引言

近年来，我国工业自动化建设，对大型喂料机的需求迫切。与中小型喂料机相比，大型喂料机具有产量大、效益高、性能稳定、能耗低等特点，代表了配料设备的发展方向。但现有大型喂料机控制系统技术落后，采用单机、单屏、单控，工作性能不稳定，主机、电路等关键设备可靠性低，控制过程中信息记录不完善。针对目前密炼机多状态控制系统的缺陷，开发了一种新型密炼机多状态配料控制系统，该系统具有全程双冗余备份、双冗余工业以太网总线、100Mbps以太网接口的嵌入式系统，下位机采用廉价可靠的高速32位ARM架构，并可记录运行数据。

1混合机多态控制系统设计

配料机主要需要根据一些模拟称重模块和数字称重模块返回的数据进行精确控制，其采集的内容包括6级物料输送量、6级物料称重重量、烘干筒温度、体积和温度等20个模拟量。进料、进料门联锁、粉料门联锁、斗门开关位置、进料器、斜带、平带运行、系统允许称重、卸料等开关输入。开关量输出包括每个进料门的进料电机继电器、每个螺杆机的开关、气动阀、附加剂量泵、每个称重料斗的门开度、进料器的门开关等。系统中配置的I0点有20个模拟输入、7个模拟输出、110个开关输入和108个开关输出。

双冗余中央控制器、高可靠性嵌入式下位机以及将它们连接在一起的工业以太网构成了整个控制系统的框架。

中央控制计算机负责整体测控信息的管理和传输，在操作系统和应用软件的控制下，完成人机界面显示、数据分析处理、数据记录、监控、报警和打印等功能。

中央控制机由两台高可靠性嵌入式32位计算机组成。该板卡集成了AMDGX2-400MHzCPU，两个RS-232和一个DB-15VGA接口，两个100Mbps端网卡，两个USB接口，一个TypeI/IIPC卡槽，采用嵌入式Linux操作系统和Xwindows图形用户界面。

该喂料系统的中央控制器使用A和B双冗余嵌入式32位计算机，两台计算机同时工作。由于以太网帧的方向性，下位机发送到A的帧通常无法到达B.因此，系统使用具有端口复制功能的可编程以太网交换机，即发送到A的每个数据包都会复制到B....尽管如此，作为备用机器，机器B仍然需要通过专门的包过滤路由软件与网络隔离。这种路由通过分割数据包来确定数据包是否可以通过。对于机器B，在正常运行期间，只允许将测量和控制以太网上的信息发送到B，即该路由关闭了从机器B到测量和控制以太网的通道。计算机A和B通过专用的以太网通道和心跳算法来监控彼此的工作。一旦对方的工作出现异常，他们立即取代对方的工作。

心跳算法采用双向拉取模型，在一般的拉取模型中，监控器只发送请求包和接收应答包，而在双向拉取模型中，监管者（本项目中的集控机A）和被监管者（本项目中的集控机B）实际上具有彼此监管者和被监管者的平等身份，相互发送请求包和接收应答包，心跳算法采用双向拉取模型，在一般拉取模型中，监控器只发送请求包和接收应答包，而在双向拉取模型中，监管者（本项目中的集控机A）和被监管者（本项目中的集控机B）实际上具有彼此监管者和被监管者的同等身份，相互发送请求包和接收回复包，并在包中插入本地计算机的CPU负载和时间同步信息。在正常操作中，以一定的间隔δ向另一方发送活力包。当A失败时，回复包时间超过预设的超时值T0，这触发了机器B的A侧失败消息，机器B开始接管机器A的工作

机器B的包过滤路由（也称为包过滤防火墙、包过滤网关）被打开并且机器A的包过滤路由被关闭，并且打开/关闭时间仅占用中央控制机器的几个时钟步。因此，在允许输入到测量和控制以太网的数据包传递到B机器并同时阻断到A机器的路径时，B机器会及时记录和报警，并继续接收传感器发送的测试量并向执行器发送命令

与机器A的故障不同，当机器B出现故障时，不需要打开包过滤路由，只要机器A报警通知故障信息并记录即可。

双冗余以太网交换机是工业以太网交换机，充当网络交换中心，用于在尽可能短的时间内传输网络帧，并确保最小的帧冲突和数据包丢失。

带数据采集、转换模块和以太网控制器的下位机采用ARM7CPU加DM9000A的架构，负责采集模拟量和开关量，将采集到的数据添加传感器标志（用IP地址标记），然后打包上传。它接收控制信息并根据控制标志将其解包并分发给控制终端。以太网通信电路主要由网络控制芯片、网络变压器和E2ROM存储器组成。

网络控制芯片DM9000A是以太网通信下位机的核心。它具有10M/100M通信速率。网络变压器PH163530将通过以太网传输的数据转换为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掉电时需要保存的一些参数，如本地P地址。输出控制部分由D/A模拟输出和数字开关输出组成。数模输出信号主要控制一些模拟输入设备，这些信号由CPU内部的10位数模转换器在软件的控制下产生。数字开关输出电路可以控制功率更高的外部设备，如传送带电机和风扇。

LPC2132微控制器基于32位ARM7TDMI-SCPU，支持实时仿真和嵌入式跟踪，时钟频率最高可达50MHz至70MHz，内置64kB高速ash存储器。128位宽内存接口和独特的加速架构使32位代码能够以最大时钟速率运行。严格控制代码大小的应用程序可以使用16位Thumb模式，在性能损失最小的情况下将代码大小减少30%以上。小封装和极低功耗使IPC2132特别适合门禁控制和POS等小型应用；它具有内置串行通信接口和16kB片内SRAM，非常适合通信网关、协议转换器、软件调制解调器、语音识别和低端成像应用，为这些应用提供海量缓冲和强大处理能力。多个32位定时器、一个或两个10位8路ADC、10位DAC、PWM通道、47个GPI0s和多达9个边沿或电平触发的外部中断使它们特别适合工业控制应用和其他要求高可靠性的系统。

系统以太网芯片控制器的数据端口SDx与CPU的POx相对连接。当下位机开始工作时，软件控制IPC2132发出初始化命令，DM9000A初始化、加载IP地址、MAC地址、组装标准ARP包和UDP包（考虑到系统传输效率，这里使用UDP包，当系统节点负担较轻时可以使用TCP包）并不断向上位机发送初始化包，直到上位机接收并发回MsgOK包，而下位机接收并回复MsgOK包，这两个包是通过以太网帧中P地址的不同位置来区分的。至此，初始化和自检完成。下位机开始以实现预定频率的频率向/从上位机发送/接收数据和命令。

下部单元需要两个工作电压，即+5V和3.3V。5V电源用于为传感器的发射器供电:3.3V电源通过电感元件隔离为两部分，即数字和模拟，以提高系统的可靠性。

本系统的电源采用IEEE802.3af以太网供电(POE)方式，通过DC/DC转换和电压调节器从以太网数据线的空闲线对获得48V电源，输出本系统所需的工作电压，无需专门的交流/DC电源插座。电源部分使用DF1501S桥式整流器对48伏进行整流，然后在通过DC/DC模块后将电源转换为+5V。LM1117-3.3模块将+5V电源转换为CPU和A/D转换器部分所需的3.3V电源。

2系统软件配置

该配料设备的多态控制软件包括控制界面和控制程序的模块化配置、操作配置、过程监控、报告和事件记录、远程传输配置、双机冗余和软件加密。

整个喂料系统软件分为两部分:中控计算机软件系统和下位机软件系统。在MySOL提供的后台服务支持下，中央控制机执行系统范围的控制界面、心跳维护、网络通信维护、操作数据记录和远程控制等各种任务。下位机负责接收/发送指令和数据、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）实现了基于工业以太网的大型搅拌机控制系统，以双冗余控制器为核心，以32位ARM嵌入式系统为节点，实现了基于IP的以太网网络结构，工业以太网总线完全可以满足大型搅拌机的需求；

2）由高速32位ARM嵌入式系统和传感器组成的100Mbps带宽智能感知/执行节点已在本项目大型控制网络中得到应用，其传输效率和可靠性得到充分验证；

3）双冗余在线主控制器同时工作，使用包过滤网关控制故障转移；

4）POE供电消除了冗余供电单元，使系统更加简洁可靠。

4摘要

基于冗余双通道传输和总线保护器的TTCAN总线网络。它不仅改善了CAN本身在可靠性方面的一些缺陷，而且结合TTCAN自身的特点提高了传输的可靠性和实时性，使其能够适应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，具有一定的现实意义。