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The General Design of Asphalt Mixing Plant Control System
(南京理工大学)赖长缨石秀东江剑钱林方
LAI Chang-ying SHI Xiu-dong JIANG Jian QIAN Lin-fang
摘要：构建了以工业以太网为骨架，以双冗余控制器为核心，以32位高带宽嵌入式系统为节点的大型沥青混合料搅拌设备控制系统，实现了多态软件、硬件系统的设计，使系统具有热料控制、冷料控制等多种功能，提高了沥青混合料搅拌设备的配料精度。采用ARM7体系的32位嵌入式CPU并与100Mbps网络控制器共同组成网络系统节点。双冗余控制器采用双向拉模式，其发送的心跳包中带有本地主机的基本
信息，并采用IP网络中的包过滤网关实现快速故障切换。所有节点和传感器采用符合IEEE802.3af以太网供电(POE)方式以简化系统布线开销。
关键词：工业以太网；嵌入式网络节点；冗余控制器；筑路机械控制系统；沥青混合料搅拌设备
中图分类号:TP271+.4文献标识码:B
Abstract:The large asphalt mixing plant with multi-module control system backbone based on industry Ethernet bus and32bit broad band embedded node is constructed with dual controller and the software and hardware design is applied.The system has multi func-tions such as hot raw material and cold raw material flow control to rise the accuracy of raw asphalt mixing material.The32bits em-bedded CPU with ARM7architecture and100Mbps Ethernet controller are both applied to construct the industry Ethernet bus nodes. The bi-direction push mode is used between dual-redundant main controllers which heart beat packages carries the basic information of the local host and the package filter gateway is also applied to implement the seamless handoff.All the nodes and sensors are adopted with IEEE802.3af,Power over Ethernet standard,to reduce the complex and cost of wiring.
Key words:industry Ethernet bus;embedded network node;redundancy controller;road construction c
ontrol system;asphalt mixing plant
文章编号:1008-0570(2009)11-1-0075-03
引言
近年来，我国的高速公路建设，特别是高等级公路建设正处
于迅猛发展时期，对筑路机械需求旺盛。同时，国际筑路机械也
迅速发展，对沥青混合料搅拌设备，特别是大型沥青混合料搅拌
设备需求迫切。相比中小型沥青混合料搅拌设备，大型沥青混合
料搅拌设备具有产量大、效益高、性能稳定、能耗低等特点，代表
了筑路机械的发展方向。但是，现有大型沥青混合料搅拌设备控
制系统技术落后，采用单机、单屏、单控，工作性能不稳定，主机、
线路等关键设备可靠性低，操控过程的信息记录不完善，对诊断
故障、保养、大修等难以提供可靠的参考数据，由此经常产生误
工、返工、返修等，影响了设备生产质量的稳定性。针对当前混合
料搅拌设备多态控制系统的缺陷，研制了新型沥青混合料搅拌
设备多态控制系统，使其具有双机全过程冗余备份、双冗余工业
以太网总线、下位机采用廉价可靠的高速32位ARM体系结构
的具有100Mbps以太网接口的嵌入式系统，并可进行运行数据
记录。
1大型沥青混合料搅拌设备多态控
制系统设计
沥青混合料搅拌设备主要需要根据一些模拟量传感器和
数字量传感器返回的数据来进行精确控制，其采集的内容包括
6级石料输送量、6级石料的称重重量、烘干筒温度、沥青量和
沥青温度等20个模拟量。给、卸骨料门联锁、粉料门联锁，斗门
洗洁精技术开关位、搅拌机、斜皮带、平皮带运行、系统允许称量、卸料等开
关量输入。开关量输出有各骨料门给料电机继电器、各螺旋机
的开关、水阀、外加剂量泵、各秤斗开门、搅拌机门开关等。
系统配置的I/O点为20个模拟量输入、7个模拟量输出、
110个开关量输入、108个开关量输出。
双冗余中央控制机、高可靠性嵌入式下位机和将它们连接
起来的工业以太网一起构成了整个控制系统的框架。如图1所示。
图1系统体系结构
中央控制计算机负责总体测量和控制信息的管理、发送，在
操作系统和应用软件的控制下，完成人机界面显示、数据分析和
处理、数据记录、监控、报警、打印等功能。
赖长缨：工程师硕士
基金项目：基金申请人：钱林方赖长缨；项目名称：大型沥青
混合料搅拌设备及其多态控制系统；基金颁发部门：中华人民
共和国财政部、科技部(2006GRC10028)
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技
术创新
《微计算机信息》(测控自动化)2009年第25卷第11-1期
360元/年邮局：82-946
《现场总线技术应用200例》
控制系统
中央控制机是由2台高可靠性嵌入式32位计算机组成，板上集成AMD GX2-400MHz CPU,2个RS -232和1个DB -15VGA 接口,2个100Mbps 端口网卡,2个USB 接口,1个Type I/II PC 卡插槽，采用嵌入式Linux 操作系统和Xwindows 图形用户界面。
本系统的中央控制机采用的是A 、B 机的双冗余嵌入式32位计算机，两机同时工作，由于以太网帧的指向性，下位机给A 机发送的帧一般是到达不了B 机的，所以系统采用了可编程以太网交换机，此种交换机具有的端口复制的功能，即将每个发往A 机的包都复制一份给B 机。尽管如此，作为备份机的B 机仍要通过专用包过滤路由软件与网络隔离，这种路由通过拆分IP 数据包来判断数据包能否通过，对于B 机来讲，正常工作时只允许测控以太网上的信息单项传送至B，即路由关闭了B 机通向测控以太网的通道。A 、B 机通过专用以太网信道和心跳算法监视对方工作情况。在对方工作异常时即时取代对方工作。
心跳算法采用双向拉模型，一般的拉模型中，监控者只管发送请求包和接收回复包，而在双向拉模型
中，监管者(本项目中的中央控制机A)和被监管者(本项目中的中央控制机B)实际上的身份是平等的，互为监管者和被监管者，互相发送请求包和接收回复包，并且在包中插入本机CPU 负荷与时间同步信息。正常工作时每隔一定时间就给对方发送一个aliveness 数据包，通过对方的应答信息返回的时间t 来评估对方健康状况和网络状况。A 故障时，回复包时间会超过预先设定的超时阈值T0，触发B 机的A 方故障消息,B 机开始接替A 机的工作,B 机的包过滤路由(也称为包过滤防火墙、包过滤网关)打开,A 机的包过滤路由关闭，打开/关闭时间只占用中央控制机的几个时钟步，所以都是在微秒级，在允许输入到测控以太网的数据包通过到B 机的同时阻断输入到A 机的通路，同时B 机及时进行记录和报警，继续接收传感器发送的测试量并向执行机构发送指令。
与A 机故障不同,B 机故障时不需要打开包过滤路由，只要A 机报警通知故障信息并记录即可。
双冗余以太网交换机为工业以太网交换机，处于网络交换中心的地位，用于在最短的时间内传输网络帧并保证尽量少的帧冲突和丢包。
图2嵌入式下位节点机系统原理图
带有数据采集、
转换模块和以太网控制器的下位节点机采用ARM7CPU 加DM9000A 的体系结构，如图2所示负责采集
模拟量和开关量，将采集到的数据加上传感器标志(以IP 地址为标志)，后打包上传。并将控制信息接收后拆包，按控制标志分发至控制端。瞬态电压抑制器
以太网通信电路主要由网络控制芯片，网络变压器及E2ROM 存储器组成。如图3所示。
图3DM9000A 控制电路
网络控制芯片DM9000A 是下位节点机进行以太网通信的核心。具有10M/100M 的通信速率。网络变压器PH163530是将以太网中传送过来的数据转换成与以太网控制芯片匹配的电平信号。E2ROM 存储器主要存储以太网通信中一些掉电需要保存的参数，如本机IP 地址。输出控制部分由D/A 模拟量输出及数字开关量输出组成。D/A 输出信号主要控制一些模拟量为输入的设备，这些信号在软件控制下由CPU 内部自带的10位D/A 转换器产生。数字开关量输出电路可控制功率较大的外接
设备，如输送皮带电机、
风扇等。图4LPC213xCPU 及A/D 原理图
图4为CPU 及外围A/D 电路，主要由CPU,A/D 电路及数字输入口等部分组成。
LPC2132微控制器是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32位ARM7TDMI-S CPU，运行在50MHz，
最大可达70MHz 的时钟频率下，并带有64kB 嵌入的高速Flash 存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位
Thumb 模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。
较小的封装和很低的功耗使LPC2132特别适用于访问控制和POS 机等小型应用中；由于内置了串行通信接口和16kB 的片内
SRAM，它也非常适合于通信网关、
协议转换器、软件modem 、语音识别、低端成像，为这些应用提供大规模的缓冲区和强大的处理功能。多个32位定时器、1个或2个10位8路的ADC 、10位DAC 、PWM 通道、47个GPIO 以及多达9个边沿或电平触发的外部中断使它们特别适用于工业控制应用及其他对可靠性要求高的系统。
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控制系统《PLC技术应用200例》
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本系统以太网芯片控制器的数据端口SDx与CPU的P0x
相对应连接。下位机开始工作时，由软件控制LPC2132发出初
始化命令,DM9000A进行初始化，装入IP地址,MAC地址，组装
标准ARP包和UDP包(此处使用UDP包是考虑到系统传输效
率，系统节点少负担轻时也可以使用TCP包)，并连续发送初始
化包给上位机，直到上位机收到并回送MsgOK包，下位机收到
后回复MsgOK包，这两个包由IP地址在以太网帧中的不同位
置来区分。至此，初始化和自检工作完成。下位机开始以实现预
定的频率向上位机传送/接收数据和指令。
下位机需要2种工作电压，分别是+5V和3.3V。5V电源设
计为传感器的变送器提供电源;3.3V电源通过电感元件隔离为
数字和模拟两个部分，提高系统可靠性。
本系统的电源供电方式采取IEEE802.3af以太网供电
(POE)方式，将从以太网数据线的空闲线对中获取的48V电源经
过DC/DC变换及稳压器稳压输出本系统所需的工作电压，而不
需要专门的交流/直流电源插座。电源部分使用DF1501S桥式
整流器对48伏电压进行整流，然后经过DC/DC模块后将电源
转换成+5V电源。LM1117-3.3模块将+5V电源转换成CPU及
A/D转换部分所需的3.3V电压。
2系统软件配置
本设备的多态控制软件包括控制界面、控制程序的模块化
配置，操作、工艺监控、报表、事件记录的组态，远程传输、双机冗
余、软件加密的配置。
整个系统软件分为中央控制机软件系统和下位节点机软
件系统两大部分。其中中央控制机在MySQL提供后台服务的
支撑下，进行全系统控制界面、心跳维护、网络通信维护、运行数
据记录、远程控制等多种工作。下位节点机负责收/法指令和数
据、网络传输服务、数据解算(如振动信号的FFT等)服务等。
3结论
1.实现了以工业以太网为骨架，以双冗余控制器为核心,32
位ARM体系嵌入式系统为节点的大型沥青混合料搅拌设备控
制系统，实现了基于IP的以太网一网到底的结构。工业以太网
总线完全能够满足大型沥青混合料搅拌设备的需要;
2.高速32位ARM嵌入式系统与传感器组成的100Mbps
带宽智能传感/执行节点已经在本项目的大型控制网络中应用,
其传输效率和可靠性已经得到充分验证;
3.双冗余在线式主控制器采用同时工作的方式，使用包过
滤网关控制故障切换;
4.使用POE供电去除了多余的供电单元，使系统更加简洁、
可靠;
叶片锁本文作者创新点:1、全网实现以太网加TCP/IP;2、嵌入式
100Mbps宽带节点机;3、主控制器双冗余加包过滤网关;4、POE
供电
本项目已在无锡锡通工程机械有限公司实现产业化，近三
年共生产销售67台套，新增产值4.73亿元，其中出口1194万美
元，新增利润6406.4万元，新增税收4824.4万元，增收节支1920
万元(各项指标报奖时均被审计通过)。产品已为我国高等级公
路的建设发挥了巨大作用，另外，本产品还出口哈萨克斯坦、印
度尼西亚等国，为国家创造了巨大的经济和社会效应。
高压直流稳压电源参考文献
[1]吴书华，吴庆波，张超.KylinOS可靠心跳协议研究[J].微计算机
信息,2006,11-2:52-54
[2]曹玉英；王佰桑.沥青拌和机中的计算机系统[J].筑路机械与
激光发射器施工机械化,2006.12
[3]曹林涛，唐心能，王金星.沥青混合料生产质量影响因素分析
[J].上海公路,2006,(03).
[4]马建刚，樊中华，李高磊.计量系统的常见故障与解决措施[J].
筑路机械与施工机械化,2006,(10).
作者简介：赖长缨，男,1967年1月出生，北京，工程师，硕士,2000
年毕业于南京理工大学机械工程专业，主要从事机械电子信息
系统研究、设计与实施工作。
Biography:LAI Chang-ying(1967-),male(Han),Jiangsu,Nanjing
University of Science and Technology,Engineer,Mechatronics,
降香黄檀树study and design of mechanical-electronics system.
(210094南京南京理工大学机械工程学院)赖长缨石秀东
江剑钱林方
(Mechanical Engineering School of Nanjing University of Sci-
ence and Technology,Jiangsu,Nanjing,210094,China)
LAI Chang-ying SHI Xiu-dong JIANG Jian QIAN Lin-fang
通讯地址:(210094南京南京理工大学机械工程学院)赖长缨
(收稿日期:2008.12.04)(修稿日期:2009.03.04)
(上接第60页)
4总结
利用冗余的双通道传输及总线保护器组建的TTCAN总线
网络。不仅改善了CAN本身可靠性的一些缺陷，并结合了
TTCAN自身的特点，提高了传输的可靠性和实时性，使之能够适
应于现代复杂网络的控制系统，特别是在需要高安全性的系统
中，具有一定的实践意义。
本文作者创新点：笔者对原有TTCAN总线系统进行了一定
的改进，应用双通道传输及总线保护器，使原有系统的数据可靠
性得到提升，有助于深入研究具有高可靠性的现场总线系统。
参考文献
[1]饶运涛等.现场总线CAN原理与应用技术，北京航空航天大学
出版社,2005.6。
[2]孟庆栋等.MCP2515在TTCAN协议LEVEL1节点中的应用
[J]，微计算机信息,2007,2-3:273-274。
[3]韩兵等.现场总线控制系统应用实例，化学工业出版社,2006.8
[4]ISO11898-4:Road vehicles-Controller Area Network(CAN)
Part4:Time triggered communication International Standard Orga－
nization,2001-6.
[5]阳宪惠等，现场总线技术及其应用，清华大学出版社,1999。
作者简介：袁振明(1984.8)，男，汉族，上海交通大学控制理论与控
制工程专业在读研究生，主要研究方向：现场总线及其应用；韩
兵，男，上海交通大学电子信息与电气工程学院副教授。
Biography:YUAN Zhen-ming(1984-).male.postgraduate student
in Shanghai Jiao Tong University Current research:field-bus
and related application.
(200240上海上海交通大学)袁振明韩兵
(Shanghai Jiao Tong University,Shanghai,200240,China)
YUAN
Zhen-ming HAN Bing
通讯地址:(200240上海市闵行区东川路800号上海交通大学
B0603292班)袁振明
(收稿日期:2008.12.29)(修稿日期:2009.03.29)
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