李小斌，婁建軍

（1．寶雞文理學(xué)院電子電氣工程學(xué)院，陜西寶雞721016；2．寶雞卷煙廠，陜西寶雞721000）

基于CAN總線的交流接觸器狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李小斌1，婁建軍2

（1．寶雞文理學(xué)院電子電氣工程學(xué)院，陜西寶雞721016；2．寶雞卷煙廠，陜西寶雞721000）

針對(duì)傳統(tǒng)交流接觸器只能實(shí)現(xiàn)定期檢修和事故檢修的問題，設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線的交流接觸器運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并給出了CAN通信系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)以C8051F040型單片機(jī)為現(xiàn)場(chǎng)控制核心，實(shí)現(xiàn)交流接觸器運(yùn)行狀態(tài)關(guān)鍵參數(shù)的采集和傳送，從而實(shí)現(xiàn)了交流接觸器的遠(yuǎn)程監(jiān)控及狀態(tài)檢修。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案稍加改動(dòng)即可適用于所有設(shè)備的遠(yuǎn)程在線監(jiān)控和故障診斷，有利于設(shè)備故障的早期發(fā)現(xiàn)以及實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程技術(shù)協(xié)作、資源共享。該方案具有一定的生產(chǎn)實(shí)際意義和推廣前景。

交流接觸器；狀態(tài)檢修；在線監(jiān)測(cè)；CAN總線

交流接觸器是一種應(yīng)用面極廣的低壓控制電器，可用來遠(yuǎn)距離頻繁地接通和分?jǐn)嘟涣髦骰芈泛痛笕萘靠刂齐娐罚?］。其工作狀況對(duì)于完成生產(chǎn)任務(wù)至關(guān)重要，出現(xiàn)故障時(shí)如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，可能會(huì)造成產(chǎn)品報(bào)廢，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)的處理方法是采用定期檢修和事故檢修，往往存在一定的盲目性和滯后性?，F(xiàn)代測(cè)控技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為交流接觸器在線監(jiān)測(cè)與故障診斷提供了新的發(fā)展機(jī)遇。這里給出一種基于CAN總線的交流接觸器運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修［2］。

1　交流接觸器常見故障及故障診斷技術(shù)

交流接觸器由于其機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和特殊的工作環(huán)境，難免會(huì)發(fā)生各種故障，如果不能及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)故障并排出之，必然會(huì)影響電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至造成電氣設(shè)備燒毀的嚴(yán)重的后果。

1.1交流接觸器常見故障

交流接觸器常見故障主要有機(jī)械和電氣兩類。機(jī)械故障主要有機(jī)械卡死、反力彈簧損壞、短路環(huán)故障、鐵芯端面污染粘連等；電氣故障主要有線圈開路、匝間短路、線圈燒毀、剩磁過大、觸點(diǎn)接觸不良、觸點(diǎn)熔焊等。

1.2故障分析及診斷方法

交流接觸器出現(xiàn)機(jī)械卡死時(shí)有兩種情況：一種是不能吸合，另一種是不能釋放。不能吸合時(shí)表現(xiàn)為線圈有電壓而主觸點(diǎn)不能吸合。不能釋放時(shí)表現(xiàn)為線圈無電壓而主觸點(diǎn)不能分?jǐn)?。反力彈簧損壞與鐵芯端面污染時(shí)故障現(xiàn)象也表現(xiàn)為線圈無電壓而主觸點(diǎn)不能分?jǐn)?。主觸點(diǎn)可靠吸合時(shí)，負(fù)載側(cè)各相電壓與電源端相同，主觸點(diǎn)可靠分?jǐn)鄷r(shí)，電源側(cè)有電壓而負(fù)載側(cè)各相均無電壓。短路環(huán)的作用是產(chǎn)生磁通分相，以保證當(dāng)交變電流作用時(shí)，電磁吸力始終大于彈簧反力而使電磁機(jī)構(gòu)穩(wěn)定吸合以消除振動(dòng)噪音。當(dāng)線圈開路或燒毀時(shí)，線圈有電壓而線圈回路無電流，電磁機(jī)構(gòu)不能動(dòng)作，主觸點(diǎn)不能吸合。主觸點(diǎn)熔焊與剩磁過大時(shí)都會(huì)造成主觸點(diǎn)不能釋放。觸點(diǎn)接觸不良時(shí)其溫度會(huì)大大升高。

1.3故障診斷的主要參數(shù)

通過以上分析，可以知道交流接觸器故障所涉及到的參數(shù)有觸頭溫度，操作頻率，負(fù)載各相電壓、電流，線圈電壓、電流等［3］。只要把這些參數(shù)采集下來，傳送給上位計(jì)算機(jī)，上位計(jì)算機(jī)依據(jù)這些參數(shù)可做出交流接觸器狀態(tài)判斷，從而給出檢修或維護(hù)任務(wù)。設(shè)備管理部門的技術(shù)人員也可以依據(jù)計(jì)算機(jī)中的顯示數(shù)據(jù)協(xié)助基層單位進(jìn)行故障診斷，下達(dá)檢修任務(wù)和維護(hù)任務(wù)。

2　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

這里數(shù)據(jù)傳輸至少應(yīng)該是車間級(jí)的，因此選擇CAN總線系統(tǒng)來完成這一任務(wù)。CAN總線通信速率最高1 Mb/s（40 m），直接傳輸距離最遠(yuǎn)10 km（5 kb/s），每條總線可掛接設(shè)備多達(dá)110個(gè)，特別適用于實(shí)時(shí)性要求很高的網(wǎng)絡(luò)，目前已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

基于CAN總線的交流接觸器運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示?，F(xiàn)場(chǎng)控制核心采用C8051F040型單片機(jī)，完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、顯示、控制以及通信任務(wù)［3］。C8051F040型單片機(jī)片內(nèi)資源豐富，外圍電路簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，編程簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，特別適合于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。C8051F040內(nèi)集成了完全支持CAN2.0A和CAN2.0B的CAN控制器，獨(dú)立的消息RAM可以處理32條消息對(duì)象，每個(gè)消息對(duì)象都可以進(jìn)行發(fā)送和接收過濾，最高工作速率達(dá)到1 Mb/s，能夠完成CAN總線協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的所有功能［4］。

圖1　系統(tǒng)構(gòu)成原理框圖

3　CAN通信系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

Silicon Labs CAN是一個(gè)協(xié)議控制器，不提供物理層驅(qū)動(dòng)器（即收發(fā)器），因此要外擴(kuò)收發(fā)器，由于應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，電磁環(huán)境非常復(fù)雜，采用數(shù)字隔離器ADUM1201以及雙絞線傳輸信號(hào)以抑制電磁兼干擾、提高系統(tǒng)可靠性。

3.1通信系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由一個(gè)主控機(jī)和若干個(gè)CAN通信節(jié)點(diǎn)組成，它們都接在雙絞線上，組成一個(gè)CAN總線通信局域網(wǎng)絡(luò)，其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示?？紤]到USB總線速度快、連線簡(jiǎn)單、應(yīng)用普遍、即插即用、且便于筆記本電腦的使用，主機(jī)通信節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為基于USB總線實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和CAN總線通信。

圖2　CAN通信系統(tǒng)總體框圖

3.2CAN通信節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

CAN通信節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)控制器和主控機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，將現(xiàn)場(chǎng)控制器采集到的各個(gè)參數(shù)傳送給遠(yuǎn)方主機(jī)［3］。單個(gè)CAN通信節(jié)點(diǎn)由C8051F040型單片機(jī)、數(shù)字隔離器、CAN總線收發(fā)器組成，如圖3（a）所示［5］。ADUM1201是ADI公司生產(chǎn)的隔離器，采用平面磁場(chǎng)專利隔離技術(shù)，取消了傳統(tǒng)光電隔離器器中的光電轉(zhuǎn)換過程，性能更優(yōu)、速度更高（最高速率達(dá)到25 Mbps）、功耗更低（最小工作電流為0.8 mA）、體積更小、價(jià)格更便宜、應(yīng)用更靈活（多通道數(shù)字隔離器能在同一芯片內(nèi)提供發(fā)送和接收通道）。采用TI公司生產(chǎn)的3.3 V芯片SN65HVD230作為CAN總線收發(fā)器，它具有差分收發(fā)、高速率傳輸（1 MB/S）、高抗電磁干擾、超小封裝、低功耗性能，并有3種不同工作模式可供選用，與F040MCU配合使用，外圍電路異常簡(jiǎn)單。電阻R4作為CAN總線的終接電阻，電阻值取傳輸電纜的特性阻抗120 Ω。當(dāng)本節(jié)點(diǎn)作為CAN總線終端節(jié)點(diǎn)時(shí)，閉合跳線片JP1，始終接電阻工作。R1用于斜率電阻輸入，可以改變收發(fā)器工作方式。R2、R3用于限流，上拉電阻R4、R5可有效抑制反射波干擾、減少誤碼率。D1、D2用于吸收總線上的浪涌電壓，可防雷電。

3.3主機(jī)通信節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

主機(jī)CAN節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)CAN總線與上位PC機(jī)的通信，需要傳送大量的數(shù)據(jù)，要求有緩存且能高速通信。選擇C8051F040收發(fā)CAN總線數(shù)據(jù)，然后經(jīng)UART口與CP2101交換，CP2101再通過USB接口與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

CP2101是Silicon Laboratories公司的USB轉(zhuǎn)UART橋接芯片，片內(nèi)包含一個(gè)USB2.0全速功能控制器、USB收發(fā)器、晶體振蕩器、EEPROM、UART總線、支持調(diào)制解調(diào)器全功能信號(hào)，無需任何外部的器件，全免費(fèi)的驅(qū)動(dòng)程序。此外，CP2101具有USB掛起和恢復(fù)信號(hào)支持功能，將它的SUSPEND與/SUSPEND引腳連接到F040的P1.1、P0.6，并在交叉開關(guān)里將后者設(shè)為外部中斷/INT0。這樣，當(dāng)在總線上檢測(cè)到掛起信號(hào)時(shí)，CP2101將進(jìn)入掛起模式，發(fā)出SUSPEND與/SUSPEND信號(hào)，外部中斷0觸發(fā)F040里的中斷處理程序，告知F040停止向上位機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并做出緩存數(shù)據(jù)以及其他一系列響應(yīng)動(dòng)作。/SUSPEND在CP2101復(fù)位期間會(huì)暫時(shí)處于高電平，為確保/INT0的狀態(tài)，特在/SUSPEND引腳加上一個(gè)10K的下拉電阻，以避免這種情況［5］。主機(jī)通信節(jié)點(diǎn)電路如圖3（b）所示。

圖3　CAN通信電路設(shè)計(jì)

4　CAN通信系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

CAN通信系統(tǒng)軟件包括F040單片機(jī)CAN通信程序、CAN中斷服務(wù)程序、F040單片機(jī)CAN-UART轉(zhuǎn)換程序和主機(jī)監(jiān)控軟件［6-8］。F040單片機(jī)CAN通信程序主要完成交流接觸器參數(shù)的傳送以及接收上位機(jī)控制指令。主機(jī)通信節(jié)點(diǎn)需要由F040將來自CAN總線上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成UART數(shù)據(jù)與CP2101進(jìn)行交換。CP2101可以管理USB和UART之間所有數(shù)據(jù)傳輸，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，既能接收上位機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)并打包成CAN協(xié)議相應(yīng)的數(shù)據(jù)，又能將CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)到上位機(jī)。使用CYGNAL免費(fèi)提供的器件驅(qū)動(dòng)程序，CP2101可以很容易地將PC的USB口虛擬成COM口。COM口使用運(yùn)行在PC上的應(yīng)用軟件，以訪問一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)硬件COM口的方式訪問基于CP2101的器件。因此，無需修改現(xiàn)有的軟件和硬件就可以通過USB向基于CP2101的器件傳輸數(shù)據(jù)，省去了大量二次開發(fā)的投入。上位機(jī)監(jiān)控程序?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互，交流接觸器數(shù)據(jù)分析處理，故障診斷、決策判斷和下達(dá)控制指令。

4.1單片機(jī)CAN通信程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)CAN通信程序流程如圖4（a）所示，主要包括I/O配置、晶振初始化、清除消息RAM、發(fā)送接收函數(shù)初始化和CAN初始化。數(shù)據(jù)發(fā)送采用定時(shí)發(fā)送，每2 ms向上位機(jī)發(fā)送一次數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收采用中斷方式，當(dāng)主機(jī)向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，CAN模塊產(chǎn)生中斷，在CAN中斷中完成數(shù)據(jù)接收。中斷服務(wù)程序流程如圖4（b）所示。

圖4　C8051F040型單片機(jī)通信程序流程圖

4.2CAN-UART轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)通信節(jié)點(diǎn)的F040單片機(jī)負(fù)責(zé)把CAN總線上的數(shù)據(jù)通過UART接口和CP2101進(jìn)行交換。這里CAN接收采用中斷方式，接收完成立即轉(zhuǎn)發(fā)。UART接收CP2101傳送來的數(shù)據(jù)時(shí)采用中斷方式［7］。

4.3上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW，它提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑［9］。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率［10］。這里首先要安裝用于LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序間相互通信的底層功能模塊VISA。安裝好以后，可以在NI MAX軟件的設(shè)備和接口中看到CP2101驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所創(chuàng)建的虛擬串口號(hào)，這里是COM4（每臺(tái)機(jī)子的編號(hào)可能不同）。根據(jù)虛擬串口號(hào)，LabVIEW可以進(jìn)行串口各參數(shù)配置，并按照普通串口的通信方法實(shí)現(xiàn)與CP2101通過USB總線的數(shù)據(jù)交換。程序運(yùn)行結(jié)果如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的前面板圖

5　結(jié)束語(yǔ)

以C8051F040為現(xiàn)場(chǎng)控制核心構(gòu)成了CAN總線局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)級(jí)的交流接觸器狀態(tài)遠(yuǎn)程在線監(jiān)控，系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集成度高，易擴(kuò)展，易操作，成本低廉。如采用CAN中繼器或者互聯(lián)網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)更大范圍的交流接觸器狀態(tài)遠(yuǎn)程在線監(jiān)控。該方案具有一定的通用性，可推廣應(yīng)用到其它設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障遠(yuǎn)程會(huì)診。

［1］張鳳珊，祖龍起.電氣控制及可編程序控制器［M］.2版.北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2009.

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Design of on-line status monitoring system for AC contactor based on CAN Bus

LI Xiao-bin1，LOU Jian-jun2
（1.School of Electronics and Electric Engineering，Baoji University of Arts and Sciences，Baoji 721016，China；2.Baoji Cigarette Factory，Baoji 721000，China）

The traditional ac contactor can only implement preventive maintenance and accident maintenance.In view of these problems，the on-line monitoring system based on CAN bus for running status of ac contactor is designed.The communication system based on can bus is also given in detail.The system takes the microcontroller C8051F040 as the control core in the field.The key parameters of running status can be acquired and transmitted.So monitoring remotely and condition-based maintenance can be realized for ac contactor.Making some modification，the system design scheme can be applicable to all remote monitoring and fault diagnosis of the equipment.It is conducive to the early detection of equipment failure and realize remote technical collaboration and resource sharing.The project has a certain production practical significance and promotion prospects.

ac contactor；condition-based maintenance；on-line monitoring；CAN bus

TN91

A

1674－6236（2016）12-0086-04

2015-07-02稿件編號(hào)：201507025

寶雞文理學(xué)院重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目（ZK14014）

李小斌（1972—），男，陜西鳳翔人，碩士，副教授。研究方向：現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)及故障診斷。