CAN總線在數控機床聯網控制中的研究

亓學蕓

摘 要：本文在介紹CAN總線技術的基礎上，利用CAN總線技術的優點，設計出了數控機床聯網通信方案，提高了傳統數控機床的數字化水平。

關鍵詞：數控機床；CAN總線；聯網

中圖分類號：TG596

1 CAN總線技術的簡介

CAN（Controller Area Network），稱為控制器局域網。由于CAN總線的高性能和高可靠性，人們越來越重視，CAN總線已經廣泛應用在各種現場設備的控制網絡。CAN總線剛開始主要應用在汽車工業上，作為汽車控制系統與各個執行機構間通信使用?，F在CAN總線不局限在汽車工業，應用領域已經發展到制造業、自動控制和醫療器械等?，F在CAN總線的規范發展到CAN2.0。

綜合以上介紹的現場總線的綜合性能，CAN總線的波特率能夠達到1Mb/s，傳輸距離長達10Km。數據線采用雙絞線，能夠防止干擾信號。一般制造企業車間生產設備與控制室之間的間距在2Km，選擇CAN總線具有其他總線所無法達到的優勢。所以本課題采用CAN總線進行通信傳輸。

2 CAN總線技術的特點

（1）CAN的工作方式為多主方式，廢除了傳統的站地址編碼，采用對數據塊編碼的方式，對節點的控制非常靈活，增減節點時不需重新修改程序。同時每個節點都可以在任意時刻通過總線發送信息。

（2）CAN總線上的節點信息被劃分成不同的優先級，當總線上有多個節點同時發送數據時，首先這些信息根據優先級來確定發送信息的順序，優先級高的先發送直至發送完成，優先級低的發送權取消，等總線空閑時再發送信息。

（3）CAN采用差分信號傳輸技術。通信節點通過CANH和CANL兩條雙絞線信號線連接到總線上，依靠兩條信號線的電位差變化來傳輸信息，任何一條數據線遭受到破壞時CAN總線系統仍然能傳輸信息，因此這種總線適合比較惡劣的工作環境。

（4）CAN總線提前設置好報文濾波，所以總線上的節點在接受和發送數據時，無需專門的調度便可以進行數據傳輸。

（5）通信距離比較長。當通信速率在5kbps時通信距離最遠可達10km。

（6）總線驅動電路決定了CAN總線上的節點數，總線上最多可連接128個節點；CAN2.0A規范的報文標識符有2032種，而CAN2.0B規范的報文標識符數量不受限制。

（7）CAN總線采用短幀結構。每幀共有8個字節，數據的傳輸時間較短，并且數據傳輸時幾乎不受干擾，檢錯效果好。

（8）由于使用CRC校驗，數據出錯率極低，適合在干擾較高的環境中工作。

（9）CAN總線有自動關閉功能，當節點發送信息出現發生重大錯誤時能夠自動關閉總線，避免影響其他節點，其他節點仍可以正常進行操作。

從上述特點可以看出，CAN總線在現場設備控制局域網中的優勢非常明顯，檢錯和抗干擾能力很強，十分適合工業自動化的現場控制網絡。

3 CAN總線的工作原理

CAN采用總線型拓撲結構，結構如圖1所示。

CAN總線網絡采用雙絞線：CAN-L和CAN-H。所有節點通過CAN-L和CAN-H連到總線上，兩條線路的信號傳輸方向相反能夠抑制外部的信號干擾。在總線的兩端接電阻，防止信號傳輸到終點時返回以致產生信號疊加，出現嚴重故障。在傳輸網絡上每個節點都可以發送信號，不分主次，所以成為多主方式。CAN總線通訊基于報文傳輸，而非基于站點，所以網絡上可以很方便的增加節點，不用重新編寫程序。

CAN總線用顯性和隱性表示“0”和“1”。當兩條信號線的差分電壓相近，都在2.5V左右時，總線的邏輯狀態為邏輯值“1”，表示為隱性。如果信號線CANH比CANL高時，總線的邏輯狀態為邏輯值“0”，表示為顯性，如圖2所示。當通信過程中同時出現顯性位和隱性位時，隱性位將被顯性位覆蓋，總線顯示為顯性，CAN總線便是利用這種特性檢測通訊過程中的信號沖突。

我國目前機械制造業的現狀是有相當多的車間數控機床與普通機床共存。但是這些數控機床大多數都處于單機運行狀態。在計算機網絡和通訊技術的大發展的前提下，機械制造業由傳統的生產方式向自動化生產發展，這就需要對數控設備進行聯網運行。但是柔性制造系統過于依靠物流自動化，推廣難度很大。如果對數控設備進行集成聯網，既提高了數控設備的利用率，也可以極大提高了先進的生產管理制造模式在我國當前制造業中的推廣，對我國當前的制造業具有非常重要的意義。

4 數控機床連網通訊方案設計

連網方案設計如圖3所示，控制計算機作為中央控制器，負責加工零件程序的保存、傳輸，負責數控機床的管理和控制。零件的加工程序存儲到控制計算機上，然后由控制計算機將加工程序通過CAN總線傳到相應的控制機床上，進行零件加工。各數控機床也可以將存儲的NC程序和零件加工的相關信息通過總線傳輸到控制計算機上。圖3為簡化設計系統結構圖。

5 設計方案驗證

使用9個通信節點，其中8個通信節點通過RS232串口連接數控機床。另外1個通信節點通過CAN總線與其他8個通信節點連接，并通過RS232串口連接控制計算機。經驗證，各節點間通信正常，節點與數控機床以及控制計算機通信正常。實驗證明該方案完全可行。

6 結束語

經過實際測試，該系統可以完成將數控機床產生的數據上傳到計算機的工作，各節點間通信正常，1臺主控計算機可以控制8臺數控機床，受限于測試條件，沒有進行連接更多機床的進一步測試。該系統理論上最多可以控制256臺數控機床。

參考文獻：

[1]張宏兵.數字化制造車間集成管理系統研究與設計[D].南京理工大學，2010.

作者單位：山東理工職業學院，山東濟寧 272000