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基于CAN总线的变频设备远程监控系统的实现

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概述：

近年来，随着国家建设节约型社会的提出，对节能节电的重视程度越来越高，特别是加大了对国有企业中的大型用电设备的节能改造力度，变频器在油田，煤矿，发电厂，钢铁厂等国有大型企业中的使用数量越来越多。特别是油田上，抽油机变频器，潜油电泵变频器，注水泵变频器和加热电源等电力电子设备在油田的大面积推广使用。根据油田生产野外作业的特殊性 ---- 每个设备之间的距离比较远，但又相对集中，所以基于各种现场总线的集中控制显得越来越有必要。 CAN 总线在变频设备的集中管理和控制上显示了突出的优势，其超远距离传输，和超强的抗干扰性是其他总线所不能比拟的。另外最重要的一点是在整个控制系统中，不分主从的组网拓扑结构，方便的增减通讯节点。

山东新风光电子科技发展有限公司的中、低压变频器和加热电源性能稳定，各种保护功能齐全，具有 RS232 和 RS485 通讯接口。到 2007 年 6 月份止，在大庆油田，胜利油田的使用总数数量超过 700 台，其中胜利油田大概 500 台左右，并且呈现快速上升的趋势。另外新乡制药集团的发酵罐变频器设备也有上百套。这对于同一品牌的变频器在同一领域内的市场占有率是相当高的。这就为基于 CAN 总线的远程集中监控系统提供了很大的市场条件，也有了推广的必要性。另外该系统对于同时拥有多台变频设备的生产现场都能灵活的应用。

CAN 总线介绍：

CAN 使用的通讯协议是 CSMA ／ CD 协议（ Carrier Sense Multiple Access/ Collision Detection ）。网络上的每个节点在向总线发送数据的时候总是要监听总线的状态是否空闲，若检测到没有冲突，即总线处于空闲状态，这时候每个节点向总线发送数据且每个节点的机会均等，既载波监听多路访问。如果两个节点同时向总线发送数据，节点检测到冲突，并做出相应的无损仲裁处理。即在冲突以后，数据能保持不变 , 继续监听总线，等待下一次发送。

CAN 协议是一个基于消息格式的协议而不是完全基于节点 ID 的传输的协议，废除了传统的站地址编码。基于这种协议：消息的传输不只是按照地址从一个节点传输到另一个节点，还可以实现组播和广播。广播时，系统中的每个节点都能接收总线上传输的数据并确认是否每个消息都能被正确的接收。同时每个节点都能判断接收的数据是应该被保存还是立刻丢弃。在 CAN 通讯过程中的错误检测中主要包括：应答错误，格式错误，位错误，填充错误。其中主要的错误状态有错误激活，错误认可，总线关闭等。

CAN 总线有以下特点：

(1)CAN 可以是对等结构，即多主机工作方式，

图 1 系统拓扑图

变频器节点信息采集：

节点信息主要是指变频器的各个运行参数以及运行状态，风光变频器常用的参数设置主要有：运行频率，最高频率，起始频率，加速时间，减速时间，额定电流， V/F 曲线选择，开环 / 闭环设定，多段速设定，实际输入电流、电压，实际输出电流、电压，低频补偿；另外还有多种故障保护监测：短路保护（瞬间电流超过额定电流的 1.8 倍），过流保护（电流超过额定电流的 1.5 倍并持续 1Min ），过压保护（输入电压超出额定电压的 1.2 倍），欠压保护（输入电压低于额定电压的 0.8 倍），温升保护（变频器内部温度高于 7 5 摄氏度），缺相保护，外部异常保护等等。

目前的采集方式有两种：对于原来的机型主控芯片为 N87C196MC ，主控板的对外的通讯方式为 RS485 ，所以在与 CAN 总线通讯是必须外加一个 RS485 － CAN 的转换电路。

图 2 节点信息采集示意图

随着产品的升级换代， DSP 的应用使得通讯变得更加容易， TI 公司的 TSMLF2407A 芯片上集成了 CAN 通讯接口，可以省略上面的电路。升级后的风光变频器实现起来 CAN 总线通讯将会变得更加的简单。

数据的传输与转换：

数据在送到总线上后，要通过介质传输，于 CAN 协议本身对差错控制算法比较优化，所以对介质没有很高的要求，就普通的双绞线由就能够达到 10km 的传输距离。但是考虑到变频器运行和设备控制的绝对可靠性，我们在 5km 的传输范围内使用双绞线，在超出 5km 时采用光纤作为中间传输介质用来提高抗干扰能力。

CAN 在传输到控制计算机时，必须外加一个电平转换器来完成与主控计算机的数据交换，其转换原理如图 2 所示。另外这种转换装置在目前的市场上有比较成熟的产品，如图 3 所示为周立功推出的转换接口，使用起来对用户来说基本上属于透明设备，使用起来比较方便。

图 3 CAN-232 转换接口卡

人机界面：

监控计算机的监控程序配置有特定系统和通用型系统两种，下面是一个通用型 20 套设备的集中监控人机界面。整个人机界面系统包括两个部分：设备监测部分和设备控制部分。

若在系统中增加一个设备后，可以人为的为该设备设置一个设备号，并在系统中存储，既启用一个设备号。在系统移除一个设备后，可以删除设备号，可以再重新利用。启用后的设备编号为可操作编号，否则该编号不可操作。设备正常运行后，正常指示绿灯亮，出现异常，红灯亮。

为方便操作，可以对整个系统中的多台设备分成若干个控制组进行管理，在按组操作时，对该组中的所有设备同时做出相应操作：开机，停机，紧急停机，参数设置，频率调节等。可以同时查看该组中的共同的参数设置。双击设备号也可以按设备查看运行状态和运行曲线，也可以方便的对单个设备进行各种操作。也可以对给系统中的全部设备同时操作。