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基于can总线的柔性生产线设计学位论文
1前言
1.1国内外研究现状
CAN是ControllerAreaNetwork的缩写（以下称为CAN），是ISO国际标准化的串行通信协议。
在当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。
由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。
为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，1986年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN通信协议[1]。
此后，CAN通过ISO11898及ISO11519进行了标准化，现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。
在北美和西欧，CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。
现在，CAN的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。
自从我国实行改革开放以来，科技领域急起直追，我国的机电一体化技术已取得明显的成效，数控产品有了很大的提高，国内的机械产品采用可编程控制器（PC）和微电子技术控制设备也越来越多，覆盖面也日益扩大，从纺织机械、轴承加工设备、机床、注塑机到橡胶轮胎成型机、重型机械、轻工业机械都是如此。
1.2课题研究的意义
现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一,被誉为自动化领域的计算机局域网。
它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。
另外,与其它现场总线比较而言,CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线[2]。
并且随着网络技术的不断发展，利用网络能够在远程对现场设备进行监控，从而改善生产环境，优化生产流程；而且使用网络模式，可以充分利用网络资源，实现资源共享，最大限度的提高生产效率。
所以基于CAN总线的柔性生产线的设计与研究具有很大的商业价值。
2设计方案
2.1CAN总线简介
2.1.1CAN总线的基本概念
CAN是ControllerAreaNetwork的缩写，是ISO国际标准化的串行通信协议。
CAN的可靠性和高性能已被当今社会所认同，并被广泛应用于企业的生产中。
现场总线的研究与运用已成为当今自动化领域技术研究的热点之一，并被誉为自动化领域的“计算机局域网”。
它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。
2.1.2CAN总线的特点
（1）结构简单：
只有2根线与外部相连，并且内部集成了管理模块和错误探测。
（2）完成对通信数据的成帧处理：
按照OSI基准模型，CAN结构分为2层：
数据链路层和物理层，可完成对通信数据的成帧处理，包括循环冗余检验、数据块编码、位填充、优先级判别等项工作。
（3）能够保证网络内的节点个数在理论上不受限制：
CAN协议的一个最大特点是对通信数据块进行编码。
采用这种方法可使网络内的节点个数在理论上不受限制，可以同时定义2个或2个以上不同的数据块，这种数据块编码方式可以保证不同的节点同时接收到相同的数据，这个特点对于分布式控制系统具有非常重要的意义。
数据段的长度为8个字节不仅可以满足普通工业领域中工作状态、控制命令及测试数据的一般要求，而且不会占用总线时间过长，从而保证了数据通信的实时性[3]。
CAN总线还保证了数据通信的高可靠性。
CAN总线卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，越来越受到工业界的重视，特别适合远程对现场设备进行监控，从而改善生产环境，并已公认为最有前途的现场总线之一。
（4）能够保证在各节点之间实现自由通信：
由于CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点，所以CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，最终在各个节点之间实现自由通信。
2.1.3CAN总线的优点
（1）具有实时性强、可靠性高、传输距离较远、抗外界干扰能力强、成本低等优点；
（2）多个控制模块通过CAN控制器连接到CAN-bus上，形成多主机局部网络；
（3）节点具有独立的自动退出总线的功能；
（4）采用双线串行通信方式，检错能力强，可在恶劣环境中工作；
（5）具有自动重发信息的功能；
（6）具有可靠的检错机制和错误处理应急措施；
2.2柔性生产线简介
2.2.1基本概念
柔性生产线是把多台可以调整的机床（能同时实现多种功能）联结起来，配以自动运送装置组成的生产线。
它依靠计算机远程管理控制，并将多种生产模式结合，最大限度的达到柔性化，从而能够减少生产成本做到物尽其用，缩短生产时间，提高生产效率。
2.2.2柔性生产线的构成
（1）自动加工系统
自动加工系统，是指以成组技术为基础，把材料相同，外形尺寸（形状不必完全一致）、重量大致相似，工艺相似的零件集中在一台或数台数控机床或专用机床等设备上加工的系统。
（2）物流系统
物流系统，指由多种运输装置构成，如传送带、传送链以及机械手等，完成物料的传送等功能，它是柔性生产线主要的组成部分。
（3）信息系统
信息系统，指对加工和运输过程中所需各种信息收集、处理、反馈，并通过电子计算机或其他控制装置（液压、气压装置等），对机床或运输设备实行分级控制的系统。
（4）软件系统
软件系统，指保证柔性生产线用电子计算机进行有效管理，是必不可少的组成部分。
2.2.3柔性生产线的优点
柔性生产线是一种高度自动化，技术复杂的系统，它将电子学、PC机和工业工程等技术有机地结合起来，有效地解决了机械制造及加工中的高自动化与高柔性化之间的矛盾[4]。
具体优点如下：
（1）设备利用率高。
将不同的机床进行编组，整合进柔性生产线中，可有效利用资源，减少工艺流程，缩短生产时间，增大生产效益。
（2）生产能力相对稳定。
自动加工系统由一台或多台机床组成，他们之间既有联系又是相互独立的生产模块，发生故障时，系统有自动降级运转的能力，物料传送系统可以避开发生故障的机床继续下一流程的生产[5]。
（3）产品质量高。
零件在装卸过程中容易造成损伤，影响质量，然而柔性生产线系统中零件在加工过程中，装卸只需一次，其他操作全部自动完成，加工精度嵩，加工形式稳定。
（4）运行灵活。
柔性生产线集检验、装卡和维护工作于一体，运行非藏灵活。
只需照看前面的工序就可以，后面的工序完全可以在没有人照看的情况下正常生产。
（5）产品应变能力大。
柔性生产线系统中各组成部分都是相对独立的单元，可以根据不同的环境合理的进行调配，充分利用有限的空间完成所赋予的任务。
2.3硬件系统设计
我所设计的柔性生产线系统在硬件上由两大部分组成：
混合式输送线及其控制中心和小型立体仓库设备[6]。
2.3.1混合式输送线及其控制中心
混合式输送线及其控制中心具有以下特点：
（1）可根据环境的不同自行添加定位卡具和检测开关等；
（2）皮带式输送线采用表面氧化铝型材设计制造，如下图所示：
图2.1皮带式输送线
（3）倍速链输送线表面采用氧化铝型材设计制造，倍速可根据不同的要求进行调整，如下图所示：
图2.2倍速输送线
（4）辊筒式输送线表面采用氧化铝型材设计制造，表面镀锌滚筒，可有效防止被氧化，如下图所示：
图2.3辊筒式输送线
（5）用于连接皮带式输送链、辊道式链和倍速链的两个90度转角机，如下图所示：
图2.490度转角机
（6）进出立体仓库的入货台和出货台，如下图所示：
图2.5入货台
（7）流水线控制中心使用工业标准配电柜设计：
玻璃门开放式设计，挡板式电器元件安装，标准工业配线。
如下图所示：
图2.6流水线控制中心配电柜
2.3.2小型立体仓库设备
我们采用小型立体仓库作为存储设备，用于存储生产所需要的原料或制造产品，该套立体仓库完全受电脑的控制，甚至可以实现远程控制，只要编制好程序就能在电脑的控制下利用堆垛机实现自动从指定仓位中取出货物并放到出货台上进行一系列的加工或者把入货台上的货物放入指定的仓位中进行存贮[7]。
小型立体仓库设备具有以下特点：
（1）可扩展为双排货架
（2）堆垛机上设置了三层保护措施：
硬件限位、软件限位和碰撞缓冲挡块，充分保证了设备的安全运行
（3）主驱动采用运动控制器+交流伺服电机方式，具有噪音低、速度快、定位精度高等特点
（4）核心控制部件为精密嵌入式四轴运动控制器，为开放性运控平台，提供丰富的硬件接口。
（5）立体仓库控制装置使用工业标准配电柜设计：
透明玻璃门开放式设计，挡板式元器件安装，标准配线。
外形如下图所示：
图2.7立体仓库配电柜
2.4软件控制设计
2.4.1混合式输送线传统控制模式
目前企业生产线大多采用PLC进行控制调节，该控制方式可靠性高，但是成本较高。
PLC的输出结构是可编程的逻辑宏单元，因为它的硬件结构设计可由软件完成，因而它的设计比纯硬件的数字电路具有很强的灵活性，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路[8]。
一般的，输送线系统大都采用PLC控制实现如下图所示：
图2.8输送线控制系统
传统的输送线控制模式利用PLC实现对各条输送线的输入传感器进行逻辑判断，从而实现对各个输送线电机的控制，有效地控制各个部分的正常运行。
在其中的输送链中，配备了变频器如下图所示，调节各个输送链的速度来完成预期的任务。
图2.9变频器控制系统
传统的PLC控制模式可靠性非常高，可以有效地整体把握所有的生产线流程，所以目前被大量应用在生产线控制系统中。
但是，并不是所有的生产现场都能使用PLC控制模式[9]。
例如，在我们所设计的生产现场，整个的生产输送系统并不是单一的，是由完全不同的输送链组合而成，实现他们特有的功能。
该输送线系统由2个90度转角机，5个输送链，1个入货台和1个出货台组成，包括很多的传感器、电机和气缸，如果把这些信号线和控制线全部接入PLC（如下图所示），那么对于大型的输送线系统来说是非常繁琐的，而且走线比较紧密，很难辨认，容易造成不必要的麻烦。
图2.10PLC控制系统示意图
为了解决这一问题，我们采用的方法是给每条输送链配备自身的控制系统，通过CAN总线实现对各条输送链的信息交换（如下图所示）将原本没有联系的输送线联系起来，这种方法既简单又有效，真正实现生产线的自由组合。
图2.11CAN总线系统示意图
2.4.2混合式输送线CAN总线的新型控制模式
系统软件的设计关键在于通信程序的设计。
整个系统主要包括单片机数据采集与处理模块程序、CAN对模块的接受发送程序[10]。
其中，CAN对模块的接受发送程序是系统软件设计的主要部分，对这一部分的设计改造将决定整个系统的有效运行。
CAN收发模块程序控制框图如下图所示：
图2.12CAN收发模块程序控制框图
CAN收发模块程序的主要任务是对控制器进行初始化、响应上位机查询发送程序以及接收程序。
该程序的功能看似非常复杂，理论上用时很多，但是为了提高整个系统的传输速率，每个节点都采用中断方式实现数据的实时传输。
单片机在接收到上位机的查询命令后，会产生响应的中断，将从现场采集的数据根据响应数据帧的格式向上位机进行发送[11]。
由于在该系统中任意一个节点都可以在任意时刻主动与其他节点通信，没有等待时间，所以提高了整个系统的传输速率。
（1）CAN总线智能节点
CAN总线智能设计主要包括三部分：
CAN节点初始化、报文发送和报文接收。
CAN总线系统节点是网络上信息的接收和发送门户。
本系统采用单片机C8051F020作为CAN网络的智能节点。
CAN智能节点硬件接口电路主要由单片机C8051F020、CAN总线收发器TAJ1050和高速光电偶合器6N137组成。
微处理器C8051F020负责CAN初始化，通过RXDC、TXDC实现数据的接收和发送等通信任务。
硬件设计中，为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，C8051F020通过高速光电耦合器6N137后与TAJ1050相连，这样就很好的实现了总线上各CAN节点间的电气隔离，同时光电耦合部分电路所采用的两个电源VCC和VDD必须完全隔离，否则采用光电耦合就失去了意义。
总线的两端应接有两个120的电阻，对于匹配总线阻抗，起着重要的作用[12]。
如忽略它们，会使数据通信的抗干扰性及可靠性大大降低，甚至无法通信。
TAJ1050的CANH引脚和CANL引脚各自通过1只5Ω的电阻器与总线相连，电阻器可起到一定的限流作用，保护TAJ1050免受过电流冲击。
CAN总线智能节点硬件接口电路原理图如下图所示：
图2.13CAN总线智能节点硬件接口电路原理图
信号检测电路原理图如下图所示：
图2.14信号检测电路原理图
（2）柔性线报文格式
CAN总线上的信息都是以报文的形式进行传输的，报文传输主要分为四种不同类型的帧：
数据帧、远程帧、出错帧和过载帧。
数据帧是从一个发送器承载数据到一个接收器。
根据CAN规范，有两种数据帧格式：
CAN标准帧（也称为CAN2.0A，支持11位长度的标识符）和CAN扩展帧（也称为CAN2.0B，支持29位长度的标识符）。
远程帧由6个场组成：
帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场和帧结束。
远程帧不存在数据场，远程帧的RTR位必须是隐位。
出错帧由两个不同场组成，第一个场主要由来自各站的错误标志叠加得到，第二个场是出错界定符。
错误标志具有两种形式：
活动错误标志（Activeerrorflag），由6个连续的显位组成；认可错误标志（Passiveerrorflag），由6个连续的隐位组成。
超载帧包括两个位场：
超载标志和超载界定符。
发送超载帧的超载条件：
要求延迟下一个数据帧或远程帧，在间歇场检测到显位，超载标志由6个显位组成，超载界定符由8个隐位组成[13]。
在CAN总线中传送的报文,每帧由7部分组成。
CAN协议支持两种报文格式,其唯一的不同是标识符（ID）长度不同,标准格式为11位,扩展格式为29位。
在标准报文格式中,报文的起始位称为帧起始（SOF）,然后是由11位标识符和远程发送请求位（RTR）组成的仲裁场。
RTR位标明是数据帧还是请求帧,在请求帧中没有数据字节。
控制场包括标识符扩展位（IDE）,指出是标准格式还是扩展格式。
它还包括一个保留位,为将来扩展使用。
它的最后四个字节用来指明数据场中数据的长度（DLC）。
应答场（ACK）包括应答位和应答分隔符。
发送站发送的这两位均为隐性电平（逻辑1）,这时正确接收报文的接收站发送主控电平（逻辑0）覆盖它。
用这种方法,发送站可以保证网络中至少有一个站能正确接收到报文。
报文的尾部由帧结束标出。
在相邻的两条报文间有一很短的间隔位,如果这时没有站进行总线存取,总线将处于空闲状态。
系统的工作过程如下：
系统开始工作时，对各个CAN总线节点C8051F020、CAN控制器等进行初始化，单片机C8051F020接收各传感器检测的物料运动状态参数进行数据处理，并将部分工艺参数显示在计算机屏幕上。
另一方面，上位机向CAN总线发出读取各节点物料运动状态参数的命令，C8051F020接到命令以后，将物料的主要工作参数，如大小、数量、故障原因等，按CAN的报文格式将其写入CAN控制器的发送缓冲区内，这时并启动发送命令，通过CAN总线传输给上位机进行数据的分析处理，，实现CAN网络上的信息的接收与发送。
这样在软件系统的控制下，物料从输送链上有序的进行传输，这时，事先安装在生产线周围的机床（专用机床）就对物料进行加工，在规定的时间内完成对物料精确地加工，这个工序加工完成后紧接着就进入下一道工序进行加工，最后，整套工序加工完毕后，物料从入货台被堆垛机按照实现编制好的程序一一放到立体货架上。
至此，整个生产流程完成，当货物要出售时，堆垛机会在计算机的控制下，按照实现编制好的程序将货物有序的搬运到指定的位置进行装载[14]。
2.5模块单元设计
2.5.1柔性线控制模块设计
基于CAN总线的模块控制工作原理如下图所示：
图2.14基于CAN总线的模块控制工作原理图
从上图可以看到输送链1与输送链2是相邻的两条输送线，这两条输送线互相连接后就组成了我们所需要的简单的生产线，每条输送线路上都安装有控制模块，3个传感器（货物驶入输送线传感器、工位传感器和货物驶出输送线传感器），当物料在输送链上进行运输时，驶入输送线传感器和工位传感器接收到得信号会输入到自身控制器，驶出输送线传感器接收到得信号不仅输入到自身控制器中，还要输入到下一级生产线单元的控制模块中，作为下个输送线运行的初始信号。
每个输送线上的控制器看似是相互独立的，但是他们最终都会通过CAN总线将收集到的信息传输到到中央控制单元，由中央控制器控制整个的生产流程[15]。
柔性线单元控制模块框架如下图所示：
图2.15柔性线单元控制模块框架
由上面的模块框架图可以看出该柔性线单元包括单片机C8051F020、CAN总线收发驱动器TAJ1050、输入输出口以及与变频器通讯的的RS485接口。
单片机C8051F020作为该控制系统的核心，CAN总线收发驱动器TAJ1050实现CAN总线通讯功能，输入输出口作为传感器信号的接入口，以及控制电机的输出口。
在实际生产过程中，每个企业所赋予生产线的任务是不同的，所以每个工位工人所操作的时间也是不相同的，这就要求我们要对每条生产线进行速度调节达到生产的需要，我们解决这一问题通常采用变频器进行控制，将变频器信号传输到控制室工控机上，实现中控室能够监控各变频器的状态和参数，最终实现自动化生产。
如何将变频器信号传输到控制室工控机上，其实现方法有两种：
（1）将所有输送线上的变频器通过TAJ1050总线连接到工控机上；
（2）将柔性线单元的变频器与所有单元的控制模块相连，由C8051F020与每一个变频器通讯，最终工控机所要数据通过CAN总线与C8051F020通讯得到。
我们通常采用第二种方案，采用这种方案可以使柔性线的配置更加灵活，正好符合CAN总线的实施目的，让整条生产线更具柔性，满足更多的生产需求。
2.5.2程序的模块化实现
要想实现程序的模块化需要对每一条生产单元配备控制模块单元，对每一个模块单元都需要编写相应的C8051F020单片机的程序，单片机的程序看似非常繁琐。
其实，在每条输送线上的模块单元所要完成的任务基本上市一样的，所以程序基本上都是可以通用的，只是对于那学比较特殊的生产线单元可能需要进行局部设计和修改。
程序的功能模块包括CAN总线通讯模块、TAJ1050通讯模块，输入输出功能模块，逻辑功能模块等[16]。
2.6网络监控
网络监控主要包括系统的组网方式和网络监控的实现。
组网方式包括控制层组网方式和网络监控层组网方式。
2.6.1控制层组网方式
在控制层的组网方式中通常采用CAN总线形式，通过CAN总线将各个输送线上的模块控制器进行组网，下图为CAN网络组态结构示意图：
图2.16CAN网络组态结构图
2.6.2网络监控系统组网方式
网络监控系统主要分为三层：
管理层、控制室和工业控制现场。
网络监控系统组网方式如下图所示：
图2.17网络监控系统组网方式
管理层不仅包括决策机构如领导还包括执行群体如技术负责人以及普通操作员等，他们虽然都有不同的权限，但都是实现对工业生产现场的监控。
控制室主要是对现场的操控层，主要负责对整个柔性生产线的监控和作业调度功能，让一线工人及时了解生产状况，对出现的任何故障问题及时处理，保证整条柔性线的安全有序的运行。
柔性线控制器直接对柔性线进行控制，并把各个控制点的状态返回给终端控制单元，由终端控制单元负责调配各条生产线。
2.7系统可靠性检测
在设计时采用软硬件结合的方法进行抗干扰。
为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，C8051F020通过高速光电耦合器6N137后与TAJ1050相连，这样就很好的实现了总线上各CAN节点间的电气隔离，同时光电耦合部分电路所采用的两个电源VCC和VDD必须完全隔离，否则采用光电耦合就失去了意义。
总线的两端应接有两个120的电阻，对于匹配总线阻抗，起着重要的作用。
如忽略它们，会使数据通信的抗干扰性及可靠性大大降低，甚至无法通信。
TAJ1050的CANH引脚和CANL引脚各自通过1只5Ω的电阻器与总线相连，电阻器可起到一定的限流作用，保护TAJ1050免受过电流冲击[17]。
采用冗余通信控制，避免当传输介质损坏或总线驱动器损坏时对CAN总线的可靠通信造成破坏，从而保证通信系统主要功能正常运行，以此提高系统的可靠性。
在软件方面采用比错和容错等技术，对信号进行滤波，清楚无关信号，以此来保证抗干扰能力。
3结论
（1）将CAN总线技术灵活的运用到了生产线中，使得生产线更具柔性，更能满足对不同生产工艺的需要；
（2）突破传统的混合式输送线控制模式，采用基于CAN总线的新型控制模式，充分考虑到生产线柔性的特点，使生产线具有了柔性功能；
（3）利用CAN总线完成对柔性生产线控制层的组网，利用以太网作为数据共享和数据传输的通道，将网络技术运用到柔性线系统中；
（4）合理的将硬件与软件相结合，实现了柔性线的模块化组合，使生产线更加合理，运用更加方便灵活。
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