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前言
本文主要介绍CAN-bus 总线技术在工程机械中的应用。重点以工程起重机为例，介绍如何将 iCAN系列功能模块、ZLG系列、CAN-bus接口卡、组建成一个可靠控制、易于开发的CAN-bus应用网络，以及在工程机车控制网络中快速应用的方法。
CAN-bus总线简介
CAN-bus 总线是国际上应用广泛的现场总线之一，初被设计用作汽车电子控制单元（ECU：Electric ControlUnit）的串行数据传输网络，现已被广泛应用于欧洲的中汽车中。近几年来，由于CAN-bus 总线极高的可靠性、实时性，CAN-bus总线开始进入中国各个行业的数据通讯应用，并于2002 年被确定为电力通讯产品领域的国家标准。
CAN-bus 网络使用普通双绞线作为传输介质，采用直线拓朴结构，单条网络线路至少可连接110个节点，当通讯距离不超过40米时，数据传输速率可达1Mbps，远通讯距离可达10公里(使用标准CAN 收发器PCA82C250/251芯片)。
CAN-bus网络为多主结构网络，根据信息帧优先级进行总线访问，大大提高了系统的性能；CAN总线采用短帧报文结构，实时性好，并具有完善的数据校验、错误处理以及检错机制，CAN总线节点在严重错误下会自动脱离总线，对总线通讯没有影响。CAN-bus网络中，数据收发、硬件检错均由CAN 控制器硬件完成，大大增强了CAN-bus 网络的抗电磁干扰能力。
CAN-bus 总线的适用范围：可适用于节点数目很多，传输距离在10公里以内，安全性要求高的场合；也可适用于对实时性、安全性要求十分严格的机械控制网络。
目前，国内的汽车、电梯行业已是CAN-bus 应用的典型领域，工业控制、智能楼宇、煤矿设备等行业也得到了广泛的应用。
工程机械行业的发展
由于嵌入式电脑、网络通讯、微处理器、自动控制等先进技术的日渐广泛应用，工程机械控制系统的性能和集成度已经有了很大的提高，工程机械的操作便利性、安全性都得到了大幅度提高。
在基于集中控制方式的工程机械中，一方面由于多个ECU单元的使用，各ECU之间的通讯越来越复杂，必然导致了更多的信号连接线，使控制系统安装、维护手续繁琐，运行的可靠性、应用的灵活性有所降低，维修难度增大；另一方面，为提高系统中信号的利用率，要求有大量的数据信息可以在不同的控制单元中共享，大量的控制信号也需要实时交换。传统的集中式控制系统已落后于工程机械中现代通讯功能的需求。
传统的控制系统结构示意图如下：
如何提高系统的性能，开发通讯应用的灵活性和方便性，降低使用和维护的成本是必须解决的问题，而CAN-bus总线在工程机械控制系统中的应用也能够有效解决这些问题。
CAN-bus总线在工程机械中的应用
无论是在欧洲、美洲，还是在亚洲，CAN-bus总线技术在工程机械领域都已经存在着广泛的产品实例，也有着良好的发展前景
CAN-bus总线在工程机械中应用现状
CAN-bus由于良好性能，特别适合于工程机械中各电子单元之间的互连通讯。随着CAN-bus总线技术的引入，工程机械中基于CAN-bus总线的分布式控制系统取代原有的集中式控制系统，传统的复杂的线束被CAN-bus总线所代替：系统中各种控制器、执行器以及传感器之间通过CAN-bus总线连接，线缆少、易敷设，实现成本低，系统设计更加灵活，信号传输可靠性高，抗干扰能力强。
目前CAN-bus总线技术在工程机械上的应用越来越普遍。国际上一些的工程机械大公司如CAT、VOLVO、利勃海尔等都在自己的产品上广泛采用CAN-bus总线技术，大大提高了整机的可靠性、可检测和可维修性，提高了智能化水平。而在国内，CAN-bus总线控制系统也开始在工程汽车的控制系统中广泛应用，在工程机械行业中也正在逐步推广应用。
工程机械控制系统中CAN-bus网络
工程机械的控制系统需要完成对系统中各种传感器、执行器、发动机、变速器等的控制及监测。不同的工程机械产品，其控制系统的组成并不完全一致，但其控制系统的构成方式基本上类似。
以汽车起重机为例，其基于CAN-bus总线的典型控制系统基本结构如下图所示, 系统组成为：
图1.2 基于CAN-bus总线的汽车起重机控制系统结构示意图
结论
CAN-bus总线的应用使工程机械控制系统功能具有良好的可扩展性，易于实现对各分系统得集中监测和管理。CAN-bus总线的应用使用户的使用、维护、故障诊断更加灵活和方便，例如起重机在出厂调试时，工厂计算机系统可以通过CAN-bus总线访问其控制系统，记录保存调试数据，以作为在故障时维修的原始参考数据。
随着CAN-bus总线在工程机械中的不断应用，必将大大提高工程机械的可靠性、可检测、可维修性以及智能化水平。
依靠强大的开发团队、PHILIPS半导体的技术，我们始终执着于工程机械行业中CAN-bus总线的应用推广，为客户提供更多的优质的解决方案。
基于PLC的步进电机在送经装置中的应用
近年来，人们更关注的是步进电机的变频特性。由于事物变化的不均匀性，定频技术越来越显示出它的局限性，而变频技术却能很好地适应各种随机变化的系统。本文就是介绍采用PLC控制的步进电机的变频特性，使其运用在纺织机的送经装置中。
用可编程控制器（PLC）产生各种步进脉冲驱动步进电机去达到各种控制、测试目的己屡见不鲜了。步进电机由于具有转子惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点，成了工控的主要执行元件之一，尤其是在jingque定位场合中得到了广泛的应用。但近年来，人们更关注的却是它的变频特性。由于事物变化的不均匀性，定频技术越来越显示出它的局限性，而变频技术却能很好地适应各种随机变化的系统。
PLC对步进电机的控制
PLC是广泛应用于工业自动化领域的控制器，它的功能越来越强，性能越来越先进。为了配合步进电机的控制，许多PLC都内置了脉冲输出功能，并设置了相应的控制指令，可以很好地对步进电机进行控制，图1是松下FP0-C16T晶体管输出型PLC的输出电路结构。
图1 PLC输出电路图
FP0-C16T型PLC有两个脉冲输出端Y0和Y1端，随着控制方式的不同，有三种脉冲输出形式。
(1)这两个脉冲输出端可以用来作为两个不带加减速的单相脉冲输出端，主要使用PLS和SPD1指令进行控制，颠率范围为0Hz_10KHz，可以连续输出，也可以脉冲中形式输出，可以单独输出。
(2)可以作为两相可变占空比的连续脉冲输出端，主要使用PWM指令控制，占空比设置范围为0%_。频率设置范围0.1Hz_999.9Hz。
(3)可以作为带梯形加减速的两相脉冲输出，主要使用PULS和SPD1指令控制，频率变化范围0Hz_10KHz，加减速率10Hz／10ms_10KHz／10ms，可以连续输出，也可以脉冲串形式输出，这里又分为两种控制方式，一种是脉冲+方向控制(Y0、Y1输出脉冲，Y2、Y3输出方向)，一种是正反向脉冲输出(Y0输出CW脉冲，Y1输出CCW脉冲)。如果使用Y0、Y2分别进行脉冲、方向控制，控制系统如图2所示。如果使用Y0作为脉冲输出，可以通过如图3所示的方法实现两相脉冲输出。
图2 脉冲、方向输出图
图3 双脉冲输出图
PLC控制步进电机在送经装置上的应用
采用PLC控制的步进电机的变频特性运用在纺织机的送经装置中很好地解决了经纱内部张力不均匀的问题，使产品的质量产生了质的飞跃。
(1)经纱张力信号检测
本装置是通过检测后梁的摆动是否超出范围来检测经纱张力的波动是否满足要求，不满足要求时就控制送经装置予以调整。如图4，当经纱2的张力发生波动时，活动后梁4带动张力感应杆5绕点O摆动。当检测片6进入接近开关7的有效作用区时，接近开关7就发出一高电平信号。以PLC为核心的控制器根据这一信号和主轴位置信号，启动步进电机13，驱动织轴送出经纱。接近开关7’是极限张力检测开关。当经纱张力过大或过小时，检测片6将遮挡接近开关7’，7’输出的高电平信号到控制器后，控制器就会关掉织机，以便进行人工处理。主轴位置的检测是为了控制送经运动的允许时间，以避开打纬，保证纬纱能被打紧。主轴位置的检测同样采用的是接近开关非接触式检测。
图4 送经装置结构图
(2)织轴驱动系统
织轴驱动系统由步进电机驱动器、步进电机、蜗轮减速器和织轴四部份组成。它的作用原理是：控制系统送来的信号经驱动放大处理后，驱动步进电机转动，经过减速器减速，再传动织轴，放出经纱。
对于织机送经机构，其负载特点是：当步进电机正转送出经纱时，经纱张力不是负载阻力，而是驱动力。步进电机只需输出较小力矩，克服蜗杆蜗轮自锁性，织轴即可回转经。此时步进电机转速可能较高(由纬密定)；当步进电机反转张紧经纱时，经纱张力是负载阻力，步进电机需输出较大的驱动转矩，而此时步进电机转速要求较低，步进电机的输出矩频特性(如图5虚线所示)正好与其相适应。、步进电机非常适合于这类伺服机构低转速大转矩、高转速小转矩和高精度的要求，是织机送经机构理想的驱动元件。
图5 织机送经装置负载转矩图
送经装置采用的是2相56系列步进电机DM5676A。它的技术指标如下：步距角：1.8_；相电流：2.0A；保持转矩：1.35Nm；静转矩：0.07Nm；转动惯量：4.6*10-5Kgm2。反应式步进电机具有结构简单，经久耐用，力矩－惯性比高、步进频率高、响应快、步距角小等优点，是目前国内外应用多的一种步进电机。
由于步进电机调速方便、调速范围宽，步进电机送经装置不用变换齿轮也能满足纬密2_120根/cm。电子送经装置则不能做到这一点，在此纬密范围内至少需要三档变换齿轮。步进电机送经装置的技术指标如下：
结语
实验效果表明，本文研制的步进电机送经装置性能良好，工作可靠。配上多种功能的人机界面后可以实现织轴收放经纱的可视化操作，改变纬密的键盘输入，防止开车横挡，出现异常情况时自动关车报警等功能。
1 引言
随着纺机装备技术进步，步进与伺服电机运动控制系统的应用越来越广泛，其功能多样性和产品可靠性日臻完善，正在逐步取代原来的普通电机。随着可编程控制器技术的日益成熟，将二者完整地结合起来，完成对各种复杂运动的自动控制，实行机电一体化，正在成为一种趋势。步进电机是一种将脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比,其速度与单位时间内输入的脉冲数(即脉冲频率) 成正比,其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序,便可控制步进电机的输出位移量、速度和方向。步进电机具有较好的控制性能,其启动、停车、反转及其它任何运行方式的改变都可在少数脉冲内完成, 且可获得较高的控制精度,得到了广泛的应用。
2 步进电机脉冲分配器
在可编程控制器plc的应用中，步进电机是常见的被控制对象。步进电机是一种数字控制元件，直接接收脉冲信号，它旋转的角度和转速分别与输入的脉冲数和频率成正比，只要控制输入到其线圈绕组中的脉冲数和脉冲频率就可控制步进电机的转动角度和转速，输入的脉冲还需要经过脉冲分配器分配给步进电机的各个绕组。用plc控制步进电机，脉冲分配器的设计是一个很重要和非常灵活的问题，它可以用硬件组成，也可以用软件组成，本文以松下fp0-c16tplc为例，讨论几种实现步进电机脉冲分配器的方法。
图1 控制原理接线图
用硬件实现步进电机脉冲分配器控制原理接线图如图1所示。由于脉冲分配器是由硬件实现，fp0-c16t只需提供一串脉冲，而fp0系列的plc具有脉冲输出功能和高速计数器(hsc)功能，利用此功能进行控制步进电机非常方便。
图2 控制梯形图
fp0系列各型号的plc的输出端y0或y1都具有脉冲输出功能，其输出脉冲的大频率为10khz。具体输出脉冲频率可以用软件编程，y0或y1输出的脉冲经脉冲分配器把脉冲分配给步进电机的各相绕组，y0或y1接至pulse的输入接点；当达到顶定值时发生中断，使y0或y1的脉冲频率切换至下一参数。y2或y3是方向控制信号。vcc值为5v时，r短路；vcc值为12v时，r＝1kq(≥1/8w)；vcc值为24v时，r=2kq(≥1/8w)。图2是实现这一控制的梯形图。dt100～dt106是存放输出脉冲频率和个数的通用寄存器，梯形图中所给参数是输出脉冲初始频率为500hz，高频率为5000hz，脉冲个数为10000。
3 软件步进电机脉冲分配器设计
3.1 电原理设计
图3 硬件接线图
图3是用软件实现步进电机脉冲分配器plc与步进电机的硬件接线图。步进电机以常见的三相六拍通电方式工作。k0、k1、k2分别是正转、反转及停止控制开关，分别接在plc的输入继电器x0、xl和x2上;plc的输出继电器y0、y1和y2分别接步进电机的三相绕组a、b、c。软件实现脉冲分配的方法很多，这里讨论三种实现方案。
3.2 软件实现方案之一
图4 软件方案1梯形图
梯形图如图4所示。步进电机是以相六拍通电方式工作，即三相绕组的通电顺序是：
正转：a－ab－b－bc－c－ca 反转：a－ac－c－cb－b－ba
该方案中，时钟可以用plc中的定时器设计一个时钟发生器，也可以使用plc中的内部s、0.02s、0.1s、0.2s、1s、2s时钟，它们分别由plc中的特殊内部继电器r9018、r9019、r901a、r901b、r901c、r901d产生，为了方便、在此使用plc中的特殊内部继电器r901a0.1s脉冲继电器作为控制时钟。继电器r0和r1分别在正反转接通；16位移位寄存器(继电器)wr1产生正反转的六个节拍，用移位寄存器的各触点r10～r15与r0、r1进行组合,使输出继电器y0、y1、y2按上述正反转的顺序通电。
3.3 软件实现方案之二
图5 软件方案2梯形图
梯形图如图5所示。该方案中，开关x0、x1作为正反转启动控制，k2作为停止。时钟仍然使用plc中的特殊内部继电器901a0.1s脉冲继电器作为控制时钟。使用一个16位移位寄存器(继电器)wr1，产生正反转所需的六个节拍，用位移位寄存器(继电器)的触点r10-15和正反转控制继电器r0-r1的触点进行组合，并利用plc中的数据传输指令．把所需的控制字(见附表)直接输出到plc的输出端，使输出继电器y0、y1、y2按上述正反转的顺序通电。
3.4 软件实现方之三
图6 软件方案3梯形图
梯形图如图6所示。控制开关的作用和时钟仍然如方案二所述。在该方案中，利用r9013运行初期0n脉冲继电器，开机时把输出控制字送到plc的通用数据寄存器dt0～dt7中,根据正反转控制要求把plc中的检索寄存器ix(置初值(正转置0或反转置5)作为输出控制字的初始指针；利用[f0mv ,ixdt0,wy0]指令，把所需的控制字直接输出到plc的输出端，之后修改ix的值，使输出继电器y0、y1、y2按上述正反转的顺序通电。r900b是比较相等标志。
4 应用案例
图7 国产梳棉机电气系统框图
基于硬件实现方案设计了一套步进电机控制系统，成功用于国产梳棉机的电控系统的改造上。其电控系统原理框图如图7所示。该电气控制系统通过plc控制步进电机解决了国产梳棉机继电器控制系统复杂，可靠性不高，控制精度不够，故障点多，布线繁杂等难点，可以按梳棉机的工艺要求方便地控制梳棉机，还可以根据所纺纤维种类和对产品质量要求确定梳棉机的电气参数，包括锡林和道夫的启动时间以及它们的转速等。该系统具有性能可靠，控制精度高、操作简单、运行平稳、无噪音等优点，提高了梳棉机的机电一体化程度，完全能满足用户的使用要求。
5 结束语
利用可编程控制器可方便地实现对电机的速度和位置进行控制，能够可靠地实现步进电机的操作，完成各种复杂的动作。基于plc控制步进电机的控制系统方案在国产梳理机上的应用，提高了梳棉机的机电一体化水平，更为重要的是为提高棉纺全流程运行的稳定性、可靠性奠定了基础，保证了全流程连续、同步、平稳运行，使输出毛条长片段、起长片段、甚至短片段的均匀度都能稳定在一定范围内，从而保证了成纱质量的稳定性。基于plc控制步进电机的控制系统在国产梳理机上的成功证明，该机所采用的控制系统，完全可以应用于其它国产传统纺织设备的改造当中，对国内纺织厂进行国产设备改造升级具有很好的参考价值