痪的情况。 c a n 网络通过报文滤波即可实现点对点及全局广播等几种方式传送数 掘，无需专门的调度。 c a n 网络的直接通信距离最远可达1 0 k m ( 传输速率为5 k b s 以下) 。 c a n 总线采用短帧通信方式，传输时问短，受干扰的概率比较低，具有 极好的检错效果。每帧字节数最多为8 个，既能满足通常领域的数掘要求，又 不占用总线过多的时间，保证了通信的实时性。 每帧数据都进行c r c 校验，保证了数据的可靠性。 通信介质可以为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 节点在严重错误的情况下具有自动关闭输出功能。 第一_ 牵= c a n 总线技术 1 2c a n 总线的通信原理 c a n 总线遵从o s i 模型，结构分为两层：数掘链路层和物理层0 8 o9 | 。其中数 据链路层包括逻辑链路控制子层l l c 和媒体访问控制子层m a c ，在c a n 技术规 范2o a 的版本中，数据链路层的l l c 和m a c 子层的服务和功能被描述为“目标 层”和“传输层”。其分层结构和功能如表11 所示。 表1lc a n 的分层结构 数据链接层l l c ( 目标层) 逻辑链路子层 一报文滤波 一报文和状态处理 媒体访问控制子层m a c ( 传输层) 一故障界定 一出错检测和信令 一报文确定 应答 一仲裁 一报文分帧 传输速率和定时 物理层 一信号电平和位表示 一传输媒体 l l c 子层的主要功能是：为数据传送和远程数据请求提供服务，确认由l l c 子层接收的报文实际己被接收，并为恢复管理和通知超载提供信息。 m a c 子层的功能主要是传送规则，不存在修改的灵活性，亦即控制帧结构、 执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定。为开始一次新的发送，m a c 子层 确定总线是否丌放或者是否马上丌始接收。位定时特性也是m a c 子层的一部分。 物理层的功能是实现电气特性信号在不同节点间的实际传输。在一个网络 内，物理层的所有节点必须是相同的。但是，在选择物理层时存在很大的灵活 性，总线的驱动采用单线上拉、单线下拉或者双线驱动，接收采用差分比较器。 箱一市c a n 总线技术 c a n 技术规范2 0 b 定义了数据链路中的m c 子层和l l c 子层的部分，并描 述与c a n 有关的外层。物理层定义信号怎样进行发送，涉及位定时、位编码和 同步的描述。在这部分技术规范中，未定义物理层中的驱动器接收器特性，以 便允许用户根据具体应用，对发送媒体和信号电平进行优化。m a c 子层是c a n 协议的核心，它描述由【。l c 子层接收到的报文和对l l c 子层发送的认可报文。 m a c 子层可响应报文帧、仲裁、应答、错误检测和标定。m a c 子层由称为故障界 定的一个管理实体监控，它具有识别永久故障或短暂扰动的自检机制。l l c 子 层的主要功能是报文滤波、超载通知和恢复管理。 c a n 总线基于下列5 条基本规则进行组织。 1 、总线访问 c a n 控制器只能在总线空闲状态期间开始发送，所有c a n 控制 器同步于帧起始的前沿( 硬同步) 。 2 、仲裁 若有两个或更多的c a n 控制器同时发送，总线访问冲突通过仲裁 场发送期i 、白j 进行仲裁处理的方法解决。仲裁期间，每个进行发送的c a n 控制器 都将发送位电平与监控总线电平进行比较，若相等，则可以继续发送。当任何 发送一个隐性位而监测到一个显性位电平的c a n 控制器立即变为总线上较高优 先权报文的接受器，而不破坏总线上的任何信息。每段报文包括一个唯一的标 识符和在报文中含描述数据类型的r t r 位。标识符和r t r 一起隐含地定义了该 报文的总线访问优先权。仲裁期倒，标识符的最高位先被发送，而r t r 位最后 发送。标识符和r t r 位对应二进制数值最低的报文具有最高的优先权。由于数 据帧的r t r 位为显性电平，因此数据帧比远程帧具有更高的优先权。 3 、编码解码 帧起始、仲裁场、控制场、数据场和c r c 序列使用位填充技 术进行编码。其余的位场和帧具有固定的形式，不使用位填充方法进行编码和 解码。报文中的位流按照n r z ( n o n r e t u r n t o z e r 。) 方法进行解码，办即 位周期期怕j 位电平维持恒定，要么隐性电平，要么显性电平。 4 、出错标注 当检测到位错误、填充错误、形式错误或应答错误时，检测 到出错条件的c a n 控制器将发送一个出错标志。出错标志将破坏位填充或损坏 固定形式的位场。位填充法则的破坏将影响检测出错条件的任何c a n 控制器。 这些器件也将发送出错标志。 5 、超载标注 c a n 控制器发送一个或多个超载帧来延迟下一个数掘帧或远 程帧的发送。 第一章c a n 总线披术 1 3c a n 总线网络系统的构成 c a n 总线是现场总线的一种，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串 行通信网络，从原理和实现的角度看，只要有两个c a n 节点加上将它们连接成 一体的通信媒体( 如双绞线) 就可以构成一个c a n 总线网络系统，这两个节 点之间通过媒体交换信息。由c a n 总线构成的控制网络的结构般由控制器节 点、传感器节点、执行器节点以及其它的监控节点如人机界面组成，如图13 1 幽13 】c a n 总线网络结构示意 所示。 从图中可以看出，最简单的c a n 控制网络由一个控制器、传感器和执行器 就能完成一个简单的控制过程。c a n 控制网络也可以由多个相关或不相关的控 制回路通过c a n 总线相互联系，并且每个单独的控制系统还可以通过网关和其 他网络建立联系，作为整个大型控制系统的子系统。 第一章腑用的n j 亍性分析 第二章c a n 总线技术在人造金刚石合成中 应用的可行性分析 2 1 人造金刚石合成的现状分析 2 1 1 人造金刚石的合成方法简介 天然的令刚石通常我们称之为钻石，它是在长期的自然变化( 如强烈的地壳 变化) 中，碳原子受到高温、高压作用而形成的，人造金刚石也正是根据这个原 理制造出来的：在叶蜡石腔体的圆管内交替叠放着触媒片和石墨片，两端用导电 钢圈密封，将叶蜡石腔体放入压机中加压并在两端通电加热，当温度达到 13 0 0 - 1 6 0 0 “c ，压力达到6 1 0 ”p a 左右时，触媒融化渗入石墨层，石墨在触媒的 催化作用下形成金刚石12 1 。根据这一原理制造人造金刚石取得成功的方法有 很多种，但最具有代表性的有：高温高压合成法和亚稳态生长法。高温高压合成 法分成静压触媒法、静压直接转变法和爆炸法：亚稳念生长法可分成低压下的薄 膜生长法和常压高温合成法。 静压触媒法“是指在金刚石热力学稳定的条件下，在恒定的超高温高压和 触媒参与下合成金刚石的方法。以石墨为原料，以过渡金属或合金作触媒，用液 压机( 六面顶液压机或两面顶液压机) 产生恒定高压，以直流或交流电通过石墨产 生持续高温，使石墨转化成金刚石。静压触媒法的高温高压相对容易实现和控制， 能实现规模生产，并且能较好的控制品质，所以国内外大都采用这种合成方法， 人造金刚石约有9 0 用该方法生产。 静压直接转变法不需要触媒参与，但需要更高的压力和温度条件，对液压机 的要求也更高，所以难以用于工业大规模生产。 动压法是用炸药产生高温高压的方法，其产品一般为5 - 2 0 u m 的细小多晶体， 结晶缺陷严重，脆弱，一般只作为研磨膏或制造聚晶的原料。爆炸法“不需要 贵重设备，单次产量高，但温度和压力不好控制，并且产品的提纯手续繁多。 亚稳念生长法“是在金刚石亚稳定的压力温度条件下的生长法。这种方法 往往是在常压或负压下进行。这种方法人造金刚石的生长速度很慢，但设备费用 低，在近年来得到较快的发展。 2 1 2 人造金刚石合成控制系统的现状 当前人造会刚石的合成设备和工艺处于世界领先地位的是美国的g e 公司和 d eb e e r s 公司以及乌克兰超硬材荆研究所，在过去数十年中只有( ；e 和d eb e e r s 公司有能力生产粗颗粒高强度的余刚石”一。 由于生产高品缴金刚石的时问较长( 3 0 分钟以上) ，必须全程精确控制压力 和温度，因此其合成设备的制造难度很高。国外人造金刚石的合成采用两面顶液 压机，我国曾力图引进该机型，但因技术应用受到了g e 公司和d eb e e r s 公司的 封锁，所以在国内两面顶液压机的应用一直不太成功。我国科研工作者二十世纪 六十年代丌始自主研发生产人造金刚石的液压机o + h3 。铰链式六面顶液压机是 我国六十年代自主丌发出来的机型，也是目前我国合成人造金刚石的主流生产设 备。近十年来六面顶液压机合成技术得到不断改进和完善，特别是近年来在大型 化方面发展迅速，( p 4 6 0 和中5 0 0 缸径的六面顶液压机已经发展成为主力机型， 生产能力和效率大大提高，合成的工艺水平也有了长足的进步，有赶超g e 公司 和d eb e e r s 公司的趋势。 在电气控制系统方面，随着合成工艺要求的不断提高，控制系统也有了进一 步的发展，从最初的继电器逻辑控制发展到p l c 可编程逻辑控制器控制。压力、 温度等工艺参数控制出传统的电接点压力表控制发展到采用单片机和工业p c 机 的微机控制系统。目前，国内主要有如下几种类型的人造金刚石液压机控制系统： 计算机集中控制式控制系统： 带触摸屏的p l c 控制系统； 以p l c 为核心的模块式控制系统： 集中控制式的一拖二控制系统。 这些控制系统从原理上讲，均是单台控制系统的演变产品，只是不同的控制 系统其实现方式不同，加热系统有所不同。这些类型的控制系统相对封闭，现代 化管理程度不高，无法实现较高速度的远距离实时通信，实时性不强，管理人员 只能通过对生产现场的巡视j 能了解生产过程的状况，随着人造金刚石合成规模 的扩大其局限性显得越来越突出。 第一章应用的a j 行忡分析 2 2 人造金刚石合成车问应用c a n 总线技术的可行性分析 国外的两面顶液压机合成人造金刚石能力强、效率高，但是价格昂贵，加上 国外公司的技术封锁，因此两面顶液压机合成技术在我国的发展速度很慢。我国 自主丌发的六面顶液压机近年来发展速度很快，每年新生产六面顶液压机约6 0 0 台，在用的六面顶液压机约8 0 0 0 台，人造金刚石生产厂家的规模也发生了翻天 覆地的变化，舰模大的厂家已拥有五、六百台压机，百台左右压机的人造会刚 石生产厂家比比皆是。我国的人造命刚石年产量2 0 0 4 年达到3 0 亿克拉以上，产 量- - i , 2 n 1 世界第- - ，产品出口到韩国、同本、美国、新加坡、越南等地1o | 。 虽然人造金刚石的产量位屠世界第一，但是，我国生产的人造金刚石品质档 次低，在国际高端人造金刚石市场竞争力不强。因此，许多有实力的人造会刚石 生产企业纷纷加大了人造金刚石合成设备本身的投资力度对现有设备进行改造 升级。因此基于c a n 总线技术的人造金刚石合成车间网络市场容量非常可观，具 有较广阔的推广应用前景。 随着设备的大型化和生产规模的不断扩大，人造金刚石的生产厂家对合成工 艺、合成效果的迸一步深入研究过程中，一方面对六面顶液压机控制系统的控制 精度提出了更高的要求，另一方面提出了对整个人造金刚石合成车阳j 的六面顶液 压机的合成过程进行实时监控的要求。另外，在六面顶液压机出口过程中，国外 用户希望能对人造金刚石合成的工艺数据进行实时监控，以便于对合成工艺和合 成效果的分析研究。 分析c a n 总线本身的特点，基于c a n 总线技术的人造金刚石合成车i b j 网络在 以下方面会表现出突出的优点： 可以构成车间监控管理网络，各工作站具有c a n 现场总线具有的一切特 点，实现了网络风险彻底分散，提高了车i b j 网络的可靠性： 当某一台设备出现故障时，自动脱离车间网络，不影响整个网络的正常 运行： 通信速度快，5 0 台设备在线运行时，车i 、自j 网络的监控计算机接收各工作 站的数据为每秒一次以上： 各工作站的系统采用模块式结构，便于维护： 车削监控管理软件功能齐全，操作方便，可以方便的实现现代化科学管 第一章j 衄用的。，仃性分析 理： 车阳j 网络如线快捷方便 在同一总线上可对多台压机( 5 0 台以上) 同时进行实时监控和管理 制造和使用成本低，经济实用。 由于具有以上优点，基于c a n 总线技术构成的人造会刚石合成车间网络可以 实现以下功能：在接收实时数据的同时进行查阅历史数据、历史曲线和各种统计 数据等操作，具有对每台压机的人造金刚石合成情况进行实时工艺数据和实时工 艺曲线显示、曲线的放大显示功能，历史数据、设定参数、历史工艺曲线的显示， 单台设备生产效能统计等，完全能满足用户的实际要求。 综上所述，基于c a n 总线技术的人造金刚石合成车间网络具有明显的优点， 且能适应现场的工作环境，实现的功能能满足客户所提出的要求，做到实时监控， 为人造金刚石行业实现现代化管理、进行各种工艺试验、提高工艺水平和实现各 种合成工艺提供了条件。此外，基于c a n 总线技术的人造余刚石合成车间网络具 有较广阔的推广应用前景，因此，将c a n 总线技术应用到人造会刚石合成的技术 设想切合实际，方案可行。 第二= 市川络的i 韭汁方案 第三章基于c a n 总线技术的 人造金刚石压机控制系统网络的设计方案 人造金刚石的制造过程包括升压、升温、保压、保温、停热、卸压等工艺阶 段。压机控制系统主要由p l c 、加热控制单元、压力控制单元等部件以及外围执 行器件组成。p l c 是人造会刚石压机控制系统的核心，通过它来控制系统的加热 功率间接调节合成的温度，满足不同的工艺要求。在运行过程中，工作油缸压力 由高精度的压力传感器转换成电信号，这一信号与压力单元的对应点进行比较， 通过p l c 控制相关执行机构( 油泵电机和液压阀) ，从而控制实际的工作油缸压 力。加热曲线和压力曲线通过不同的组合形式，可以实现不同的工艺“。 人造金刚石合成电流达到3 5 0 0 a 左右，车间电磁干扰严重，要完成对合成过 程实行远距离实时监控，采用r s 一2 3 2 或r s 一4 8 5 等通信方式但其抗干扰能力相对 较弱，传输距离也受限制”：采用普通的计算机拓扑网络，需要解决抗干扰问题， 且其安装成本和介质造价将会非常昂贵，通信实时性也难以满足工业过程的要 求。采用现场总线通信技术，其结构简单，抗干扰能力强，既能在距离和速度方 面得到满足，又能大大节约连接导线、维护和安装费用“”“。 3 1 总线技术指标分析 总线的各个设计指标、参数是在分析通信数据量的基础之上分别加以确定， 以下对课题研究的人造金刚石合成车怕j 网络的数据通信量作出分析，为确定网络 的指标参数提供依掘。 1 系统的数据传输速率 基于c a n 总线技术的人造会刚石合成车例网络中的节点除监控计算机以外 都是六面顶液压机控制系统，因此，每个节点所传输的数据流量相同。网络设计 为5 0 台六而顶液压机的规模，网络的通信量主要是由这些节点所产生，节点六 面顶液压机的控制系统最快以05 秒次的速度发送数据作为c a n 网络中通信事 件的产生频率，每个节点的收发频率相同。在每个收发周期里，各个控制系统传 第三章嘲络的垃计方案 送工艺参数和运行参数时是数据量最大的时候，网络节点单元的数据信号按照 c a n 协议构造成数掘流。节点的数据流包含三个方面的信息：参数设定、工作状 态信息和故障报警信息。每台六面顶液压机的控制系统的通信参数具体如表 33 1 所示，总计数据量达到1 2 6 个字节。 c a n 的标准帧数据格式见附录l ，其总共1 1 个字节，每个数据帧可以包含8 个字节的有效数据。根据以上分析，网络最大可能的通信量为： ( 1 2 6 + 12 6 8 3 ) 个字节8 位5 0 个节点2 采集周期= 1 3 9 2 k b p s 为了避免发生网络拥塞，保证数据的实时性和准确性，5 0 台六面顶液压机同时 表3 3 1 单台压机控制系统的通信参数 项目字节数( 双字) 项目 数量( 双字) 压力 1 0 合成成功标志 压力曲线 时| 自j b 1 0 块地址 2 加热给定 15 补压次数 加热曲线 加热时问 1 5 加热最大给定 2 完成日期时间 4 加热最大电流 2 故障报警 】 加热最小电流 2 运行时，网络的数据传输率应为1 3 9 2 k b p s 以上。 2 流量控制 通过设计合理的数据传输速率可大大减少网络发生搁塞的几率，但在发生突 发的数据传输时，或接收数据缓冲区已满时，仍有可能发生网络阻塞，那么继续 发送来的数据就会丢失。解决此问题的有效途径是控制流量，当接收端数据处理 不过来时，流量控制系统就会发出“不再接收”的信号，而使发送端停止发送， 直到收到“可以继续发送”的信号再发送数据。常用的两种流量控制方法是硬件 流控制( 包括r t s c t s 、d t r c t s 等) 和软件流控制x o n x o f f ( 继续停止) 。因 为数据传输发生问题时会影响处理器的运行速度，同样会影响软件流控制的速 度，所以在此考虑硬件流控制。 采用硬件流控制时，终端接口r t s 、c t s 接到单片机的i 0 口，通过置单片 机i o 口为l 或0 来接收和发出起停信号。数据终端设备( 如计算机) 使用r t s 鞯二市i 删络的漩汁方案 来起始单片机发出的数据流，而单片机则用c t s 来起动和暂停来自计算机的数据 流。实现这种硬件握手方式时，在编程时根据接收端缓冲区的大小设置一个高位 标志和一个低位标志，当缓冲区内数据量达到高位时，就在接收端将c t s 线置低 ( 送逻辑0 ) ，而当发送端的程序检1 月i i i 0c t s 为低后，就停止发送数掘，直到接 收端缓冲区的数据量低于低位而将c t s 置高为止。r t s 则用来标明接收设备有没 fa 1 有准确好接收数据。 3 可靠性的设计 系统i i i = - t 靠性与数据的传输速率、数据通信量有紧密的关系，它们之间相互 影响、相互制约。在保证两者关系平衡的前提下再考虑可靠性的其它方面。 虽然c a n 通信网络是总线型的局域网络，可以实现多主通信，但是在整个网 络当中，节点的各个参数信息内容都是通过监控计算机进行保存和控制，因此监 控计算机的作用就显得非常重要。当监控计算机出现故障时，虽然网络的通信仍 可进行、单台压机仍旧照常工作，但是，整个网络各个节点的状态无法实现集中 显示、保存、报警等系列功能。实际上系统的大部分通信都是为此目的而进行的， 监控计算机失效系统的通信就失去了实际意义。因此系统的设计应考虑监控计算 机的可靠性。这一点可通过增加一个监控计算机节点来解决，但是其作用比较特 殊，通常情况下，它并不工作，当一个或者几个节点诊断出主监控计算机故障时， 它可作为主监控计算机的备份启用，同时向用户发出报警信息，提醒用户清除故 障，报警信息必须是用户手动清除。 可靠性设计的另外一个方面主要是对数掘传输的正确性的考虑，即在网络传 输过程中出现的数据丢失情况。c a n 的物理层和数据链接层提供很高的传输可靠 性，可实现数据的无错传输。 r n c a n 总线采用c r c ( c y c t i cr e d u n d a n c yc o d e ) 校验， c r c 的检错法是一： 将要发送的数据序列当作一个多项式f ( x ) 的系数，在发送方用收发双方预先约 定的生成多项式g ( x ) 去除，求得一个余数多项式，发送方将该余数多项式加到 数掘多项式之后发送到接收端：如果没有发生传输错误，接收端接收的数掘多项 式一定能被同样的生成多项式g ( x ) 整除，否则，传输出错，数据需要重新发 送。c r c 校验码能以l 一( 1 2 ) “。的概率检测长度为k + l 位的突发错，检错能力 很强。值得注意的是，在实际运算过程中，c r c 检验生成码是采用二进制模二算 第三幸叫绢的改汁方桌 法( 一种异或操作) ，即减法不借位，加法不进位。c a n 总线采用的c r c 生成多 项式序列为：xj + x + x + x “+ x i + + x 。+ 1 。c a n 的位流发送采用非归零方法编 码，在位总计时间内产生的位电平为常数。按照c a n 的发送机制，当发送器在位 流中检测到5 个数值相同的连续位时自动插入一个补码位进行发送。节点一旦检 测到数掘丢失或出错时，就会进入自动重发程序，启用自动重发机制，保证数据 的可靠性。 第三章叫络的改汁方案 3 2 系统的硬件设计方案 单台人造金刚石压机控制系统的硬件结构方案如图32l 所示。压力与温度 的控制是合成高品质人造金刚石的关键，控制系统也是紧紧围绕这两个参数进行 设计。控制系统通过压力传感器将系统压力传送给p l c 进行数据计算和处理，控 制油泵电机的转速来调节供油速度，从而达到控制系统压力的目的；通过加热电 流、电压反馈信号，p l c 按照工艺的要求进行控制运算，输出控制信号给加热控 制单元，控制系统自, d d r l 热功率。 按照c a n 协议，如果所有的节点都集成有c a n 通信接口，那么它们本身就可 以组成一个以c a n 网络为基础的通信系统。然而，实际的情况是六面顶液压机的 控制系统p l c 没有c a n 通信接口，要将现场的六面顶液压机的控制系统接入c a n 通信网络，就必须在其控制系统中添加c a n 通信接口单元。单台六面顶液压机的 控制系统添加c a n 通信接口设备后的通信原理如图32l 所示。r s 2 3 2 c a n 接口 单元将p l c 输出的r s 一2 3 2 协议格式的数字信号转换为符合c a n 协议的数字信号 与c a n 网络进行通信。 c a n 总线 图3 2i 单台人造金刚4 际机控制系统接入c a n b u s 示意幽 监控计算机节点接入c a n 网络有三种方法：其一，是直接利用p c 机主板的 总线，将c a n 控制器作为c p um i , o - + # i 发；其二，利用p c 机提供的并行口实现 和c a n 控制器的通信；其三，利用p c 机串口实现c a n 控制器的通信。由于 第二章删络的设汁方案 r s 一2 3 2 的通信速率比较低，使系统灵活性都受到很大的限制，虽然并行口可以 避免这个缺陷，但是占用了打印接口，所以方案采用第一种方法，即利用主板的 p c i 插槽将c a n 控制器作为c p u 的一个外设与总线进行通信。 综上所述，系统网络的硬件设计方案如下： ( 1 ) 设计合适的加热控制单元模块和压力控制单元模块以提高控制系统本身 的控制精度。 ( 2 ) 选用匹配的p c i c a n 的接口电路，将监控计算机接入c a n 网络。 ( 3 ) 设训r s 2 3 2 一c a n 智能转换器，实现六面顶液压机控制系统的r s 一2 3 2 协 议与c a n 协议的转换。 3 3 系统的软件设i t 。方案 在软件设计上，遵循模块化设计思想，采用结构化设计方案，使之具有良好 的模块性、可修改性和移植性。软件设计主要包括节点通信及初始化软件的设计 和应用软件的设计。 节点初始化软件采用汇编语言编程完成节点的初始化设置，包括：波特率、 接收码和屏蔽字等。应用软件采用w i n d o w sx p 作为系统平台，可保证系统的可 靠性和安全性。应用软件的数掘库采用m jc r o s o f ts o ls e r v e r 作为数据库管理 系统，其软件界面使用v b 60 语言丌发，完成对节点的数据进行分类处理、显示、 曲线、打印、故障报警记录等多种功能，构成多个操作界面。 销三章i 驯络的址| 十方粢 3 4 项目工作内容 经过分析网络的通信量和通信速率，按照系统的硬件设计方案和软件设计方 案，项目的工作内容具体如下： l 、研# l j i j n 热控制模块和压力控制模块，编制相应的工艺控制程序。 2 、对c a n 总线网络和计算机的接口连接进行研究。将监控计算机作为节点 挂接在车间网络上，必须有能够与车间网络连接的c a n 总线计算机接口单元，为 此，对计算机p c i 总线及其通信方式等方面进行研究，选择能够匹配的接口电路。 3 、研究和设计c a n 总线与网络节点上人造金刚石压机控制系统通信的连接 方法。人造金刚石压机控制系统的核心p l c 只有r s 一2 3 2 协议的通信端口，为此 对r s 一2 3 2 协议与c a n 协议的转换进行研究和设计，并进行各种通信试验和修改。 4 、丌发车间监控、管理系统软件。采用多进程方式开发实时数据收发、实 时数据存储、实时曲线显示、历史曲线显示和各种统计显示等多任务应用软件， 丌发数据库的数据存取软件。并在各种调试试验后，进一步完善。 5 、用计算机和5 0 台p l c 组成c a n 网络，在实验室模拟人造金刚石车蒯的现 状，对硬件、软件进行整体调试试验，在各项指标达到设计要求后交付客户使用， 与客户进一步沟通，为以后升级系统打下基础。 第川章硼件的砹汁 第四章硬件的设计 4 1 六面顶液压机压力控制模块的设计 人造余刚石合成过程中六面顶液压机的主要动作流程为：空程前进、暂停、 充液、超压( 加热) 、中停、二次超压、终压保压( 补压) 、停热、卸压等待、卸 压、回程、停止。工作时工作油缸压力由高精度的压力传感器转换成电信号，这 一信号与p l c 的对应点进行比较，通过p l c 控制相关执行机构( 油泵电机和液压 阀) ，从而控制实际的工作油缸压力。压力控制的原理如图41 1 所示，该系统 是一个闭环自动控制系统，由人机界面、p l c 、压力传感器、变频器及相关执行机 构等组成。人机界面用来设定工艺曲线参数并在现场起显示器作用。压力传感器 将油缸压力信号通过a d 模块传送给p l c ，p l c 将其与给定的压力进行比较，及 时调整信号通过d a 模块调节变频器的输出频率控制油泵电机的转速间接控制 油缸的压力。 幽4i 压力控制示意幽 压机充液、超压、接通加热电源、暂停等工艺点的压力参数设定，由用户通 过人机界面来完成。压力曲线的设定点如图4 12 所示：p 8 固定使用于动态补 压，h c 8 为p 8 的回差设定值，a d 为p 8 的补压增量设定值。第一次动态补压的过 程为：当被测点压力从p 8 下降至低于( p 8 一h c 8 ) 时，系统自动丌始补压，当压 力上升至( p 8 + a d ) 时，补压自动停止，继而回到保压状态；第二次动态补压的 过程为：当被测点压力从( p s + a d ) 下降至低于( p s + a d h c 8 ) 时，系统自动开 鹅【叫章耻件的议汁 始补压，当压力上升至( p 8 + 2 a d ) 时，补压自动停止，继而回到保压状态；第三 次、第四次依此类推。p h 8 为p 8 动态补压上限设定值，用于限制所有补压 s ：i ；e ，起保护作用。p 6 ( p 7 ) 可用于增压器回程点压力设定，r u t 为动态补压增 量回零判定值，主要用于识别一个自动循环己结束，保证下一次动态补压过程重 新按以上所述的第一次动态补压的过程开始。 幽4i2 乐力控制设定点示意剀 实际上，压力控制是采用增量p 1 d 控制算法2 “，增量p i d 运算公式如下 e 。 ：本次采样时的偏著 8 ：前1 个周删的偏差 p 一2 s v p y k a u 2 个周期前的偏著 控制目标值 积分时间 比例增益 本次采样时的测量值疋 ：采样周期 输出变化茸 微分时间 j 一 蛳 i r 斗 巩玉l “ 印 刊 一 k p 中其 娟u h 幸碰件的殴汁 “ ：卒伙操仟茸 根据被控对象( 小泵) 和压力控制的要求，通过合理调整采样周期、比例增 益、积分时削和微分时间达到理想的控制效果。 其p i d 基本算式是这样的： 嘲( e + l j e a l + 7 j ，鲁 对上式两边进行拉氏变换可以得到p i d 调节器的传递函数为： 锱叫+ 去叫 式中u ( j ) 和e ( s ) 分别为“和e 的拉氏变换。 对上式用矩形法数值积分代替积分项，用后向差分逼近代替微分项，得到： “。= k ， e 。+ 等薹；e ，+ 考c e 。一e 。一1 ) + “。 同样： “。一l = k ， e 。一i + ；j 萋；e ，+ r t ，, e a _ l - e k _ ? ) + “。 两式相减得控制量的增量为： “。= “。一= 物 c 吼一小号e 。+ c 唧一z 】+ ：) 与位置式p i d 算法相比较，增量式p i d 算法有以下优点： 1 、在增量式p i d 算法中，计算误差对控制量影响小。 2 、控制增量a u 。的确定，仅与最近k 次的采样值有关。 3 、手自剥j 切换时冲击小，便于实现无扰刮j 切换。 第川章碰件的改汁 4 2 六面顶液压机加热控制模块的设计 在人造金刚石合成工艺中，加热参数是最重要的参数之一，加热控制系统的 控制性能，不仅影响人造金刚石的质量，而且直接关系到其生产成本的高低。但 是，由于在六面顶液压机的合成高压腔内，实际加热温度在工业生产中很难直接 测量，因此一般采用削接测量和控制。常用的人造余刚石合成的温度控制方式有 三种：控制流过合成块的电流、控制施加于合成块上的电压和控制施加于合成块 r 1 ( 1 上的功率三种方式“。前两种控制方式实质是在人造金刚石合成过程中保持合 成电流和电压恒定或按照一定规律变化。由于不同的合成块的电阻值不可能完全 一致，加热功率i ! r 或者u ! r 会随合成块的电阻值变化而变化，因此自h 两种方法 控制温度的重复性不高，生产的人造金刚石质量不稳定。采用控制功率的方式是 在合成块电阻变化时，保持系统的加热功率不变或者控制加热功率按照一定规律 变化，通过控制加热系统的发热量，问接控制系统的合成温度。 采用控制功率的方法控制合成温度，其自动控制系统原理如图42l 所示。 工作时实际加热电压、加热电流分别由电压变送器和电流变送器转换成电压、电 流信号输送给功率综合变送器。功率综合变送器将两路输入信号变换为有效功率 信号。该实际加热功率信号反馈到输入端与p l c 的设定输出值进行比较，产生误 差信号，误差信号经过p i d 调节器运算后得到的控制信号输入到可控硅移相触发 器，控制可控硅中的导通角，实现加热功率的连续自动控制。为了保护功率器件， 剧42 】加热功率白动控制系统原理框幽 第p u 章耻件的醴计 对输出波形进行了监控，一旦由于种种故障造成输出电压正负半波不剥。称、或功 率器件因过电流而损坏而使系统失控则立即停止加热并指示。 根据现场使用情况，建立相应的加热系统的数学模型如图4 2 2 所示。 u 幽422 加热控制系统数学棋刑 系统的传递函数推导如下： 1 。( s ) = 1 ，( s ) 一lr ( s ) 式中：l r ( s ) 一给定回路电流 ir ( s 1 一反馈回路电流 i 。( s ) 一调节器的积分回路电流 m 旷半 一l j n ( s ) r 4 z ( 4 1 ) ( 4 2 ) ( 4 - 3 ) ( 4 - 4 ) 由式( 4 4 ) 得：u k s ) 3u “s 瓦著 丙 r ：= r 2 c 2 ，时间常数 ( 4 5 ) ur i ( s ) = k f u 。( s ) i ：( s ) ( 4 6 ) i 。( s ) ：u 。( s ) _ lt 1 = r i c ，时间常数( 4 - 7 ) l + t i s 兰嗉 l | 0 第l 叫辛碰件的| 监计 将式( 4 - 2 ) ，( 4 - 3 ) ，( 4 - 7 ) 代入式( 3 1 ) 并整理得 u k ( s ) 2 蔫蠢( u k s ) u 。( s ) = k 。o k ( s ) l i z ( s ) - k - 热砥靠u c ( s ) 式中：r e 一变压器线圈电阻 l 一变乐器线罔电感 t ：l 时l ，司常数 t l 2 而一时间常数 因此可得如图423 所示的加热系统的传递函数图 ( 4 8 ) ( 4 - 9 ) ( 4 1 0 ) u 幽42