CN102830688A - 基于can总线的分布式io智能控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于CAN总线的分布式IO智能控制系统及控制方法，所述的系统由上位机、智能IO主控装置、智能IO分控装置、防火防尘装置等组成。上位机主要完成对设备的命令发送以及系统运行参数的显示、报警；智能IO主控装置接收上位机的操作指令，通过CANBUS总线传输智能IO主控装置的逻辑命令，各智能IO分控装置运行控制子程序完成对除尘防火阀门的控制和联动保护。另外，各智能IO分控装置在网络故障的情况下，可以独立对所控制的除尘防火阀门进行自动控制，具有极高的运行可靠性。该基于CAN总线的分布式IO智能控制系统及控制方法采用基于CAN总线的分布式IO控制，控制过程灵活方便，可靠性高。

Description

基于CAN总线的分布式IO智能控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于CAN总线的分布式IO智能控制系统及控制方法。

背景技术

在大型储煤场燃料露天堆放和运输过程中，会产生大量的粉尘飘散在空中，造成环境污染，严重影响周边人们的身心健康，甚至影响周边设备的正常运转。同时，大量的煤扬尘、自燃也造成大量的能源损耗。为加强煤场区域内的管理工作，需要对煤场建立自动的防尘防火控制系统。

以往针对煤场防尘防火控制采用的人工操作或集中统一操作都带来很多缺陷，采用人工操作方式，煤场操作工作人员需要绕着储煤场转一圈，耗时较长；采用集中统一操作方式，需要将每个阀门的线缆单独接入主控制站，存在现场施工布线复杂、线缆铺设费用高，控制模式单一，通讯故障断开后不能继续工作等一系列问题。

因此，有必要设计一种新型的智能控制系统及控制方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于CAN总线的分布式IO智能控制系统及控制方法，该基于CAN总线的分布式IO智能控制系统及控制方法采用基于CAN总线的分布式IO控制，控制过程灵活方便，可靠性高。

发明的技术解决方案如下：

一种基于CAN总线的分布式IO智能控制系统，包括上位机、智能IO主控装置、智能IO分控装置和防火防尘装置；智能IO分控装置和防火防尘装置均为多个；上位机与智能IO主控装置通过串口连接；多个智能IO分控装置均通过CAN总线与智能IO主控装置通信连接；多个智能IO分控装置与多个防火防尘装置一一对应连接；

防火防尘装置中设有电磁阀和用于对煤场喷水的防尘喷枪；电磁阀受控于智能IO分控装置，电磁阀驱动防尘喷枪动作。

智能IO主控装置与各智能IO分控装置均采用环形供电模式供电。

一种基于CAN总线的分布式IO智能控制方法，采用前述的基于CAN总线的分布式IO智能控制系统实施定时喷水控制；

智能IO主控装置实现上位机与智能IO分控装置之间的信息交互：一方面接收从上位机发出的用于启动喷水或停止喷水的喷水指令，通过CAN通信将喷水指令转发给智能IO分控装置，控制位于现场的防火防尘装置中喷枪的启停；另一方面通过CAN通信接收并返回每个智能IO分控装置发出的自检和状态信息给上位机；

对于每一个智能IO分控装置，与智能IO主控装置通信正常时，按照上位机的指令控制防火防尘装置执行喷水操作；

与智能IO主控装置通信中断后，智能IO分控装置作为一个独立的控制器执行定时喷水操作；【此时，智能IO分控装置为一个独立的控制系统，如通过响应定时中断执行喷水操作】

各防火防尘装置两两一组成对控制，每一组的2个防火防尘装置分设在煤场的两侧；多组防火防尘装置沿着煤场的延伸方向依次顺序放置；

智能IO主控装置控制各智能IO分控装置的过程如下：

当上位机设定的启动时间到达时，智能IO主控装置通过CAN总线控制第一组防火防尘装置的防火阀开启以实施喷水；T（喷淋时间T可以任意设定1分钟至24小时）时间后关闭第一组防火防尘装置的防火阀；再启动下一组防火防尘装置喷水T时间，最后一组防火防尘装置完成T时间喷水动作后，再从第一组防火防尘装置开始进入下一轮喷水循环；直到实际的循环次数达到上位机设定的停机次数时，智能IO主控装置控制所有防火防尘装置停止喷水。

智能IO主控装置还执行以下通信检测过程：

智能IO主控装置每次收到一条完整通信报文时通信标志位状态发生变化，从‘0’变为‘1’，或者从‘1’为‘0’，每次通信标志位的变化都会使通信状态计数存储器计数加1；并使得状态清零标志位置‘1’；

通信状态检测定时器的定时时间为5秒，5秒循环计时，在定时器溢出时判断通信是否正常；

当通信状态检测定时器计时到5秒时，且检测到通信状态计数存储器计数大于0时，表明此时通信正常，并清除状态清零标志位，即使状态清零标志位为‘0’，同时通信状态计数存储器计数清零；

当通信状态计数存储器从0开始计数时，通信故障检测定时器开始计时，时间为5秒；在5秒钟内当通信状态计数存储器计数大于0，则对通信故障检测定时器进行复位；在5秒钟内当通信状态计数存储器计数一直为0，表明存在通信故障，同时智能IO主控装置通过RS232串口总线向上位机报警；

在通信故障解除恢复正常后，又重新开始通信检测过程。

有益效果：

本发明提出了一种基于CAN总线的分布式IO智能控制系统及控制方法，所述的系统由上位机、智能IO主控装置、智能IO分控装置、防火防尘装置等组成。上位机主要完成对设备的命令发送以及系统运行参数的显示、报警；智能IO主控装置接收上位机的操作指令，通过CANBUS总线传输智能IO主控装置的逻辑命令，各智能IO分控装置运行控制子程序完成对电磁阀的控制和联动保护。另外，各智能IO分控装置在网络故障的情况下，可以独立对所控制的电磁阀进行自动控制，具有极高的运行可靠性。

与现有技术相比，本发明的优点就在于：

1、在通信故障中断的情况下，分布在各处的智能IO分控装置能够自行启动定时程序，自动运行中断控制程序，定时进行防尘喷枪的控制。或者可以采取现场手动操作。

2、CAN与分布IO智能控制系统仅通过两根CAN通信线将数据和控制信息传输给多台分控装置，能使系统电缆敷设便捷简单，大大降低系统线缆成本和维护成本。

3、智能IO分控制装置通过CAN通信返回就地控制信息，当阀门或喷枪不能正常工作时，智能IO分控装置的数字量输入点就会处于常开状态，通过CAN通信传送到智能IO主控装置，然后主控再将该故障防尘喷枪的信息发送到上位机显示其编号和位置。

附图说明

图1为基于CAN总线的分布式IO智能控制系统的总体结构框图；

图2为智能IO分控装置煤场电气控制图；【图2中‘DI’表示喷淋阀动作状态，‘0’表示关，‘1’表示开,‘DO+’表示喷淋阀驱动电源正输入端,‘DO-,表示喷淋阀驱动电源负输入端’。】

图3为智能IO分控装置与智能IO主控装置环形供电示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

如图1所示，上位机系统和智能IO主控装置之间采用RS485(MODBUS规约)方式通信，智能IO主控装置与智能IO分控装置之间采用CANBUS总线方式通信。所有的数据显示和操作都可以在上位机上完成，并且还有报警，历史趋势和报表功能，给操作人员提供最完备的使用环境。

1、控制系统

该控制系统由智能IO主控装置、智能IO分控装置两大部分组成。

智能IO主控装置：每个煤场设置一个，主要任务在于完成上位机与智能IO分控装置之间的信息交换和衔接功能。其一方面接收从上位机发出的启动喷水指令，通过CAN通信转发给智能IO分控装置，控制现电磁阀的启停；另一方面通过CAN通信接收并返回每个智能IO分控装置报来的自检和状态信息，以在上位机上进行显示。

智能IO分控装置：该装置直接安装于现场电磁阀旁，其一方面通过CAN通信接收智能IO主控装置发出的电磁阀启停指令，另一方面把自身的工作状态反馈给主控装置。当通信失效中断后，智能IO分控装置还可以作为一个独立的控制器来定时自动控制防尘电磁。

系统电源采用AC220V环形供电，如图3所示，当切断任何一个点的电源故障不影响整个供电系统。电磁阀控制电源也是AC220V，智能IO分控装置内部有一个开关控制电源控制装置供电和控制现场电磁阀供电，这样可以做到当智能IO分控装置失电时外部电磁阀也失电，而且方便调试。

2、控制方式

该控制系统的控制方式分为上位机组合控制方式和通信中断后自动控制方式两种。

2.1上位机组合控制方式

系统的控制通过智能IO主控装置来实现。智能IO主控装置实现多个点组合控制，顺序控制。

在具体实施过程中，控制室安装智能IO主控装置1个，现场就地安装智能IO分控装置56个，分4列每列14个，分别对应每个区域，两侧相对的2个防尘枪为1对，每个煤场共14对,每次开启1对防尘枪,采用两侧2个防尘枪对喷，每对防尘枪开启时间为2～3分钟（开启时间可现场调整），第一对防尘枪喷完后，自动关闭并依次开启下一对，顺序进行，直至整个煤场喷洒一遍。如图所示。第一列和第二列防尘枪之间是一个长条形的储煤区域，储煤区域两侧放置防尘防火枪同时对喷，可以最大面积的覆盖储煤区域。

2.2智能IO主控装置程序

包括三个部分：主控制程序和通信检测程序。

a.主控制程序

参数定义：

M16.1：启动标志位；

M16.4：选择标志位；

VB230：上位机设定启动时间（时）；

VB232：上位机设定启动时间（分）；

VB0：上位机设定停止时间（时）；

VB2：上位机设定停止时间（分）；

SMB68，SMB69：控制装置系统时间；

M0.0,M2.4：控制位；

M10.3：运行程序位；

M16.3：停止位；

SSPCU0404_01：功能块子程序

VB4：控制循环次数；

VB6：设定的停机次数；

M10.4：循环次数停止运行程序位；

当启动标志位【M16.1】与选择标志位【M16.4】有效，上位机设定的启动时间（VB230与VB232）到达时，控制位M0.0与M2.4置1，即现场的第一对控制装置开启阀门，当设定的停止喷射时间（VB0与VB2）达到控制装置系统时间后，时间停止运行程序位M10.3此时为1时，停止位M16.3置1，控制装置自动停止。当上一对智能IO分控装置停止喷射动作时会触发下一对智能IO分控装置的动作，以此循环下去，直到完成一次循环（整个煤场24对IO智能分控装置都开启一次为一次循环）。

当实际的控制循环次数（VB4）达到上位机设定的停机次数（VB6）时，循环次数停止运行程序位M10.4此时为1，所有智能IO分控装置停止控制。

当第一对智能IO分控装置中的一个开始动作时，控制位M0.0为1，同时T0定时器开始启动计时功能，当T0计时时间到达用户设定的动作时间后（动作时间由VD174来设置），控制位M0.0与M2.4复位（即控制第一对智能IO分控装置的控制位复位，第一对智能IO分控装置停止动作）。同时控制位M0.1与M2.5置1，即现场的第二对智能IO分控装置开始动作，此时又触发定时器T1开始计时，当T1计时时间到达用户设定的动作时间后（动作时间由VD174来设置），控制位M0.1与M2.5复位（即控制第二对智能IO分控装置的控制位复位，第二对智能IO分控装置停止动作）。同时控制位M0.2与M2.6置1，即现场的第三对智能IO分控装置开始动作，依次循环下去。

b.通信检测程序

参数定义：

M12.8：通信标志位；

M19.2：状态清零标志位；

VB260：通信状态计数存储器；

T168：通信状态检测定时器；

T169：通信故障检测定时器；

通信检测程序逻辑，每次收到一条完整的通信报文时通信标志位状态发生变化，从‘0’变为‘1’，或者从‘1’为‘0’，每次通信标志位的变化都会使通信状态计数存储器【VB259】计数加1。同时通信状态计数存储器【VB259】计数大于0时，运行状态清零标志位【M19.2】置‘1’，通信状态检测定时器【T168】开始计时，时间为5秒。

当通信状态检测定时器【T168】计时到5秒时，清除状态清零标志位【M19.2】置‘0’，同时通信状态计数存储器【VB259】计数清零，等待下次通信状态计数存储器【VB259】重新计数；

当通信状态计数存储器【VB259】从0开始计数时，通信故障检测定时器【T169】开始计时，时间为5秒。在5秒钟内当通信状态计数存储器【VB259】计数大于0，则对通信故障检测定时器【T169】进行复位；假设直到通信故障检测定时器5秒溢出通信状态计数存储器【VB259】计数一直为0，状态清零标志位【M19.2】置‘1’表示当前处于通信故障状态（智能IO复位或者通信恢复正常后置‘0’），同时通过RS232（MODBUS协议）向HMI主站报警；在通信故障解除恢复正常后，又重新开始运行通信检测逻辑程序。

2.3智能IO分控装置程序

包括基本功能控制程序和通信中断后自动控制程序。

a.基本功能控制程序

通信正常时控制

智能IO主控装置不断通过CAN发送数据帧，智能IO分控装置不断接收主控发过来的数据帧，当主控程序中控制位M0.0由0变为1时，此时分控制器接收到的数据帧中M0.0位由0变为1，则常开触点M0.0闭合，线圈0UT00动作，即分控制器的第一个DO输出，分控制器第一个DO所控制的电磁阀开始动作。

b.通信中断后自动控制程序

（1）如果是单个智能IO分控装置跟主机的CAN通信中断后，通信中断后，智能IO分控装置中CPU内部的定时计数器开始定时计数功能，每隔10分钟控制开启一次电磁阀，直至通信恢复。

（2）如果是主机端（即主控IO控制装置）的CAN通信中断，则按以下方式进行控制。

主机通讯故障中断后，通讯判断标志位M20.2则闭合，M20.2由0变为1时的上升沿同时置位M0.0，此时由M0.0对应控制的电磁阀开始动作，M0.0开始动作后，T2计时器开始计时，计时5秒后常开触点T2闭合，上升沿同时复位M0.0和置位M0.1，即由M0.0对应控制的电磁阀停止动作，由M0.1对应控制的电磁阀开始动作，M0.1对应控制的电磁阀动作5秒后又停止动作，与此同时启动下一个电磁阀开始动作，假设某智能IO分控装置通信中断后，本循环控制程序自动跳过该智能IO分控装置通信中断的IO，直接运行下一台智能IO分控装置，就这样依次运行下去，直到所有电磁阀都动作后为一个循环。而通信中断的IO分控装置运行本身内部程序自行执行定时喷水控制。

智能IO控制装置采用专用外壳和航空接头，具有IP67的防护等级、宽温工作范围，能适应严酷环境。

Claims (4)

1.一种基于CAN总线的分布式IO智能控制系统，其特征在于，包括上位机、智能IO主控装置、智能IO分控装置和防火防尘装置；智能IO分控装置和防火防尘装置均为多个；上位机与智能IO主控装置通过串口连接；多个智能IO分控装置均通过CAN总线与智能IO主控装置通信连接；多个智能IO分控装置与多个防火防尘装置一一对应连接；

防火防尘装置中设有电磁阀和用于对煤场喷水的防尘喷枪；电磁阀受控于智能IO分控装置，电磁阀驱动防尘喷枪动作。

2.根据权利要求1所述的基于CAN总线的分布式IO智能控制系统，其特征在于，智能IO主控装置与各智能IO分控装置均采用环形供电模式供电。

3.一种基于CAN总线的分布式IO智能控制方法，其特征在于，采用权利要求1或2所述的基于CAN总线的分布式IO智能控制系统实施定时喷水控制；

智能IO主控装置实现上位机与智能IO分控装置之间的信息交互：一方面接收从上位机发出的用于启动喷水或停止喷水的喷水指令，通过CAN通信将喷水指令转发给智能IO分控装置，控制位于现场的防火防尘装置中喷枪的启停；另一方面通过CAN通信接收并返回每个智能IO分控装置发出的自检和状态信息给上位机；

对于每一个智能IO分控装置，与智能IO主控装置通信正常时，按照上位机的指令控制防火防尘装置执行喷水操作；

与智能IO主控装置通信中断后，智能IO分控装置作为一个独立的控制器执行定时喷水操作；

各防火防尘装置两两一组成对控制，每一组的2个防火防尘装置分设在煤场的两侧；多组防火防尘装置沿着煤场的延伸方向依次顺序放置；

智能IO主控装置控制各智能IO分控装置的过程如下：

当上位机设定的启动时间到达时，智能IO主控装置通过CAN总线控制第一组防火防尘装置的防火阀开启以实施喷水；T时间后关闭第一组防火防尘装置的防火阀；再启动下一组防火防尘装置喷水T时间，最后一组防火防尘装置完成T时间喷水动作后，再从第一组防火防尘装置开始进入下一轮喷水循环；直到实际的循环次数达到上位机设定的停机次数时，智能IO主控装置控制所有防火防尘装置停止喷水。

4.根据权利要求3所述的基于CAN总线的分布式IO智能控制方法，其特征在于，智能IO主控装置还执行以下通信检测过程：

智能IO主控装置每次收到一条完整通信报文时通信标志位状态发生变化，从‘0’变为‘1’，或者从‘1’为‘0’，每次通信标志位的变化都会使通信状态计数存储器计数加1；并使得状态清零标志位置‘1’；

通信状态检测定时器的定时时间为5秒，5秒循环计时，在定时器溢出时判断通信是否正常；

当通信状态检测定时器计时到5秒时，且检测到通信状态计数存储器计数大于0时，表明此时通信正常，并清除状态清零标志位，即使状态清零标志位为‘0’，同时通信状态计数存储器计数清零；

当通信状态计数存储器从0开始计数时，通信故障检测定时器开始计时，时间为5秒；在5秒钟内当通信状态计数存储器计数大于0，则对通信故障检测定时器进行复位；在5秒钟内当通信状态计数存储器计数一直为0，表明存在通信故障，同时智能IO主控装置通过RS232串口总线向上位机报警；

在通信故障解除恢复正常后，又重新开始通信检测过程。

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