基于CAN總線的交流接觸器狀態在線監測系統設計

李小斌，婁建軍

（1．寶雞文理學院電子電氣工程學院，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在線監測系統設計

李小斌1，婁建軍2

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

針對傳統交流接觸器只能實現定期檢修和事故檢修的問題，設計了一種基于CAN總線的交流接觸器運行狀態在線監測系統，并給出了CAN通信系統的詳細設計。該系統以C8051F040型單片機為現場控制核心，實現交流接觸器運行狀態關鍵參數的采集和傳送，從而實現了交流接觸器的遠程監控及狀態檢修。該系統設計方案稍加改動即可適用于所有設備的遠程在線監控和故障診斷，有利于設備故障的早期發現以及實現遠程技術協作、資源共享。該方案具有一定的生產實際意義和推廣前景。

交流接觸器；狀態檢修；在線監測；CAN總線

交流接觸器是一種應用面極廣的低壓控制電器，可用來遠距離頻繁地接通和分斷交流主回路和大容量控制電路［1］。其工作狀況對于完成生產任務至關重要，出現故障時如不能及時發現，可能會造成產品報廢，帶來巨大的經濟損失。傳統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代測控技術和計算機技術的發展為交流接觸器在線監測與故障診斷提供了新的發展機遇。這里給出一種基于CAN總線的交流接觸器運行狀態在線監測系統，可實現關鍵參數的在線監測，從而實現狀態檢修［2］。

1　交流接觸器常見故障及故障診斷技術

交流接觸器由于其機械結構特點和特殊的工作環境，難免會發生各種故障，如果不能及時有效地發現故障并排出之，必然會影響電氣設備的正常運行，甚至造成電氣設備燒毀的嚴重的后果。

1.1交流接觸器常見故障

交流接觸器常見故障主要有機械和電氣兩類。機械故障主要有機械卡死、反力彈簧損壞、短路環故障、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、觸點接觸不良、觸點熔焊等。

1.2故障分析及診斷方法

交流接觸器出現機械卡死時有兩種情況：一種是不能吸合，另一種是不能釋放。不能吸合時表現為線圈有電壓而主觸點不能吸合。不能釋放時表現為線圈無電壓而主觸點不能分斷。反力彈簧損壞與鐵芯端面污染時故障現象也表現為線圈無電壓而主觸點不能分斷。主觸點可靠吸合時，負載側各相電壓與電源端相同，主觸點可靠分斷時，電源側有電壓而負載側各相均無電壓。短路環的作用是產生磁通分相，以保證當交變電流作用時，電磁吸力始終大于彈簧反力而使電磁機構穩定吸合以消除振動噪音。當線圈開路或燒毀時，線圈有電壓而線圈回路無電流，電磁機構不能動作，主觸點不能吸合。主觸點熔焊與剩磁過大時都會造成主觸點不能釋放。觸點接觸不良時其溫度會大大升高。

1.3故障診斷的主要參數

通過以上分析，可以知道交流接觸器故障所涉及到的參數有觸頭溫度，操作頻率，負載各相電壓、電流，線圈電壓、電流等［3］。只要把這些參數采集下來，傳送給上位計算機，上位計算機依據這些參數可做出交流接觸器狀態判斷，從而給出檢修或維護任務。設備管理部門的技術人員也可以依據計算機中的顯示數據協助基層單位進行故障診斷，下達檢修任務和維護任務。

2　系統總體設計

這里數據傳輸至少應該是車間級的，因此選擇CAN總線系統來完成這一任務。CAN總線通信速率最高1 Mb/s（40 m），直接傳輸距離最遠10 km（5 kb/s），每條總線可掛接設備多達110個，特別適用于實時性要求很高的網絡，目前已被廣泛應用于工業控制領域。

基于CAN總線的交流接觸器運行狀態在線監測系統如圖1所示?，F場控制核心采用C8051F040型單片機，完成現場數據采集、顯示、控制以及通信任務［3］。C8051F040型單片機片內資源豐富，外圍電路簡單，價格低廉，編程簡單，調試方便，特別適合于工業現場。C8051F040內集成了完全支持CAN2.0A和CAN2.0B的CAN控制器，獨立的消息RAM可以處理32條消息對象，每個消息對象都可以進行發送和接收過濾，最高工作速率達到1 Mb/s，能夠完成CAN總線協議數據鏈路層和應用層的所有功能［4］。

圖1　系統構成原理框圖

3　CAN通信系統硬件設計

Silicon Labs CAN是一個協議控制器，不提供物理層驅動器（即收發器），因此要外擴收發器，由于應用于工業現場，電磁環境非常復雜，采用數字隔離器ADUM1201以及雙絞線傳輸信號以抑制電磁兼干擾、提高系統可靠性。

3.1通信系統總體設計

系統由一個主控機和若干個CAN通信節點組成，它們都接在雙絞線上，組成一個CAN總線通信局域網絡，其總體結構框圖如圖2所示?？紤]到USB總線速度快、連線簡單、應用普遍、即插即用、且便于筆記本電腦的使用，主機通信節點設計為基于USB總線實現PC機和CAN總線通信。

圖2　CAN通信系統總體框圖

3.2CAN通信節點設計

CAN通信節點負責現場控制器和主控機之間的數據通信，將現場控制器采集到的各個參數傳送給遠方主機［3］。單個CAN通信節點由C8051F040型單片機、數字隔離器、CAN總線收發器組成，如圖3（a）所示［5］。ADUM1201是ADI公司生產的隔離器，采用平面磁場專利隔離技術，取消了傳統光電隔離器器中的光電轉換過程，性能更優、速度更高（最高速率達到25 Mbps）、功耗更低（最小工作電流為0.8 mA）、體積更小、價格更便宜、應用更靈活（多通道數字隔離器能在同一芯片內提供發送和接收通道）。采用TI公司生產的3.3 V芯片SN65HVD230作為CAN總線收發器，它具有差分收發、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。當本節點作為CAN總線終端節點時，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主機通信節點設計

主機CAN節點實現CAN總線與上位PC機的通信，需要傳送大量的數據，要求有緩存且能高速通信。選擇C8051F040收發CAN總線數據，然后經UART口與CP2101交換，CP2101再通過USB接口與PC機進行數據交換。

CP2101是Silicon Laboratories公司的USB轉UART橋接芯片，片內包含一個USB2.0全速功能控制器、USB收發器、晶體振蕩器、EEPROM、UART總線、支持調制解調器全功能信號，無需任何外部的器件，全免費的驅動程序。此外，CP2101具有USB掛起和恢復信號支持功能，將它的SUSPEND與/SUSPEND引腳連接到F040的P1.1、P0.6，并在交叉開關里將后者設為外部中斷/INT0。這樣，當在總線上檢測到掛起信號時，CP2101將進入掛起模式，發出SUSPEND與/SUSPEND信號，外部中斷0觸發F040里的中斷處理程序，告知F040停止向上位機轉發數據，并做出緩存數據以及其他一系列響應動作。/SUSPEND在CP2101復位期間會暫時處于高電平，為確保/INT0的狀態，特在/SUSPEND引腳加上一個10K的下拉電阻，以避免這種情況［5］。主機通信節點電路如圖3（b）所示。

圖3　CAN通信電路設計

4　CAN通信系統軟件設計

CAN通信系統軟件包括F040單片機CAN通信程序、CAN中斷服務程序、F040單片機CAN-UART轉換程序和主機監控軟件［6-8］。F040單片機CAN通信程序主要完成交流接觸器參數的傳送以及接收上位機控制指令。主機通信節點需要由F040將來自CAN總線上的數據轉成UART數據與CP2101進行交換。CP2101可以管理USB和UART之間所有數據傳輸，主要實現數據中轉，既能接收上位機發來的數據并打包成CAN協議相應的數據，又能將CAN總線數據發到上位機。使用CYGNAL免費提供的器件驅動程序，CP2101可以很容易地將PC的USB口虛擬成COM口。COM口使用運行在PC上的應用軟件，以訪問一個標準硬件COM口的方式訪問基于CP2101的器件。因此，無需修改現有的軟件和硬件就可以通過USB向基于CP2101的器件傳輸數據，省去了大量二次開發的投入。上位機監控程序實現人機交互，交流接觸器數據分析處理，故障診斷、決策判斷和下達控制指令。

4.1單片機CAN通信程序設計

單片機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、發送接收函數初始化和CAN初始化。數據發送采用定時發送，每2 ms向上位機發送一次數據。數據接收采用中斷方式，當主機向單片機發送數據時，CAN模塊產生中斷，在CAN中斷中完成數據接收。中斷服務程序流程如圖4（b）所示。

圖4　C8051F040型單片機通信程序流程圖

4.2CAN-UART轉換程序設計

上位機通信節點的F040單片機負責把CAN總線上的數據通過UART接口和CP2101進行交換。這里CAN接收采用中斷方式，接收完成立即轉發。UART接收CP2101傳送來的數據時采用中斷方式［7］。

4.3上位機軟件設計

上位機軟件設計采用圖形化編程語言LabVIEW，它提供了實現儀器編程和數據采集系統的便捷途徑［9］。使用它進行原理研究、設計、測試并實現儀器系統時，可以大大提高工作效率［10］。這里首先要安裝用于LabVIEW驅動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軟件的設備和接口中看到CP2101驅動系統所創建的虛擬串口號，這里是COM4（每臺機子的編號可能不同）。根據虛擬串口號，LabVIEW可以進行串口各參數配置，并按照普通串口的通信方法實現與CP2101通過USB總線的數據交換。程序運行結果如圖5所示。

圖5　系統運行時的前面板圖

5　結束語

以C8051F040為現場控制核心構成了CAN總線局域網，實現了企業級的交流接觸器狀態遠程在線監控，系統具有良好的實時性和穩定性，結構簡單，集成度高，易擴展，易操作，成本低廉。如采用CAN中繼器或者互聯網，可以實現更大范圍的交流接觸器狀態遠程在線監控。該方案具有一定的通用性，可推廣應用到其它設備，實現設備故障遠程會診。

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

［2］胡漢梅，鄭紅.基于智能電網的設備在線監測與故障診斷［J］.低壓電器，2010（17）:28-31.

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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：201507025

寶雞文理學院重點學科項目（ZK14014）

李小斌（1972—），男，陜西鳳翔人，碩士，副教授。研究方向：現代檢測技術及故障診斷。