CN102662368A - 一种基于can总线的数字横机网络控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于网络的数字横机生产工艺编制方法，属于机电一体化领域方法设计的范畴，方法主要描述了上位计算机与数字横机现场控制器之间构建的通信模式的实现，以及在CAN数据链路层规约之下上位计算机与数字横机现场控制器之间进行生产工艺数据和设备监控数据传送时的应用层协议。本发明的提出可以缩短基于CAN总线的数字横机网络化控制系统的设计与开发时间，降低这类网络控制系统的维护难度。

Description

一种基于CAN总线的数字横机网络控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于网络的数字横机生产工艺编制方法，属于机电一体化领域方法设计的范畴。

背景技术

在数字横机的网络化控制中，对横机集群的网络控制必须是实时且可靠，甚至在网络中部分网络节点出现故障时也能保证整个网络的运行不受影响。CAN 总线是国际标准化的串行通信协议，它通过ISO11898 及ISO11519 进行了标准化，并被广泛地应用于工业自动化。目前基于CAN总线标准构建的网络控制系统在纺织工业中已有应用，但是还存在一个根本性的问题：上位计算机与数字横机现场控制器之间基于CAN总线数据链路层规约的关于生产工艺数据和设备监控数据传送的应用层协议没有定义，各厂家传送的数据包标准不统一，这将导致了数字横机控制网络的设计与开发周期延长，也给与数字横机网络控制系统的技术维护带来困难。

已有或正在申请的专利主要集中于解决全自动的电脑横机在生产中存在的问题。“电脑横机制造业的集成网络管理（申请号：201110067819.6）”解决的问题主要是借助计算机技术和网络技术实现对电脑横机制造企业的生产监控和人员管理；“基于以太网的电脑横机在线测控系统（申请号：20100603705.4）”则提出了一种基于以太网的电脑横机在线测控网络结构；发明专利“具有多输入操作模式的电脑横机人机交互装置（申请号：200910100756.2）”、实用新型“具有多路视觉的电脑横机交互装置（申请号：200920124935.5）”和发明专利“电脑横机控制系统：（申请号20100614712.4）”提出了关于电脑横机的一系列硬件接口的设计和实现方法；实用新型“电脑横机集群式控制系统（申请号：201120017720.0）”则提出了一种基于工业网络的控制模式，但是其发明主要针对电脑横机，且并未详细提出网络中数据传送的具体规范。由此可见，已检索到的相关专利均不能解决如上所述提出的问题。

在基于CAN总线的数字横机网络化控制系统中，对上位计算机与数字横机现场控制器之间传送的工艺参数设置、设备监控数据设置进行规范化的设计，使控制网络中传送的数据包具有标准的格式，有利于缩短数字横机网络控制系统的设计与开发周期，降低数字横机网络控制系统的维护难度。目前，国内对于如何解决上述中提出的问题还是空白。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种基于CAN总线的数字横机网络控制的方法，可以使在基于CAN总线的数字横机控制网络中传送的生产工艺数据、设备监控数据设置以标准的、统一的格式进行传送，缩短数字横机网络控制系统的设计与开发周期，降低数字横机网络控制系统的维护难度。

本发明采用的技术方案是：利用CAN总线通信网络，上位计算机与数字横机现场控制器进行全双工数据通讯，共同构成一个网络化控制系统，从而实现生产工艺数据与设备监控数据的传送，完成对现场横机工况的监控。

上位计算机与横机控制器之间生产工艺数据的通信方法为：首先，上位计算机发送文件头帧作为连接请求，数字横机现场控制器响应此连接请求；然后，上位计算机发起数据帧的发送，所有数据帧发送完成后，上位计算机发送结束帧，数字横机现场控制器响应校验结果，校验结果正确，则完成一次生产工艺数据的传送；校验结果不正确，则重复上述过程；若三次传送不正确，放弃本次生产工艺数据传送，系统报错；

上位计算机与横机控制器之间设备监控数据的通信方法为：首先，上位计算机发送查询/设定帧，数字横机现场控制器响应此连接请求；然后，上位计算机与数字横机现场控制器通过校对查询/设定帧与响应帧中的特定字节完成校验，校验结果正确，则完成此次设备监控数据的传送；校验结果不正确，则重复这个过程，若三次传送不正确，放弃本次设备监控数据传送，系统报错。

在生产工艺数据的传送中，采用累加和校验方式，把有效数据进行累加，上位计算机和数字横机现场控制器通过校对此校验字节，验证通信过程的正确性。

所述的上位计算机与数字横机现场控制器进行全双工数据通信模式可以在任何一种CAN总线的网络结构中实现。

针对数字横机网络化控制系统，设计基于CAN总线数据链路层规约的专用生产工艺数据传输应用层协议，把数字横机正常运行所需要的生产工艺数据利用软件方法转换成为现场控制器能识别并依照执行的生产工艺数据包，并且储存于现场控制器的存储器中，现场控制器通过解析生产工艺数据包，可以获取控制数字横机工作的生产工艺数据，同时，现场控制器也可以向上位计算机传送其应答。

生产工艺数据包的格式依据本发明提出的生产工艺数据传输应用层协议，本发明中规定了三种类型的生产工艺数据帧，分别是：文件头帧、数据帧、结束帧，利用这三种类型的帧，可以组成用于传送生产工艺数据包。每种类型的生产工艺数据帧由多个标准帧构成。

针对数字横机网络化控制系统，设计基于CAN总线数据链路层规约的专用设备监控参数传输应用层协议；把数字横机正常运行所需要的设备工作参数编制成为现场控制器能识别并依照执行的设备监控数据包，该数据包储存于现场控制器的存储器中，现场控制器通过解析设备监控数据包，可以获取控制数字横机工作的设备控制参数，同时，现场控制器也可以向上位计算机传送其设备状态参数。

设备控制参数和设备状态参数都属于设备监控数据，设备监控数据包的格式依据本发明提出设备监控数据传输应用层协议。

设备监控数据传输应用层协议中，本发明规定了设备监控数据包，由两个标准帧构成，本发明把这两个标准帧定义为上位计算机查询/设定请求帧和数字横机现场控制器响应帧。设备监控数据包涉及的设备监控操作有：

a、  系统忙查询；

b、  查询编码器换算参数和背光时间；

c、查询加针反向制动时间；

d、  查询系统机头位置和开机时间；

e、  查询系统运行超时时间、加针停车时间；

f、  设定编码器参数、运行超时时间及背光时间；

g、  设定加针反向制动时间、加针停车时间；

本发明的有益效果：使用本发明所提出的一种基于CAN总线的数字横机网络控制的方法后，对于数字横机网络控制系统的涉及有以下几个方面的改善：

1、  采用此方法可以使在基于CAN总线的数字横机控制网络中传送的生产工艺数据、设备监控数据设置以标准的、统一的格式进行传送；

2、  缩短数字横机网络控制系统的设计与开发周期；

3、  降低数字横机网络控制系统的维护难度。

附图说明

图1 是本发明CAN总线系统拓扑结构示意图；

图2 是本发明上位计算机与数字横机现场控制器完成生产工艺数据的通信过程时序示意图；

图3是本发明上位计算机与数字横机现场控制器完成设备监控数据的通信过程时序示意图；

图4 是本发明中工艺数据包结构示意图；

图5是本发明中“文件头”帧结构示意图；

图6是本发明中“数据”帧结构示意图；

图7是本发明中“结束”帧结构示意图；

图8是本发明中上位计算机执行“系统忙查询”时的查询/设定请求帧结构示意图；

图9是本发明中数字横机现场控制器对“系统忙查询”的响应帧结构示意图；

图10是本发明中上位计算机执行“查询编码器换算参数和背光时间”时的查询/设定请求帧结构示意图；

图11是本发明中数字横机现场控制器对“查询编码器换算参数和背光时间”的响应帧结构示意图；

图12是本发明中上位计算机执行“查询加针反向制动时间”时的查询/设定请求帧结构示意图；

图13是本发明中数字横机现场控制器对“查询加针反向制动时间”的响应帧结构示意图；

图14是本发明中上位计算机执行“查询系统机头位置和开机时间”时的查询/设定请求帧结构示意图；

图15是本发明中数字横机现场控制器对“查询系统机头位置和开机时间”的响应帧结构示意图；

图16是本发明中上位计算机执行“查询系统运行超时时间和加针停车时间”时的查询/设定请求帧结构示意图；

图17是本发明中数字横机现场控制器对“查询系统运行超时时间和加针停车时间”的响应帧结构示意图；

图18是本发明中上位计算机执行“设定编码器参数、运行超时时间及背光时间”时的查询/设定请求帧结构示意图；

图19是本发明中数字横机现场控制器对的“设定编码器比例、运行超时及背光时间”响应帧结构示意图；

图20是本发明中上位计算机执行“设定加针反向制动时间、加针停车时间”时的查询/设定请求帧结构示意图；

图21是本发明中数字横机现场控制器对“设定加针反向制动时间、加针停车时间”的响应帧结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明进一步详细说明，以便技术人员的理解：

本发明利用CAN总线通信网络，上位计算机与数字横机现场控制器进行全双工数据通讯，共同构成一个网络化控制系统，从而实现生产工艺数据与设备监控数据的传送，完成对现场横机工况的监控。

这种通信模式可以在任何一种CAN总线的网络结构中实现。

下面采用如图1所示的一种典型的CAN总线网络拓扑进行详细说明。

如图2所示：本发明上位计算机与数字横机现场控制器完成生产工艺数据的通信过程时序示意图；首先，上位计算机发送文件头帧作为连接请求，数字横机现场控制器响应此连接请求；然后，上位计算机发起数据帧的发送，所有数据帧发送完成后，上位计算机发送结束帧，数字横机现场控制器响应校验结果，校验结果正确，则完成一次生产工艺数据的传送；校验结果不正确，则重复上述过程；若三次传送不正确，放弃本次生产工艺数据传送，系统报错；

在生产工艺数据的传送中，采用累加和校验方式，把有效数据进行累加，上位计算机和数字横机现场控制器通过校对此校验字节，验证通信过程的正确性。

如图3所示：本发明上位计算机与数字横机现场控制器完成设备监控数据的通信过程时序示意图：首先，上位计算机发送查询/设定帧，数字横机现场控制器响应此连接请求；然后，上位计算机与数字横机现场控制器通过校对查询/设定帧与响应帧中的特定字节完成校验，校验结果正确，则完成此次设备监控数据的传送；校验结果不正确，则重复这个过程，若三次传送不正确，放弃本次设备监控数据传送，系统报错。

依据本发明提出的一种基于CAN总线的数字横机网络控制的方法，针对数字横机网络化控制系统，设计基于CAN总线数据链路层规约的专用生产工艺数据传输应用层协议，实现上位计算机与数字横机现场控制器之间以约定的生产工艺数据包传送生产工艺数据。

把数字横机正常运行所需要的生产工艺数据利用软件方法转换成为现场控制器能识别并依照执行的数据包，并且储存于现场控制器的存储器中，现场控制器通过解析数据包，可以获取控制数字横机工作的生产工艺数据，同时，现场控制器也可以向上位计算机传送其应答。

生产工艺数据的格式依据本发明提出的生产工艺数据传输应用层协议，在该协议中生产工艺数据包结构如图4所示：在本发明中规定三种类型的生产工艺数据帧，分别是：文件头帧、数据帧、结束帧，利用这三种帧，可以组成用于传送生产工艺数据的生产工艺数据包。每个生产工艺数据包都包含这三种类型的帧。每个生产工艺数据帧一般包括了多个标准帧。

注：以下描述的标准帧内各字节的取值数据均为十六进制数据。

文件头帧，帧结构如图5所示：第0字节表示文件头帧的“块ID”，其取值固定为FFH，用于唯一地标识文件头帧，即文件头帧中的所有标准帧其“块ID”的取值均为FFH；第1字节为表示文件头帧的“帧ID”，用于标识文件头帧中的各个标准帧，取值范围为00H－FEH，按照标准帧的发送顺序取值，无论该文件头帧中含有多少个标准帧，文件头帧中的最后一个标准帧其“帧ID”取值固定为FFH，用于标识文件头帧的结束；第2字节至第7字节为文件头帧中的自定义字节，用于定义生产工艺数据通信包的基本信息，使用者可根据实际应用情况规定这些字节的意义与取值。

数据帧，帧结构如图6所示：第0字节表示数据帧的“块ID”，用于标识数据帧中的各个标准帧，其取值范围为00H－FCH，按照标准帧的发送顺序取值；第1字节为表示文件头帧的“帧ID”，用于标识数据帧中的各个标准帧，取值范围为00H－FEH，按照标准帧的发送顺序取值，无论该数据帧中含有多少个标准帧，数据帧中的最后一个标准帧其“帧ID”取值固定为FFH，用于标识数据帧的结束；第2字节至第7字节为数据帧中的数据字节，用于规定需要发送的生产工艺数据。通常情况下，在生产工艺数据包的构成中，数据帧占有的比例较大，需要使用的标准帧数量较多，因而根据实际应用情况，既可以单独使用“块ID”或者“帧ID”作为单字节的标准帧记数标识；也可以同时使用“块ID”和“帧ID”作为双字节的标准帧记数标识。

结束帧，帧结构如图7所示：第0字节表示结束帧的块ID，其取值固定为FEH，用于唯一地标识结束帧；第1字节为表示结束帧的帧ID，其取值固定为FFH；第2字节至第7字节无定义。

针对数字横机网络化控制系统，设计基于CAN总线数据链路层规约的专用设备监控参数传输应用层协议，实现上位计算机与数字横机现场控制器之间以约定的设备监控数据包传送设备监控数据。

把数字横机正常运行所需要的设备工作参数编制成为现场控制器能识别并依照执行的数据包，该数据包储存于现场控制器的存储器中，现场控制器通过解析数据包，可以获取控制数字横机工作的设备控制参数，同时，现场控制器也可以向上位计算机传送其设备状态参数。

设备控制参数和设备状态参数都属于设备监控数据，设备监控数据的传输格式依据本发明提出的设备监控数据传输应用层协议。

设备监控数据传输应用层协议中，设备监控数据包由两种标准帧构成，定义为：上位计算机查询/设定请求帧和数字横机现场控制器响应帧。在本发明中设备监控数据包涉及七项基于CAN通信网络的设备监控操作，所有设备监控操作中使用的查询/设定请求帧和响应帧，其“块ID”的取值固定为FDH，“帧ID”则随着操作项的不同而具有不同的取值，其取值范围为01H－07H，如设备监控操作项有新增，则“帧ID”的取值范围可以扩展至08H－FFH范围内。对于同一项设备监控操作，其查询/设定请求帧和响应帧的“帧ID”取值相同，但通信传输的方向相反，查询/设定请求帧由上位计算机传输至数字横机现场控制器，响应帧由数字横机现场控制器传输至上位计算机。

本发明中设备监控数据包涉及的设备监控操作有：

a、  系统忙查询：其查询/设定请求帧的帧结构如图8所示，响应帧的帧结构如图9所示。

查询/设定请求帧：

第0字节为“块ID”，取值：FDH；

第1字节为“帧ID”，取值：01H；

第2字节至第7字节：保留。

响应帧：

第0字节：“块ID”，取值：FDH；

第1字节：“帧ID”，取值：01H；

第2字节：横机的系统工作状态，取值01H表示系统空闲，取值00H表示系统运行；

第3字节：横机机头的停车位置，取值01H表示横机机头停在左侧，取值02H表示横机机头停在右侧；

第4字节、第5字节：横机机头的停车位置坐标；

第6字节、第7字节：未使用。

b、  查询编码器换算参数和背光时间：其查询/设定请求帧的帧结构如图10所示，响应帧的帧结构如图11所示；

查询/设定请求帧：

第0字节为“块ID”，取值：FDH；

第1字节为“帧ID”，取值：02H；

第2字节至第7字节：保留。

响应帧：

第0字节：“块ID”，取值：FDH；

第1字节：“帧ID”，取值：02H；

第2字节：查询操作是否正常，取值01H表示查询操作正确，取值00H表示查询操作错误；

第3字节、第4字节：横机编码器的换算参数；

第5字节、第6字节：数字横机现场控制器显示单元的背光时间，单位为秒；

第7字节：未使用。

c、查询加针反向制动时间：其查询/设定请求帧的帧结构如图12所示，响应帧的帧结构如图13所示；

查询/设定请求帧：

第0字节为“块ID”，取值：FDH；

第1字节为“帧ID”，取值：03H；

第2字节至第7字节：保留。

响应帧：

第0字节：“块ID”，取值：FDH；

第1字节：“帧ID”，取值：03H；

第2字节：查询操作是否正常，取值01H表示查询操作正确，取值00H表示查询操作错误；

第3字节、第4字节：横机右侧加针反向制动时间，单位为毫秒；

第5字节、第6字节：横机左侧加针反向制动时间，单位为毫秒；

第7字节：未使用。

d、  查询系统机头位置和开机时间：其查询/设定请求帧的帧结构如图14所示，响应帧的帧结构如图15所示；

查询/设定请求帧：

第0字节为“块ID”，取值：FDH；

第1字节为“帧ID”，取值：04H；

第2字节至第7字节：保留。

响应帧：

第0字节：“块ID”，取值：FDH；

第1字节：“帧ID”，取值：04H；

第2字节：查询操作是否正常，取值01H表示查询操作正确，取值00H表示查询操作错误；

第3字节：横机机头的当前位置，取值01H表示横机机头当前在左侧，取值02H表示横机机头当前在右侧；

第4字节、第5字节：横机机头当前的位置坐标；

第6字节、第7字节：数字横机现场控制器的开机时间，单位为分钟。

e、  查询系统运行超时时间和加针停车时间：其查询/设定请求帧的帧结构如图16所示，响应帧的帧结构如图17所示；

查询/设定请求帧：

第0字节为“块ID”，取值：FDH；

第1字节为“帧ID”，取值：05H；

第2字节至第7字节：保留。

响应帧：

第0字节：“块ID”，取值：FDH；

第1字节：“帧ID”，取值：05H；

第2字节：查询操作是否正常，取值01H表示查询操作正确，取值00H表示查询操作错误；

第3字节、第4字节：横机机头单向运行超时时间，单位为秒；

第5字节、第6字节：横机的加针停车时间，单位为秒；

第7字节：未使用。

f、  设定编码器参数、运行超时时间及背光时间：其查询/设定请求帧的帧结构如图18所示，响应帧的帧结构如图19所示；

查询/设定请求帧：

第0字节为“块ID”，取值：FDH；

第1字节为“帧ID”，取值：06H；

第2字节、第3字节：设定横机的编码器换算参数；

第4字节、第5字节：设定横机机头单向运行超时时间，单位为秒；

第6字节、第7字节：设定数字横机现场控制器显示单元的背光时间，单位为秒。

响应帧：

第0字节：“块ID”，取值：FDH；

第1字节：“帧ID”，取值：06H；

第2字节：设定操作是否正常，取值01H表示设定操作正确，取值00H表示设定操作错误；

第3字节：错误码。01H表示横机的编码器换算参数设定错误，02H表示横机机头单向运行超时时间设定错误，03H表示数字横机现场控制器显示单元的背光时间设定错误，04H表示数字横机现场控制器写EEPROM错误；

第4字节至第7字节：保留

g、  设定加针反向制动时间、加针停车时间：其查询/设定请求帧的帧结构如图20所示，响应帧的帧结构如图21所示；

查询/设定请求帧：

第0字节为“块ID”，取值：FDH；

第1字节为“帧ID”，取值：07H；

第2字节、第3字节：设定横机左侧加针反向制动时间，单位为毫秒；

第4字节、第5字节：设定横机右侧加针反向制动时间，单位为毫秒；

第6字节、第7字节：设定横机加针停车时间，单位为毫秒。

响应帧：

第0字节：“块ID”，取值：FDH；

第1字节：“帧ID”，取值：07H；

第2字节：设定操作是否正常，取值01H表示设定操作正确，取值00H表示设定操作错误；

第3字节：错误码。01H表示横机左侧加针反向制动时间设定错误，02H表示横机右侧加针反向制动时间设定错误，03H表示横机加针停车时间设定错误，04H表示数字横机现场控制器写EEPROM错误；

第4字节至第7字节：保留

 本发明是通过具体实施过程进行说明的，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明专利进行各种变换及等同代替，因此，本发明专利不局限于所公开的具体实施过程，而应当包括落入本发明专利权利要求范围内的全部实施方案。

Claims (8)

1.一种基于CAN总线的数字横机网络控制的方法，其特征在于：利用CAN总线通信网络，上位计算机与数字横机现场控制器进行全双工数据通讯，共同构成一个网络化控制系统，

上位计算机与横机控制器之间生产工艺数据的通信方法为：首先，上位计算机发送文件头帧作为连接请求，数字横机现场控制器响应此连接请求；然后，上位计算机发起数据帧的发送，所有数据帧发送完成后，上位计算机发送结束帧，数字横机现场控制器响应校验结果，校验结果正确，则完成一次生产工艺数据的传送；校验结果不正确，则重复上述过程；若三次传送不正确，放弃本次生产工艺数据传送，系统报错；

上位计算机与横机控制器之间设备监控数据的通信方法为：首先，上位计算机发送查询/设定帧，数字横机现场控制器响应此连接请求；然后，上位计算机与数字横机现场控制器通过校对查询/设定帧与响应帧中的特定字节完成校验，校验结果正确，则完成此次设备监控数据的传送；校验结果不正确，则重复这个过程，若三次传送不正确，放弃本次设备监控数据传送，系统报错；

从而实现生产工艺数据与设备监控数据的传送，完成对现场横机工况的监控。

2.根据权利要求1所述的一种基于CAN总线的数字横机网络控制的方法，其特征在于：在生产工艺数据的传送中，采用累加和校验方式，把有效数据进行累加，上位计算机和数字横机现场控制器通过校对此校验字节，验证通信过程的正确性。

3.根据权利要求1所述的一种基于CAN总线的数字横机网络控制的方法，其特征在于：所述的上位计算机与数字横机现场控制器进行全双工数据通信模式可以在任何一种CAN总线的网络结构中实现。

4.根据权利要求1所述的一种基于CAN总线的数字横机网络控制的方法，其特征在于：针对数字横机网络化控制系统，设计基于CAN总线数据链路层规约的专用生产工艺数据传输应用层协议，把数字横机正常运行所需要的生产工艺数据利用软件方法转换成为现场控制器能识别并依照执行的生产工艺数据包，并且储存于现场控制器的存储器中，现场控制器通过解析生产工艺数据包，可以获取控制数字横机工作的生产工艺数据，同时，现场控制器也可以向上位计算机传送其应答。

5.根据权利要求4所述的一种基于CAN总线的数字横机网络控制的方法，其特征在于：生产工艺数据包的格式依据本发明提出的生产工艺数据传输应用层协议，本发明中规定了三种类型的生产工艺数据帧，分别是：文件头帧、数据帧、结束帧，利用这三种类型的帧，可以组成用于传送生产工艺数据包，每种类型的生产工艺数据帧由多个标准帧构成。

6.根据权利要求1所述的一种基于CAN总线的数字横机网络控制的方法，其特征在于：针对数字横机网络化控制系统，设计基于CAN总线数据链路层规约的专用设备监控参数传输应用层协议；把数字横机正常运行所需要的设备工作参数编制成为现场控制器能识别并依照执行的设备监控数据包，该数据包储存于现场控制器的存储器中，现场控制器通过解析设备监控数据包，可以获取控制数字横机工作的设备控制参数，同时，现场控制器也可以向上位计算机传送其设备状态参数。

7.根据权利要求6所述的一种基于CAN总线的数字横机网络控制的方法，其特征在于：设备控制参数和设备状态参数都属于设备监控数据，设备监控数据包的格式依据本发明提出设备监控数据传输应用层协议。

8.根据权利要求7所述的一种基于CAN总线的数字横机网络控制的方法，其特征在于：设备监控数据传输应用层协议中，本发明规定了设备监控数据包，由两个标准帧构成，本发明把这两个标准帧定义为上位计算机查询/设定请求帧和数字横机现场控制器响应帧；设备监控数据包涉及的设备监控操作有：

a、系统忙查询；

b、查询编码器换算参数和背光时间；

c、查询加针反向制动时间；

d、查询系统机头位置和开机时间；

e、查询系统运行超时时间、加针停车时间；

f、设定编码器参数、运行超时时间及背光时间；

g、设定加针反向制动时间、加针停车时间。

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