Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt den Entwurf und die Implementierung eines verteilten Steuerungssystems für die Aluminiumelektrolyse auf CAN-Bus-Basis und präsentiert den Hardware-Schnittstellen-Schaltplan des CAN-Busses sowie das Logikschaltbild des Zellencontrollers. Probleme wie die unzureichende Echtzeitfähigkeit erfordern ein verteiltes Steuerungskonzept für Aluminiumelektrolysezellen. Verteilte Steuerungssysteme haben sich in der Aluminiumindustrie zu einem Entwicklungstrend in computergestützten Steuerungssystemen entwickelt. Daher stellt dieser Artikel ein vergleichsweise fortschrittliches verteiltes Steuerungssystem für die Aluminiumelektrolyse auf CAN-Bus-Basis für die Aluminiumindustrie vor. 1. Anforderungen an die Prozesssteuerung der Aluminiumelektrolyse: Die Produktionsanlage für die Aluminiumelektrolyse besteht aus mehreren in Reihe geschalteten Gleichstrom-Elektrolysezellen. Die Datenerfassungssignale des Computers sind die Zellspannung und der Serienstrom jeder Elektrolysezelle. Die Überwachung der Elektrolysezellen konzentriert sich hauptsächlich auf die Zellspannung und die Aluminiumoxidkonzentration. Die Zellspannungsregelung erfolgt mittels eines mathematischen Modells zur Zellwiderstandsregelung mit Stromkompensation, d. h. durch Anpassung der Zellspannung wird hauptsächlich die Energiebilanz innerhalb der Zelle gesteuert. Da die Aluminiumoxidkonzentration nicht direkt messbar ist, kann für die Regelung kein genaues mathematisches Modell erstellt werden. Da jedoch eine gewisse Korrelation mit der Änderung des Zellwiderstands besteht, wird ein Fuzzy-Control-Algorithmus zur Steuerung der Aluminiumoxidkonzentration (d. h. zum Aufbrechen und Zuführen der Schale) eingesetzt, um im Wesentlichen den Materialhaushalt innerhalb der Zelle zu regulieren. 2. CAN-Bus-Übersicht: Der CAN-Bus (Controller Area Network) ist ein busbasiertes serielles Kommunikationsnetzwerk, das von Bosch in Deutschland für Überwachungs- und Steuerungssysteme in der Automobilindustrie entwickelt wurde. Er eignet sich zur Vernetzung von Haupt- und Überwachungsgeräten in der industriellen Prozesssteuerung. CAN kann im Multi-Master-Modus betrieben werden, sodass jeder Knoten im Netzwerk aktiv Informationen an andere Knoten senden kann. Die Netzwerkknoten können entsprechend den Echtzeitanforderungen des Systems in verschiedene Prioritäten eingeteilt werden, wodurch die Busarbitrierungszeit bei Buskonflikten reduziert wird. CAN verwendet eine Kurzrahmenstruktur mit jeweils 8 Byte, was eine extrem niedrige Datenfehlerrate gewährleistet und ihn als einen der vielversprechendsten Feldbusse anerkennt. Als Übertragungsmedium können Twisted-Pair-Kabel, Koaxialkabel oder Glasfasern verwendet werden, mit einer maximalen Kommunikationsrate von 1 Mbit/s und einer Übertragungsdistanz von bis zu 10 km. 3. Systemstruktur Dieses System besteht aus drei Komponenten: einem intelligenten Tankregler, einem Überwachungsrechner und einem CAN-Bus. Der intelligente Tankregler interagiert direkt mit dem Produktionsprozess und dient primär der Erfassung und Steuerung von Felddaten. Der Datenaustausch erfolgt über ein CAN-Bus-Netzwerk an den Überwachungsrechner. Dieser besteht aus einem Industrie-PC, dessen Hauptfunktionen die Parametereinstellung des Feldtankreglers, die Datenerfassung vom Feldtankregler über das Feldbus-Netzwerk, die Überwachung von Systemanomalien und die Berichtserstellung sind. Der CAN-Bus-Teil umfasst im Wesentlichen die intelligente CAN-PC-Bus-Adapterkarte PCCAN, die Kommunikationsmedien und die zugehörige Kommunikationssoftware. Die CAN-Schnittstellenkarte PCCAN ist eine leistungsstarke und kostengünstige intelligente Kommunikationsadapterkarte, die den einfachen Anschluss des Überwachungsrechners an den CAN-Bus ermöglicht. Der leistungsstarke integrierte Mikroprozessor 80C188 (12 MHz) auf der PCCAN entlastet den Host-PC erheblich und ermöglicht die Ausführung komplexer Kommunikationsaufgaben. Die Karte verfügt über 1 KB oder 2 KB schnellen Dual-Port-RAM, der direkt dem Host-Speicherbereich zugeordnet ist und so einen schnellen Datenaustausch zwischen CAN und Host-PC ermöglicht. PCCAN ist optoisoliert, um Schäden durch Masseschleifen zu verhindern und die Systemzuverlässigkeit in rauen Umgebungen zu erhöhen. PCCAN beinhaltet das konfigurierbare Hilon-Protokoll und DOS/Windows-Treiber. Das System verwendet ein verdrilltes Zweidrahtkabel als Übertragungsmedium, wobei die Last zwischen CAN-H und CAN-L angeschlossen ist. Die Abschlussimpedanz sollte der charakteristischen Impedanz der Signalleitung (ca. 120 Ω) entsprechen. Ein abweichender Widerstand kann die effektive Datenübertragung beeinträchtigen. 3.1 Die intelligente Tanksteuerung basiert auf dem Mikrocontroller LG GMS90C32. Dieser Mikrocontroller stammt aus den 1990er-Jahren und ist mit der Intel MCS-51-Serie kompatibel. Jede Tanksteuerung besteht aus zwei Gehäusen: einem Netzteil und einem Logikgehäuse. Das Netzteil enthält hauptsächlich konventionelle Steuerschaltungen und Signalerfassungskarten und dient als Stromversorgung und Ansteuerung der Tanksteuerung. Die Logikbox ist das Herzstück der Tanksteuerung und im Wesentlichen ein komplexer, dedizierter Computer. Sie besteht hauptsächlich aus fünf weitgehend unabhängigen intelligenten Analogmodulen mit jeweils eigener CPU. Diese sind über einen CAN-Bus zu einer fortschrittlichen Multi-CPU-Netzwerkarchitektur verbunden. Der interne und externe Datenaustausch erfolgt über den CAN-Bus. Die Funktionen der einzelnen Module sind wie folgt: Hauptplatine: analysiert die Prozesssteuerung; Abtastmodul: erfasst die Tankspannung und den Serienstrom; Kommunikationsmodul: realisiert den Datenaustausch mit dem Host-Computer; Bedienmodul: führt alle Ein-/Ausgabeoperationen durch; Anzeigemodul: empfängt Eingangssignale von Berührungsschaltern und gibt Betriebsinformationen aus. Es nutzt Software-Simulationen, um die ursprünglich in Hardware implementierten kombinatorischen Logikbeziehungen zu realisieren. Die manuellen Eingangssignale werden über Berührungsschalter ohne mechanische Kontakte oder mechanische Bewegung erfasst. 3.2 Design der Schnittstellenschaltung der intelligenten Module: Die fünf intelligenten Module, mit Ausnahme des Kommunikationsmoduls, das einen zusätzlichen CAN-Transceiver (Modell PCA82C250) benötigt, und anderer Module mit konventioneller Schaltungstechnik, bestehen im Wesentlichen aus fünf Komponenten. Der GMS90C32 ist ein Mikrocontroller mit Busarchitektur, der je nach Anwendungsbedarf um verschiedene Funktionen erweitert werden kann. Der X25045 ist eine Überwachungsschaltung, die ebenfalls anwendungsabhängig um verschiedene Funktionen erweitert werden kann. Die X25045-Überwachungsschaltung vereint drei häufig verwendete Funktionen – Watchdog-Timer, Spannungsüberwachung und EEPROM – in einem einzigen Gehäuse. Diese Kombination reduziert Systemkosten und Platinenfläche. Der Watchdog-Timer schützt den Mikrocontroller. Tritt ein Systemfehler auf, sendet der Watchdog des X25045 nach einer voreingestellten Timeout-Zeit ein RESET-Signal. Die Low-Vcc-Erkennungsschaltung des X25045 schützt das System vor den Auswirkungen von Unterspannung. Das System wird zurückgesetzt, sobald Vcc unter den minimalen Vcc-Übergangspunkt fällt. Der Reset wird fortgesetzt, bis Vcc wieder einen stabilen Wert erreicht. Der Speicher des X25045 ist ein 4-Kbit-CMOS-EEPROM. Der PSD311 ist ein universeller Peripherieschnittstellen-Chip für programmierbare Mikrocontroller. Dieser Chip integriert EPROM, RAM, PAD, Adressspeicher und I/O-Ports auf einem einzigen Chip und ersetzt damit herkömmliche diskrete Bauteile. Dadurch entfällt für Entwickler die Notwendigkeit, die erforderlichen Speicherdecodierungsschaltungen, Ports und Adressspeicher aus diskreten Bauteilen zu realisieren. Der SJA1000 ist ein CAN-Kommunikationscontroller und das Kernstück der CAN-Bus-Schnittstellenschaltung. Er ist primär für die Implementierung des CAN-Kommunikationsprotokolls verantwortlich. Reset (RST) und Interrupt (INT) des SJA1000 werden über die Pins P13 bzw. /INT0 des CMS90C32 gesteuert. Die CAN-Bus-Schnittstelle wird hauptsächlich über die Pins TX0 und RX0 realisiert. Das Chip-Select-Signal (CS) wird über den Port PC0 des PSD311 gesteuert. Der PCA82C250 ist ein CAN-Transceiver, dessen Hauptfunktion die Verbesserung der Schutz- und Ansteuerfunktionen des CAN-Busses ist. Die Pins TXD und RXD dienen dem Senden bzw. Empfangen von Signalen. 3.3 CAN-Kommunikationssoftware-Design Das dreischichtige Strukturmodell des CAN-Designs besteht aus der physikalischen Schicht, der Sicherungsschicht und der Anwendungsschicht. Die Funktionen der physikalischen Schicht und der Sicherungsschicht werden durch das CAN-Schnittstellengerät realisiert, das Hardware-Schaltungen und Kommunikationsprotokolle umfasst. Das CAN-Kommunikationsprotokoll spezifiziert vier verschiedene Arten von Netzwerkkommunikationsrahmen: Datenrahmen, Remote-Rahmen, Fehleranzeigerahmen und Überlastungsrahmen. Die Implementierung des CAN-Kommunikationsprotokolls, einschließlich der Organisation und Übertragung der verschiedenen Kommunikationsrahmen, erfolgt durch die im Kommunikationscontroller SJA1000 integrierten Schaltungen. Daher konzentriert sich die Systementwicklung hauptsächlich auf das Design der Anwendungsschichtsoftware. Der Kern der Anwendungsschichtsoftware… Der CAN-Kommunikationsprozess ist in zwei Teile gegliedert: ein Datenempfangs- und -sendeprogramm zwischen der CPU und dem Kommunikationscontroller SJA1000; die CPU sendet die zu sendenden Daten an den Kommunikationscontroller SJA1000, der sie dann an den Bus weiterleitet; sobald der Kommunikationscontroller SJA1000 die Daten vom Bus empfängt, ruft die CPU die Daten ab. Zunächst müssen zur Initialisierung Steuerwörter in die entsprechenden Steuerregister des SJA1000 geschrieben werden. Anschließend kann die CPU über den Sende-/Empfangspuffer des SJA1000 Daten an den physischen Bus senden und empfangen. Das System nutzt Interrupts zur CAN-Kommunikation. Im Programmdesign sind die beiden Flags DW und XW gesetzt, sodass die CPU den aktuellen Sende- und Empfangsstatus der Datenübertragung direkt über den SJA1000 ermitteln kann. Dies beschleunigt die Programmausführung. Das auf dem CAN-Bus basierende, verteilte Steuerungssystem für die Aluminiumelektrolyse ermöglicht eine effiziente Steuerung der Elektrolysezellenproduktion und gewährleistet einen stabilen Betrieb der Elektrolysezellen unter neuen Prozessbedingungen. Das System zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau, hohe Integration und Intelligenz, hohe Sicherheit und Zuverlässigkeit, gute strukturelle und funktionale Skalierbarkeit sowie einfache Bedienung und Wartung aus. Der CAN-Bus bietet überlegene Leistung und findet breite Anwendung in verteilten Steuerungssystemen.