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电磁连续铸轧是通过电磁感应器产生的电磁场来促进铝液晶粒细化，以提高铝材质量。在轧制过程中，根据铝材轧制工艺要求和铝液晶粒细化机理，需要对电磁感应器三相电压、电流、频率、换相周期等参数以及电磁感应器所产生的特殊磁场的相关物理量进行检测，以达到实时控制。
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CAN和以太网的监控系统已经形成商品在市场上销售，但并没有在铝电磁铸轧这个特定工艺上得到应用，因为现有系统不能适应电磁铸轧这个特殊工艺。对电磁铸轧过程的监控存在大量数据的实时处理问题，在现场使用CAN总线，进行数据的高速传输监控,而在远离现场采用以太网。采用TI公司MSP430F1611作为控制器，产生触发脉冲提供给晶闸管，实现交交变频。CAN网络连接各个变流装置再经过CAN－以太网模块与监控计算机连接，监控计算机界面用VC++编程实现，协调控制现场四个控制装置，提供合适的变频电源给电磁感应器。该监控系统采用CAN和以太网两种网络技术并存，首次和电磁铸轧工艺（注意：不是一般的铸轧工艺）相结合，和电磁铸轧控制电源装置一起，构成一个实时控制的双网，已经于2007年2月在中铝瑞闽板带公司投运成功。
1 CAN总线 CAN (Controller Area Network)总线是一种串行多主站控制器局域网总线。它具有强有力的检错功能，可在高噪声干扰环境中使用，其最高通讯速率可达1Mbps，通信距离在1Mbps时为40米，不超过5Kbps时通信距离可以达到1km[1]。特别适用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。 CAN总线是自动化领域中通信体系应用最为广泛的低层网络之一，与其他同类技术相比，在可靠性、实时性、和灵活性方面具有独特的技术优势。但其作为一种底层的现场网络，主要应用于下层车间和现场[2]。而企业的管理层大多采用以太网，以太网在工厂管理层、车间监控层将成为主流技术，与互连网技术结合是未来工厂网络通讯技术基础，因此有必要将现场总线测控网络通过互联网关与以太网相连并接入因特网。 |
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2 监控系统总体结构
基于CAN和以太网的电磁铸轧监控系统的网络化结构如图1所示。 在工业现场选用可靠性较高的CAN总线，通信介质用屏蔽双绞线,在远离控制在控制级采用以太网。铝电磁场快速连续铸轧生产系统是一个复杂大系统，它主要由铸轧电源控制系统、熔炉温度控制系统和轧机传动控制系统三部分组成，存在大量的企业管理与决策信息和现场实时信息需要协调处理，来调度管理与参数优化等。因此通过以太网来进行统一的信息管理很有必要。 现场智能节点是直接面向生产过程，主要功能是采集现场的铸轧电流运行参数，按照一定的控制算法控制交变电流大小、频率、相序、叠加高次谐波等进而控制铸轧磁场，得到很好的铝板铸轧效果[3]。各节点将现场电流波形、电压波形以及运行温度等运行状态信息通过CAN总线通信网络送至监控计算机，并可实时处理监控计算机机下传的各种命令等。 CAN控制网络部分主要由通信介质、接口电路及相应的通信软件组成。通信介质为双绞线，为了抑制信号反射，终端接有阻抗值约120欧匹配阻抗。 RS-485总线作为备用总线提高了系统的可靠性。 监控计算机的主要功能是设置各智能节点的运行参数；通过通讯网络实时获取智能节点的数据；监测系统异常；实现数据库管理，管理各相变频装置的运行数据，为优化铸轧效果提供数据资料等。 |
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3 系统硬件设计
控制系统主要是为晶闸管提供触发脉冲，得到合适的电流，以及协调三相装置A相、B相和C相，能够更改相序、三相两相运行、跌加高次谐波分量和选择倒相周波等。系统分为三部分：数字触发控制器、CAN网络部分和CAN－以太网转换模块，本文主要讲述通讯部分。 3.1 数字触发控制器 控制系统硬件电路面向晶闸管触发控制，采取通用型全数字化、全内置设计方案，电路结构为“MCU＋CPLD”。 MCU采用美国TI公司的MSP430F1611，它是16位超低功耗MSP430系列微控制器中的一款。其片内外围模块丰富，减少了硬件电路的扩展，大大提高了可靠性，能够很好的满足控制任务以及通讯要求。MSP430F1611具有10K RAM，能够很好的完成数据传输处理。基于ispLSI1016的双窄脉冲形成与分配技术可以大大简化触发电路，并且工作可靠，电路传输延时小，调试修改方便，工作桥的选择和互锁保护等功能也比较容易实现。双看门狗，内部自带16位看门狗和铁电存储器FM31256的看门狗功能来保证控制器的安全运行。 3.2 CAN接口硬件设计 该接口是CAN通讯的一个主要部分，把整个系统通过CAN总线互连起来，实现集中控制。电路图如图2。 MCP2515是微芯公司的CAN总线控制器，它符合CAN2.0B技术规范并带有符合工业标准的SPI 串行接口，是目前市场上体积最小，最易于使用也是最节约成本的独立CAN控制器芯片[4]。 MCP2515的时钟振荡器可以采用外接晶振或连接外部时钟源的形式，为了减少干扰，由MCU提供时钟信号，将OSC1连接到MCU的SMCLK引脚，设置SMCLK为系统时钟8MHz，尽量缩短连线长度。为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，采用高速光隔TLP113（10Mbps）来实现MCP2515和PCA82C250之间的电气和电压等级的隔离，提高系统的稳定性和安全性。在CAN总线进线端，可以增加滤波去偶防雷措施，提高对CAN接口的保护。 3.3 CAN－以太网接口介绍 CAN－以太网接口采用CANET-100以太网CAN转换器，内部集成了1路CAN-bus 接口和1路10M Ethernet 接口，并自带TCP/IP协议栈。 用户可以通过配套的ZnetCom Utility配置软件，在计算机上对CANET-100的各项参数进行配置，包括工作端口、目标IP和端口、CAN通信波特率、CAN端ID验收过滤等参数均可方便设定。 |
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4 软件设计
4.1 CAN接口软件设计 系统首先初始化MSP430F1611的SPI口，设置MSP430F1611为主机模式。然后通过SPI口对MCP2515的内部寄存器进行配置，在MCP2515为配置模式下，对波特率寄存器以及中断标志寄存器等进行设置，完成上述设置以后再设置MCP2515为正常模式。MCP2515的中断标志寄存器设置为接收中断开、发送中断关。当接收到CAN数据帧时， 引脚置低，通知MSP430F1611中断读取MCP2515接收缓冲器中的数据。MSP430F1611通过SPI口读取数据后，判定是设置命令还是数据请求命令，作出相应处理。为保证系统能够正常执行其他任务，数据接收中断程序中不进行数据发送的处理，而在主程序中进行数据发送的处理。程序流程图如图3所示。 4.4上位机监控软件设计 上位机监控采用VC++语言实现[5]，应用Socket套接字编程技术，传输层协议选择UDP（用户数据报协议），来编写用户层程序。 电磁铸轧测控系统的软件设计采用模块化设计方法。软件主要包含三个线程：系统监控主线程、通讯子线程和网关子线程。主线程包括各相数据显示、动态曲线生成、数据保存、数据打印、历史数据查询等模块，能够实时显示各测量点的测量值及相对应的Y—t曲线(Y为显示数值，t为时间)，及时将测量值保存到数据库中并可以查询、打印，并且可以设置CAN－以太网模块参数；通讯子线程用来与CAN－以太网模块发送和接收数据； 通讯子线程，主要是加入接口库函数，调用函数连接CAN－以太网模块后，建立一死循环，不断的读取CAN－以太网模块数据。 采用易用的ADO数据库开发技术[6]。其主要特点是易于使用、速度快、内存支出少和磁盘遗迹小，同时又减少了ODBC，DAO中必需的、繁琐的数据源驱动的建立过程。编程通过ADO接口对Access数据库的访问接口编程简单，可以满足数据实时保存的要求。 5 结束语 论文介绍了一种低成本、高可靠性、快捷的基于CAN和以太网电磁铸轧监控方案，该方案已在电磁铸轧监控系统中有了成功的应用。目前国内使用最为广泛的CAN控制器芯片当属Philips公司的SJA1000。虽然它具有低成本，高可靠性，支持远距离通信等特点，但它在应用中也具有一些缺点。使用并口与单片机连接，浪费了不少IO资源；接收和发送缓冲器的个数太少，导致数据吞吐率低下；屏蔽器和过滤器的设置不够灵活，不能满足同时需要更多屏蔽和过滤条件的要求等。本系统使用的CAN控制器是微芯公司的MCP2515，采用SPI（串行外围接口）转接CAN控制器芯片来设计CAN节点，使用串口通信使用资源少，对软件稍做修改即可通过SPI与MCP2515交换数据。采用VC++6.0作为开发工具，结合ActiveX控件与Socket编程，监控系统界面友好，操作直观方便，也有利于进一步开发。 本文作者创新点：将CAN-以太网成功应用到铝电磁场快速连续铸轧生产系统，并在监控设计时充分考虑到了今后系统的整合，按照通讯协议无需作任何更改即可实现互连。为大量的企业管理与决策信息和现场实时信息协调处理打下良好的基础，适应铝生产过程管控一体化和综合自动化的需要。文章的核心是将通用化的网络技术经过改造后，与特殊工艺相结合，使之能适应该特殊工艺的要求。文章所提及的网络技术不是与目前市场上成熟的网络技术去进行市场竞争，而是研究其在一个比较特殊的应用环境中的适应性。不是去创造一个新技术，而是研究其特殊场合的应用。 |
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