作工发开和究研的域领制控动自事从要主,士

CAN总线在人造金刚石合成车间中的应用李银河翟守忠何万平（长沙矿山研究院湖南410012）摘要针对目前我国的人造金刚石合成加工的现状,应用CAN总线技术开发了一种新型的人造金刚石压机控制系统。

该系统结合传统人造金刚石加工工艺的特点，充分发挥CAN总线技术的优势，显著提高了人造金刚石合成过程中的温度和压力两个最关键参数的精度,采用特殊的数据处理方法，给加工工艺优化提供了有效的手段。

结果表明,合成过程中加压精度达到0.1Mpa，加热功率控制精度为±0.5%。

关键词：人造金刚石合成控制系统CAN应用中国分类号：TP273TD336文献标识码：AApplication of the CAN Bus on Man­made Diamond Synthetic WorkshopLI Yin­he ZHAI Shou­zhong HE Wan­ping(ChangSha Institute Of Mining Reserch410012)Abstract Aimming at the current situation of our country's man­made diamond machining,a new type control system of man­made diamond press machine is developed,which apply CAN bus technology to.The system combines the characteristic of tranditional man­made diamond machining arts and crafts,gives the full play to the advantages of CAN bus technology,improves the key two parameter's decision of temperatureand pressure greatly,and uses the special data processing method to optimize its machining arts and crafts.The result indicates that the compounded decision of press arrive at0.1Mpa，the manipulative decision of heating power is±0.5%.Keywords:Man­made diamond synthetic electric control system CAN application1引言人造金刚石是在高温高压下生成，近年来随着人造金刚石的市场需求量的急剧增长，客户对人造金刚石的品质要求也越来越高。

我国的人造金刚石合成企业普遍采用六面顶液压机合成人造金刚石，合成工艺的好坏和工艺的执行情况好坏是高品质人造金刚石合成的关键因素。

目前，我国人造金刚石合成企业数百家，合成设备每年新增600余套。

但是，我国的人造金刚石加工设备和工艺尚待改进和进一步完善。

在传统的加工过程中，人造金刚石的合成参数数据主要是依靠人工观察和记录，效率低并且受人为因素影响大。

对现场六面顶液压机的运行参数实施统一的监控、记录和管理，对分析和改进人造金刚石的合成工艺，实现人造金刚石合成车间现代化的控制和管理具有重大的意义。

在实际的人造金刚石合成过程中，现场设备分散，环境恶劣，电磁干扰严重。

采用RS­232或RS­485等通信方式抗干扰能力相对较弱,传输距离也受限制；采用星型拓扑结构网络的安装成本和介质造价都将非常昂贵，难以满足现场需求。

采用现场总线通信技术，其结构简单，抗干能力强，既能在距离和速度方面得到满足,又能大大节约连接导线、维护和安装费用,满足客户的需要。

2所使用的总线简介[1~6]CAN（Controller Area Network）1993年形成了CAN总线国际标准，2003年又进行了修订。

CAN协议有效支持分布式控制及实时控制，采用带优先级的CSMA／CD协议的非破坏性的仲裁方式。

在数据传输校验过程中采用检错能力很强的CRC校验的方式。

同时,CAN总线采用短帧结构,允许多站点同时发送，既能保证信息处理的实时性，又能保证系统数据传输的可靠性。

CAN总线的传输介质可以使用双绞线、同轴电缆或光纤,对传输介质的要求低,经济性强。

3人造金刚石合成车间网络[7]8]______________________国家科技部专项资金项目：国科财字（2000）536号文作者简介：李银河（1977）男，湖南省湘乡市人，工学硕士，主要从事自动控制领域的研究和开发工作人造金刚石的合成原理是石墨片、合金触媒片装在叶腊石腔体内，在高温和高压的环境下石墨会转化为人造金刚石。

压力与温度的控制是整个合成过程的关键，六面顶液压机的控制系统也是紧紧围绕这两个参数进行设计。

该控制系统通过压力传感器将系统压力传送到PLC进行数据计算和处理，控制油泵的供油速度，从而达到控制系统压力的目的；通过加热电流、电压反馈信号，PLC按照工艺的要求进行控制运算，输出控制信号给加热控制单元，通过控制系统的加热功率。

以PLC为核心的HY­4型人造金刚石压机控制系统的原理如图1所示。

压力系统加压分为两个阶段：快速升压阶段和缓慢精确升压阶段。

在快速加压阶段，系统对精度要求低，要求升压速度快，时间短，压力控制单元启动大功率油泵进行快速加压。

为了达到工艺要求的压力精度，系统进入缓慢精确加压阶段时，系统使用小功率油泵变频加压，压力控制单元通过PID 算法控制小功率油泵的频率，控制小功率油泵的供油速度和系统压力。

温度控制的好坏直接影响人造金刚石的合成质量，合成温度越稳定生成的人造金刚石质量越好。

在人造金刚石的合成过程中，合成块受到六个面的高压，因此无法直接测量合成温度。

目前，常用的人造金刚石合成的温度控制方式有三种：控制流过合成块的电流、控制施加于合成块上的电压和控制施加于合成块上的功率三种方式。

前两种控制方式实质是在人造金刚石合成过程中保持合成电流和电压恒定或按照一定规律变化。

由于不同的合成块的电阻值不可能完全一致，加热功率I2R或者U2/R会随合成块的电阻值变化而变化。

这些方法控制温度的重复性不高，生产的人造金刚石质量不稳定。

采用控制功率的方式是在合成块电阻变化时，保持系统的加热功率不变或者控制加热功率按照一定规律变化，通过控制加热系统的发热量，间接控制系统的合成温度。

HY­4型人造金刚石压机采用控制功率的方法控制合成温度。

电流传感器和电压传感器将合成过程中的电流、电压信号传送给PLC和加热控制单元。

按照工艺的要求，PLC控输出控制信号给加热控制单元。

开发的基于CAN总线技术的人造金刚石合成车间网络如图2所示。

网络主要由监控计算机和HY­4型人造金刚石压机控制系统组成。

压机和监控计算机都作为网络中的单个节点，节点之间采用双绞线进行连接。

各个节点之间地位平等，没有主从之分。

当监控计算机或者其它某个节点压机故障时，该设备自动脱离网络，其它节点照样正常通信和工作。

4系统功能及其硬件设计4．1监控计算机的功能监控计算机通过CAN网络和现场的压机控制系统通信，发送控制命令，提供现场压机运行的实时状态、工艺曲线和参数、历史数据和其它统计数据。

历史数据可存储6个月，便于分析和改进整个工艺。

如果现场有压机出现故障报警时，监控计算机及时提醒工作人员并自动记录当前数据。

4．2接口硬件的设计[1~4]人造金刚石的合成车间是24小时连续工作，网络24小时处于运行状态，车间电磁干扰大，粉尘多。

因此，要求网络中各个节点的电路性能稳定，工作可靠，抗干扰能力强。

为此，系统采用单独的总线收发电路和光电隔离措施。

总线收发电路采用差动发送和接收，具有抗瞬时干扰、保护总线和热防护的能力。

通过调整CAN总线上的通信脉冲的斜率可以降低射频干扰。

整个接口硬件的核心是控制器进行通信控制，采用光电隔离措施进一步增强抗干扰能力。

4．2．1PCI卡的组成[1~6]PCI卡实现现场总线与监控计算机之间的通信，板卡的原理结构见图3。

为了提高系统的抗干扰能力，在CAN的数据通道上增加完整的光电隔离电路。

板卡使用PCI 总线接口方式，直接插在主机的PCI插槽内实现主机与CAN网络进行通讯。

5通信软件的设计通信软件分初始化、数据发送、数据接收程序三部分。

5.2.1初始化节点[5~6]CAN协议中标识符和波特率在运行之前必须进行预定义。

根据项目的实际要求，系统要预定义不同的标识符给每个节点，每个标识符对应一台压机或监控计算机。

节点根据实际需要预定义接收码和屏蔽字。

接收码和屏蔽字的作用是对网络上的数据进行滤波，接收有效的报文，提高网络的利用率。

同一网络内进行通讯的节点的波特率必须一致。

5.2.2现场控制系统数据发送程序的设计[6]压机控制系统发送给CAN控制器的数据由四部分组成：开始字节、CAN帧、校验字节和结束标志位。

开始字节用来标记数据传输的开始；CAN帧是符合CAN2.0协议的帧结构，不同节点发送接收的数据包标识符不同，数据场包含电流电压等有实际意义的所有参数；校验字节是对开始字节和CAN帧进行所有字节的异或和，若接收的校验字节和发送的校验字节不一致表明传输出错，该帧数据无效；结束标志位表明该次数据成功传送给CAN控制器。

程序流程如图4所示。

CAN总线中的数值由两种互补逻辑数值“隐性1”和“显性0”构成。

CAN控制器将压机控制系统传送的数据作为数据场，按照CAN总线协议封装数据打包发送。

数据包由帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、ACK场和帧结束场组成。

帧起始由单个显性位构成，总线空闲时允许进行总线发送。

仲裁场由初始化程序中的标识符和RTR 位构成。

控制场包括数据长度码和两个保留位。

ACK 场为两个隐性位构成，在ACK 隙内，接收节点以显性位改写发送节点的隐性位送出一个应答。

帧结束场由7个连续的隐性位构成结束标志。

CRC 场由CRC 校验序列和CRC 界定符构成。

CAN 的CRC 校验序列为：X 15+X 14+X 10+X 8+X 7+X 4+X 3+1。

CRC 校验过程为：将帧起始场至数据场的数据序列当作一个多项式f(x)的系数，发送的时候用模2除法将f(x)乘上214，然后除以CRC 序列，得出的余数即为CRC 场的数值。

CAN 的位流发送采用非归零方法编码，在位总计时间内产生的位电平为常数。