fcs（現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）是繼ddc（直接數(shù)字控制）、dcs（集散控制系統(tǒng)）之后的一種新型的控制系統(tǒng)，是一種全開放、全數(shù)字、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)，具有全分散性控制的體系結(jié)構(gòu)。其顯著特點(diǎn)是通過開放性總線把現(xiàn)場設(shè)備連接成網(wǎng)絡(luò)，各智能設(shè)備能夠完成自動控制和運(yùn)行狀態(tài)的自行診斷，并且能夠通過總線實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的通信，從而簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。can（controllerareanetwork）總線，又稱控制器局域網(wǎng)，是由德國bosch公司在20世紀(jì)80年代初為分布式系統(tǒng)在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下可靠工作而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，并有效支持分布式控制和實(shí)時控制。目前can總線規(guī)范已被iso國際標(biāo)準(zhǔn)組織指定為國際標(biāo)準(zhǔn)，并得到了motorola，inbbbphilipssiemens，nec等公司的支持。由于其高性能、高可靠性及獨(dú)特的設(shè)計和適宜的價格而廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場控制、智能樓宇、醫(yī)療器械、交通工具以及傳感器等領(lǐng)域，并已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。

潛水電機(jī)是潛水電泵的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于農(nóng)田灌溉，礦山排水，湖區(qū)水利，及其它工農(nóng)業(yè)給排水領(lǐng)域。潛水電機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜，加上某些潛水電機(jī)的制造工藝特殊等諸多方面原因，使其較一般的電機(jī)更容易發(fā)生故障，如過載、過熱、滲水、漏水、短路、缺相等。目前國內(nèi)外已有多家公司開發(fā)出針對個體潛水電機(jī)的智能電子保護(hù)裝置，雖然可以達(dá)到保護(hù)電機(jī)的目的，但無法實(shí)現(xiàn)集中管理，而傳統(tǒng)的集散型控制系統(tǒng)（dcs）存在系統(tǒng)不開放、硬件投資大、布線復(fù)雜、維修不便的缺點(diǎn)，具有明顯的局限性。因此我們設(shè)計了基于can現(xiàn)場總線技術(shù)的潛水電機(jī)分布式監(jiān)控系統(tǒng)。

1系統(tǒng)整體方案設(shè)計整個系統(tǒng)由監(jiān)控計算機(jī)、pc-can適配卡、監(jiān)控節(jié)點(diǎn)（n<110）、can總線網(wǎng)絡(luò)組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如所示。分布在現(xiàn)場的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)可以獨(dú)立對電機(jī)進(jìn)行智能控制和保護(hù)；監(jiān)控計算機(jī)可以通過can總線網(wǎng)和各個控制節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行實(shí)時通信，從而實(shí)現(xiàn)潛水電泵機(jī)組的分散控制和集中監(jiān)管。

中華測控網(wǎng)-03-01；修回日期：2006-04-19u基金項(xiàng)目：北京市教委科研基金資助項(xiàng)目（km200510005028）要從事機(jī)電一體化技術(shù)與自動控制技術(shù)的研究。

張慧慧（1943-），女，北京人，教授，博導(dǎo)，主要從事機(jī)器人技術(shù)、自動控制技術(shù)的研究。！can收發(fā)can收發(fā)ican控器can控制器am士點(diǎn)2控節(jié)點(diǎn)as控雇點(diǎn)丨分布式監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)中的控制節(jié)點(diǎn)由can控制器、can收發(fā)器和外圍電路（如光耦隔離、i2c、led顯示等）組成。監(jiān)控計算機(jī)可以選用普通pc或工控機(jī)ipcpc-can適配卡用來完成can總線和監(jiān)控計算機(jī)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，可以選用pci總線適配卡、isa總線適配卡或rs232串行通信適配器。各個控制節(jié)點(diǎn)之間通過屏蔽雙絞線互聯(lián)構(gòu)成can總線網(wǎng)絡(luò)，總線兩端連接120的阻抗匹配電阻，用來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。

2上位計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計監(jiān)控計算機(jī)選用的是國內(nèi)研祥公司生產(chǎn)的ipc1501型工業(yè)用平板電腦，通過臺灣研華公司的雙口隔離非智能型pc-can適配卡pci-1680實(shí)現(xiàn)can總線和pci總線的協(xié)議轉(zhuǎn)換。pci-1680型can卡提供了vb、vc下的編程函數(shù)，為監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計提供了方便。本系統(tǒng)采用基于vc++的mfc窗口技術(shù)和can卡的驅(qū)動函數(shù)進(jìn)行監(jiān)控軟件的編程，設(shè)計出直觀、易于操作和管理的人一機(jī)交互界面。實(shí)現(xiàn)的功能包括：（1）對整個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，記錄并顯示各個監(jiān)控節(jié)點(diǎn)工作狀況；（2）記錄當(dāng)天的工作情況并保存到一個以日期命名的文件中，便于管理和查詢；（3）通過廣播的方式或點(diǎn)對點(diǎn)的方式設(shè)置監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的工作參數(shù)；（4）記錄電機(jī)出現(xiàn)異常時的錯誤信息，并發(fā)出報警信號，通過錯誤代碼可以查找出錯原因，便于系統(tǒng)維護(hù)。

3can監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計目前，市場上有兩種can總線器件可以選擇：一種是片chip公司的mcp2510等，但是獨(dú)立的can控制芯片需要外接一個微處理器才能運(yùn)行。本文設(shè)計中選用的是philips公司的帶有在片can控制器的p87c591微型控制器，這樣大大簡化了節(jié)點(diǎn)的硬件電路設(shè)計，減少程序的復(fù)雜程度，提高系統(tǒng)的可靠性。

3.1監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的硬件構(gòu)成及功能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計上采用了模塊化結(jié)構(gòu)，由微控制器、can通信模塊、傳感器組件、數(shù)據(jù)采集模塊、電機(jī)控制模塊、led顯示模塊、現(xiàn)場設(shè)置模塊組成，其整體結(jié)構(gòu)如所示。

根據(jù)具體情況可以只選用其中的部分模塊。例如，可以去掉顯示模塊和現(xiàn)場設(shè)置模塊，利用監(jiān)控計算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和參數(shù)設(shè)置的功能。在單機(jī)運(yùn)行時，可以不使用can通信模塊。

數(shù)多據(jù)路采集橫開塊關(guān)傳感器組件監(jiān)控節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖監(jiān)控節(jié)點(diǎn)各個組成部分的功能如下：傳感器組件：用來檢測電機(jī)的運(yùn)行情況，包括鉑電阻溫度傳感器、電流互感器、電極式液位傳感器。分別用來檢測電機(jī)三相定子的溫度、三相主電流和電泵腔內(nèi)的水位，可以有效地監(jiān)測潛水電機(jī)的過流、過熱、缺相、短路、滲漏等異常現(xiàn)象。

數(shù)據(jù)采集模塊：將傳感器采集到的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號并通過多路模擬開關(guān)送入微控制器，cpu得到電機(jī)定子溫度、電流、液位信息做出相應(yīng)的判斷，并送至不同的子程序進(jìn)行相應(yīng)的處理。

電機(jī)控制模塊：cpu判斷電機(jī)定子溫度、電流、液位中的任一項(xiàng)值超出正常值范圍時，都會通過ssr（過零觸發(fā)型交流固態(tài)繼電器）觸發(fā)相應(yīng)的異常處理電路，使電機(jī)得到保護(hù)。

led顯示模塊：采用基于i2c總線的顯示技術(shù)通過led數(shù)碼管實(shí)時顯示電機(jī)運(yùn)行過程中定子的溫度和電流值。

并可以在設(shè)置模式下顯示待定置參數(shù)的當(dāng)前值。當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)非正常停機(jī)時發(fā)光二極管可以指示出故障的類型，方便檢查處理。

can通信模塊：can總線通信接口電路主要由p87c591的片內(nèi)can驅(qū)動器sa1000、6n137高速光隔、can收發(fā)器pca82c250組成。p87c591完成can協(xié)議的應(yīng)用層功能，sa1000完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能。pca82c250提供了對總線差動發(fā)送和接受數(shù)據(jù)的功能，有效地提高了總線的抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)總線、降低射頻干擾等功能。6n137隔離控制電路和收發(fā)器電路，能夠有效地抑制由總線引入的干擾，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性。

現(xiàn)場設(shè)置模塊：采用基于8255的鍵盤和基于x25045的e2prom，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)工作參數(shù)現(xiàn)場設(shè)定能。x25045存儲報警電流、停機(jī)電流、報警溫度、停機(jī)溫度、節(jié)點(diǎn)地址、波特率等信息。這些參數(shù)都可以通過按鍵進(jìn)行設(shè)置。除了節(jié)點(diǎn)地址夕卜，其它的參數(shù)也可以通過監(jiān)控計算機(jī)設(shè)置。另外x25045還用作看門狗，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，在超時周期后復(fù)位系統(tǒng)。

32監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計與節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計相一致，節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計也遵循模塊化的設(shè)計原則，使控制軟件具有易讀、易擴(kuò)展和易維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。通過c51語言編寫相應(yīng)的軟件模塊實(shí)現(xiàn)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的各種功能。軟件的各功能模塊之間通過入口和出口參數(shù)相互聯(lián)系，組合靈活且方便，減少了調(diào)試時間，縮短了開發(fā)周期監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計流程如所示。

中華測控網(wǎng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計流程。3監(jiān)控節(jié)點(diǎn)通信程序設(shè)計監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的通信采用can總線2 0a協(xié)議，通信模塊的軟件主要由初始化程序、發(fā)送程序、接收程序三部分組成。其中初始化程序是實(shí)現(xiàn)通信的關(guān)鍵，它主要用來完成can控制器工作方式的選擇，即對p87c591中can控制器控制段中的寄存器進(jìn)行設(shè)置，包括總線定時寄存器和輸出控制寄存器設(shè)置；接收驗(yàn)收濾波寄存器和濾波屏蔽寄存器設(shè)置；設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)幀類型（標(biāo)準(zhǔn)幀或擴(kuò)展幀）、標(biāo)識符、數(shù)據(jù)長度。初始化過程是在can控制器復(fù)位模式下完成的，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)通信的初始化程序流程如所示監(jiān)控節(jié)點(diǎn)與can總線之間的數(shù)據(jù)交換是通過發(fā)送程序和接收程序?qū)崿F(xiàn)的。發(fā)送程序流程如所示，從中可以看出系統(tǒng)中的每個節(jié)點(diǎn)采用定時中斷的方式主動向監(jiān)控計算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。這是利用了can總線可以采用多主機(jī)方式通信的特點(diǎn)。

由于實(shí)時監(jiān)控功能是由各個控制節(jié)點(diǎn)完成，而監(jiān)控計算機(jī)主要起到管理功能，所以采用了定時上傳數(shù)據(jù)的方法，而沒有實(shí)時上傳所有傳感器采集到的數(shù)據(jù)，從而減輕了總線負(fù)擔(dān)。這也是分布式控制方法相對于集中控制方法的一個優(yōu)點(diǎn)。為接收程序流程圖，接收緩沖區(qū)用來存放can總線上發(fā)來的數(shù)據(jù)，cpu讀取數(shù)據(jù)后接收緩沖區(qū)將被清空，等待接收新的數(shù)據(jù)4結(jié)論本文設(shè)計的基于can總線的分布式監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試，可以對潛水電機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的過流、過熱、短路、滲漏情況做出處理，對電機(jī)起到了保護(hù)作用；節(jié)點(diǎn)與上位計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定可靠；可以通過現(xiàn)場設(shè)置模塊修改節(jié)點(diǎn)的參數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明了系統(tǒng)的適用性和可靠性，達(dá)到了設(shè)計要求，開發(fā)過程中所提出的技術(shù)方案和實(shí)現(xiàn)方法可以在分布式監(jiān)控系統(tǒng)及工業(yè)底層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計中推廣應(yīng)用。