通過can-bus,可以將多達數(shù)十臺的中/小型聯(lián)網(wǎng),構(gòu)成一個智能plc網(wǎng)絡(luò);同時,主控制器可以與指定的遠程plc實現(xiàn)遠程配置、控制通信,以及實現(xiàn)組態(tài)環(huán)境中的應(yīng)用。
1、plc特點與plc網(wǎng)絡(luò)
可編程控制器(plc)是一種數(shù)字控制專用計算機,它使用了可修改的程序存儲器儲存指令,執(zhí)行諸如邏輯、順序、計時、計數(shù)與演算等功能,并通過模擬和數(shù)字輸入、輸出等功能組件,控制各種機械或工作程序。長期以來,plc一直在各個行業(yè)的自動化控制領(lǐng)域得到廣泛的使用,為各種各樣的自動化設(shè)備提供了非常可靠的控制應(yīng)用。
plc系統(tǒng)的工作任務(wù)相對簡單,且需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量一般不會太大,所以常見的plc系統(tǒng)為一層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。plc一般應(yīng)用在小型自控場所,比如設(shè)備的控制或少量模擬量的控制及聯(lián)鎖。小范圍的集中式控制環(huán)境是plc發(fā)揮功能的最佳舞臺。
目前,只有少量型號的plc集成有ethernet或現(xiàn)場總線can-bus通訊接口,價格也較貴;一般常見plc型號沒有隨本機集成通訊功能,不便于組建多臺plc構(gòu)成的中型控制網(wǎng)絡(luò)。但是,隨著應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展,經(jīng)常會出現(xiàn)一些應(yīng)用場合,在面積較大的范圍內(nèi),需要n臺plc協(xié)同完成一個系統(tǒng)的綜合控制。此時,原有集中控制的單一plc控制方案就顯得力所不及,plc網(wǎng)絡(luò)的需求也應(yīng)運而生。
本文提出了一種基于現(xiàn)場總線can-bus的plc網(wǎng)絡(luò)方案,能夠?qū)Χ嗯_聯(lián)網(wǎng)的plc實現(xiàn)遠程配置、,并能夠在投入較低硬件成本的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)良好的系統(tǒng)運行性能。這個方案也充分發(fā)揮了現(xiàn)場總線can-bus的通信特點：實時、可靠、高速、遠距離、易維護等。此方案是現(xiàn)場總線技術(shù)與集中控制技術(shù)的有機結(jié)合,聯(lián)網(wǎng)后的plc網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)成一個性能優(yōu)秀的系統(tǒng);用戶在同一個主控制器上可以遠程監(jiān)控、改變?nèi)魏我慌_聯(lián)網(wǎng)plc的程序或狀態(tài)。
2、plc網(wǎng)絡(luò)的兩種方式
通用plc一般都會提供1~2個rs-232或rs-485通訊端口,用于與其他控制設(shè)備或主控制器pc通訊;這些集成的通訊端口支持自行規(guī)定的通訊協(xié)議,或者modbus協(xié)議,實現(xiàn)plc設(shè)備的通訊與配置。構(gòu)建plc網(wǎng)絡(luò),即利用plc本機的這一類通訊端口,將其擴展成為能夠與多臺設(shè)備聯(lián)網(wǎng),實現(xiàn)多點通訊的現(xiàn)場總線can-bus通訊接口。
根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中主控制器的不同,plc網(wǎng)絡(luò)可以分為以下方式：
*多臺plc聯(lián)網(wǎng),各plc地位平等,可外擴。
*多臺plc聯(lián)網(wǎng),由1臺pc作為主控制器與操作界面。
3、多臺plc串行聯(lián)網(wǎng)
通過一個rs-232/rs-485轉(zhuǎn)can-bus網(wǎng)關(guān)進行信號轉(zhuǎn)換,獨立plc就具有了現(xiàn)場總線can-bus通訊接口。多臺具有現(xiàn)場總線can-bus通訊接口的plc之間相互連接,即可以組建plc網(wǎng)絡(luò)。
每一臺連接plc單元的rs-232/rs-485轉(zhuǎn)can-bus網(wǎng)關(guān)都可以設(shè)定一個獨立的設(shè)備id號,長度為11位或29位,用作為該plc單元的地址。每一臺聯(lián)網(wǎng)的plc單元在發(fā)送數(shù)據(jù)時,可設(shè)定在數(shù)據(jù)流中自動添加本地網(wǎng)關(guān)的設(shè)備id號;同理,每一臺plc單元在接收數(shù)據(jù)時,可設(shè)定由網(wǎng)關(guān)檢查數(shù)據(jù)流中的設(shè)備id號,自動接收符合要求的數(shù)據(jù)。
通過上述方式組建的plc網(wǎng)絡(luò),各臺plc地位平等,任何一臺plc均可以主動發(fā)起數(shù)據(jù)通訊,由can-bus網(wǎng)關(guān)起硬件自動仲裁作用,保障每一次通訊的數(shù)據(jù)不丟失;網(wǎng)絡(luò)中的plc數(shù)量不受限制,數(shù)百、上千臺plc都可以連接在同一現(xiàn)場總線can-bus網(wǎng)絡(luò)中。同時,這個plc網(wǎng)絡(luò)中還可以連接具有can-bus通訊接口的hmi人機界面,或由其中一臺plc通過其他的串行通訊端口連接hmi人機界面。
這種方式組建的plc網(wǎng)絡(luò),與選擇集成can-bus通訊功能的plc設(shè)備相比,具有更加靈活的系統(tǒng)擴展能力,也能夠獲得更好的性價比。
4、多臺plc與工控pc并行聯(lián)網(wǎng)
工控pc能夠深入地配合plc廠商提供的各種軟件,從而實現(xiàn)更多強大的功能,比如系統(tǒng)配置、人機界面、組態(tài)開發(fā)等,在plc領(lǐng)域的作用也越來越不可或缺。通常,工控pc與單臺plc通過1個串口連接通訊,實現(xiàn)各種擴展功能;但串口的通訊距離、節(jié)點數(shù)量都受到了串口本身的性能限制。比如,rs-232標(biāo)準(zhǔn)只可以實現(xiàn)“點－點”通訊,rs-485/422標(biāo)準(zhǔn)能夠?qū)崿F(xiàn)32個節(jié)點以內(nèi)的通訊,但通訊距離、抗干擾能力都比較弱,并不能夠滿足實際工業(yè)現(xiàn)場多臺plc聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需求。
工控pc內(nèi)置pc-can接口卡,可以建立起1條或者多條現(xiàn)場總線can-bus網(wǎng)絡(luò),并通過連接在can-bus網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)rs-232/rs-485轉(zhuǎn)can-bus轉(zhuǎn)換器,借助于can-bus網(wǎng)絡(luò)配套的“虛擬串口”軟件,建立多達2047個標(biāo)準(zhǔn)的串行通訊端口,從而連接多達2047條串行網(wǎng)絡(luò)。也就是說,可以在同1條普通雙絞線上連接多達2047臺plc設(shè)備,工控pc訪問連接在這條can-bus網(wǎng)絡(luò)上的plc設(shè)備,也與操作標(biāo)準(zhǔn)串口完全一致。這種方式可以充分發(fā)揮工控pc的作用,通訊效率也比較高。
通過工控pc組建多臺plc網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1所示。按這一種方式的建立plc網(wǎng)絡(luò)的通訊效率較高,應(yīng)用靈活,是一般plc網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的主流方向。
圖 1 多臺plc與工控pc并行聯(lián)網(wǎng)
5、plc網(wǎng)絡(luò)的硬件組成與連接
建立plc網(wǎng)絡(luò),除了實現(xiàn)具體功能的plc設(shè)備,還需要一些建立現(xiàn)場總線can-bus網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備,主要有rs-232轉(zhuǎn)can-bus網(wǎng)關(guān)、pc-can接口卡等。
1.rs-232轉(zhuǎn)can-bus網(wǎng)關(guān)
can232mb 轉(zhuǎn)換器是一種常用的rs-232轉(zhuǎn)can-bus網(wǎng)關(guān)。轉(zhuǎn)換器集成1個rs-232通道、1個can-bus 通道,可以很方便地連接到plc設(shè)備的rs-232標(biāo)準(zhǔn)通訊端口,使plc設(shè)備具有與現(xiàn)場總線can-bus網(wǎng)絡(luò)通訊的能力。轉(zhuǎn)換器提供三種工作模式——透明轉(zhuǎn)換、透明帶標(biāo)識轉(zhuǎn)換、modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換,分別可以支持不同通訊協(xié)議的plc設(shè)備。通過pc配置軟件,can232mb轉(zhuǎn)換器可設(shè)定一個獨立的11位或29位設(shè)備id號,可以用作為該網(wǎng)關(guān)所連接plc設(shè)備的地址編號,并對往來串口的數(shù)據(jù)流加以標(biāo)注或識別。
對于只集成rs-485/422通訊端口的plc設(shè)備,可以選擇rs-485轉(zhuǎn)can-bus網(wǎng)關(guān)。
2.pc-can接口卡
工控pc內(nèi)置或外接pc-can接口卡,可以令工控pc具有現(xiàn)場總線can-bus通訊接口,從而成為can-bus網(wǎng)絡(luò)中的一個主要功能節(jié)點。根據(jù)與pc連接方式的不同,pc-can接口卡可以分為很多種不同的類型,常見的型號有pci-can接口卡、isa-can接口卡、pc104-can接口卡、usbcan接口卡、以太網(wǎng)轉(zhuǎn)can接口卡等。
pc-can接口卡一般都提供有can-bus測試工具、api開發(fā)例程、opc服務(wù)器軟件等。配套的“虛擬串口服務(wù)器”軟件可以在不修改原有pc軟件的基礎(chǔ)上,開發(fā)基于串口通訊的軟件項目,比如plc網(wǎng)絡(luò)。
3.通訊附件
通訊電纜是現(xiàn)場總線can-bus網(wǎng)絡(luò)的重要組件。通訊電纜的合理選擇,對can-bus網(wǎng)絡(luò)的通訊距離也有非常重要的影響。使用國標(biāo)awg18(截面積為φ0.75 mm2)的雙絞線作為can-bus網(wǎng)絡(luò)的通訊電纜,可以在1km距離內(nèi)實現(xiàn)可靠通訊;使用截面積為φ1.5 mm2的普通雙絞線,則可以達到6~7km的通訊距離。
現(xiàn)場總線can-bus網(wǎng)絡(luò)在布線時,必須注意終端電阻的連接。主干線的最遠兩端必須各連接一個120ω的終端電阻。
另外,can-bus網(wǎng)絡(luò)的分支線不宜過長,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通訊速率為20kbps時,建議每一條連接plc設(shè)備的分支線長度小于100米。
6、應(yīng)用實例
在一個實際的油田控制系統(tǒng)中,需要由超過32臺plc組建一個中型plc網(wǎng)絡(luò)。每一臺plc用于控制一套工作井站的現(xiàn)場設(shè)備。選用plc型號為omron公司cpm2a系列,不支持現(xiàn)場總線can-bus網(wǎng)絡(luò),但集成有1個rs-232通訊端口。單臺plc之間的最大距離超過了10km距離,但這個油田控制系統(tǒng)要求能夠在同一個主控制器上,對每一臺現(xiàn)場的plc實時監(jiān)控。由于各個現(xiàn)場plc工作點距離很遠,主控制器pc不可能實現(xiàn)每一臺plc設(shè)備的單獨電纜連接。因此,將各臺plc設(shè)備通過現(xiàn)場總線can-bus網(wǎng)絡(luò)連接,組建一個地區(qū)范圍內(nèi)的plc網(wǎng)絡(luò),從而實現(xiàn)plc遠程維護、數(shù)據(jù)實時監(jiān)控,既能夠大大提高系統(tǒng)的管理效率,也可以有效地降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。
井站的plc設(shè)備集成有1個rs-232串行通訊端口,通過can232mb轉(zhuǎn)換器連接到現(xiàn)場總線can-bus網(wǎng)絡(luò)。主控制器pc內(nèi)置1塊pc-can接口卡,型號為pci-9840接口卡,可以使pc成為can-bus網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點,能夠同時管理4路物理獨立的can-bus網(wǎng)絡(luò)。
1.can-bus網(wǎng)絡(luò)
現(xiàn)場總線can-bus網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般使用直線結(jié)構(gòu)。所有can-bus設(shè)備節(jié)點通過短分支線連接至can-bus網(wǎng)絡(luò)的主干線;短分支線不宜過長,一般必須小于30米。如果因網(wǎng)絡(luò)布線、地理環(huán)境等因素,需要改變can-bus網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),則可以通過canbridge網(wǎng)橋或canhub集線器。
在can-bus網(wǎng)絡(luò)布線中,必須注意終端電阻的連接。can-bus主干線的最遠兩端必須各端接一個120ω的終端電阻;主干線上的其它任何can-bus節(jié)點則不用連接終端電阻。
設(shè)定為5kbps波特率時,使用截面積為φ1.5 mm2的雙絞線,至少可以達到6~7km的通訊距離。通常,隨著通訊距離的加長,需要適當(dāng)加大通訊電纜線的截面積。
當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備數(shù)量大于110或距離超過10km時,在合理位置安裝canbridge網(wǎng)橋,就可以使can-bus網(wǎng)絡(luò)延長1倍的通訊距離,并可增加連接220個的can-bus節(jié)點數(shù)目。
2.plc串行通訊協(xié)議
omron公司cpm系列中小型plc的串行通訊使用“命令－應(yīng)答”通信方式,工控pc可通過對串口編程的方式與cpm系列plc實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。pc與plc實現(xiàn)一次數(shù)據(jù)交換的過程,即傳輸?shù)拿詈蛻?yīng)答之?dāng)?shù)據(jù)總和稱為一幀,一幀最多可包含131個數(shù)據(jù)字符。
omron公司plc采用hostbbbb通訊協(xié)議。
3.hostbbbb命令幀格式
pc機按hostbbbb命令幀的格式,向plc發(fā)送命令。hostbbbb命令幀見圖2。
圖2 omron公司plc命令幀格式
hostbbbb命令幀的規(guī)定如下：
*@符號必須置于每個命令的開頭;
*節(jié)點號,用來辨識每一臺plc的節(jié)點地址;
*讀/寫,指明plc的哪個寄存器單元,例讀寫ir/sr區(qū)時它的識別碼設(shè)置分別為rr和wr,讀寫dm區(qū)分別為rd和wd。
*fcs,設(shè)置兩字符的幀檢查順序碼,是一個轉(zhuǎn)換成2個ascii字符的8位數(shù)據(jù),這8位數(shù)據(jù)為從幀開始到正文結(jié)束(即fcs之前)所有數(shù)據(jù)執(zhí)行“異或”操作的結(jié)果。
*終止符設(shè)置“*”和回車兩字符,表示命令結(jié)束。
hostbbbb命令幀可以有最多131個字符長。一個等于或大于132字符的命令必須分成若干幀。命令分段,使用回車定界符(chr $(13))。
4.hostbbbb應(yīng)答幀格式
plc對于接收到的命令幀,都會給予數(shù)據(jù)響應(yīng),發(fā)送hostbbbb應(yīng)答幀,格式見圖3。
圖3 omron公司plc應(yīng)答幀格式
識別碼、正文取決于plc接收到的上位機聯(lián)結(jié)命令,結(jié)束字表示命令完成的狀態(tài)(即是否有錯誤發(fā)生),當(dāng)應(yīng)答幀的長度超過132字符,它必須分成若干幀。
結(jié)束字是應(yīng)答幀中表示plc應(yīng)答的信息。結(jié)束字代碼為00表示正常結(jié)束,13表示fcs錯誤,14表示格式錯誤,15表示入口碼數(shù)據(jù)錯誤,18表示幀長度錯誤,a3表示傳輸數(shù)據(jù)時因fcs錯誤引起終止,a8表示傳輸數(shù)據(jù)時,因幀長度錯誤引起終止。
5.plc與網(wǎng)關(guān)can232mb的連接
cpm系列plc集成1個rs-232串行通訊端口,采用db9孔型插座;can232mb轉(zhuǎn)換器集成1個rs-232串行通訊端口,也采用db9孔型插座。
串行通信電纜一端連接can232mb轉(zhuǎn)換器,另一端連接cpm系列plc。注意,通訊電纜的兩個db9端口不可互換。通訊電纜的連接示意如圖 4所示。
圖4 plc通信電纜的引腳連接
6.plc與網(wǎng)關(guān)can485mb的連接
omron公司的cxp軟件可以在一個rs-485標(biāo)準(zhǔn)的串行通訊端口上連接多達32臺cpm2a系列plc設(shè)備;每臺plc設(shè)備都需要預(yù)先設(shè)定一個唯一的5位地址編號,用于在rs-485網(wǎng)絡(luò)中區(qū)分各臺plc設(shè)備。
rs-485標(biāo)準(zhǔn)是一種多點網(wǎng)絡(luò)通訊方式。通過網(wǎng)關(guān)can485mb轉(zhuǎn)換器,可以建立一個符合rs-485標(biāo)準(zhǔn)的虛擬串口。cpm2a系列plc可以借助于rs-232轉(zhuǎn)rs-485電平轉(zhuǎn)換器,得到一個rs-485標(biāo)準(zhǔn)的通訊端口。（http://www.diangon.com/版權(quán)所有）多臺預(yù)設(shè)地址編號的plc可以通過rs-485串行通訊方式聯(lián)網(wǎng),并與can485mb轉(zhuǎn)換器組成1~32個節(jié)點、1km距離范圍內(nèi)、rs-485標(biāo)準(zhǔn)的plc網(wǎng)絡(luò)。
按上述方式,整個地區(qū)的plc網(wǎng)絡(luò)可以由多個網(wǎng)關(guān)can485mb轉(zhuǎn)換器構(gòu)建面成,而每一個網(wǎng)關(guān)can485mb轉(zhuǎn)換器都可以組建一個rs-485標(biāo)準(zhǔn)的小型plc網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。這樣,就可以形成大型的星形plc 網(wǎng)絡(luò)。
7.plc網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)開發(fā)
通過網(wǎng)關(guān)can232mb/can485mb轉(zhuǎn)換器可以建立多個虛擬串口,用于連接plc設(shè)備。虛擬串口的操作方式與pc標(biāo)準(zhǔn)串口完全相同。
通常的組態(tài)環(huán)境(例如昆侖通態(tài)mcgs、組態(tài)王kingview等)都可以按串行通訊設(shè)備驅(qū)動的方式支持omron公司plc設(shè)備的開發(fā)。如果組態(tài)環(huán)境可以支持按多串口方式擴展的多臺plc設(shè)備,同樣也可以支持基于現(xiàn)場總線can-bus網(wǎng)絡(luò)的虛擬串口方式構(gòu)建的串行plc網(wǎng)絡(luò)。
需要注意的是,串行plc網(wǎng)絡(luò)基于現(xiàn)場總線can-bus而構(gòu)建,每一條命令幀/響應(yīng)幀都需要一定的傳輸時間。例如,當(dāng)can-bus總線的通訊波特率設(shè)置為10kbps時,傳輸30字節(jié)的命令幀至少約需60ms傳輸時間;加上響應(yīng)幀的延遲,plc網(wǎng)絡(luò)中的任何一臺plc與工控pc需要約150ms才能夠執(zhí)行1次完整的通訊過程。這一時間即單臺plc通訊周期。按此參數(shù)計算,當(dāng)使用1條現(xiàn)場總線can-bus網(wǎng)絡(luò),建立有30臺plc設(shè)備構(gòu)成的plc網(wǎng)絡(luò)時,工控pc主動查詢一遍所有plc設(shè)備的狀態(tài),大概需要花費約30倍的單臺plc通訊周期。應(yīng)用組態(tài)環(huán)境開發(fā)plc網(wǎng)絡(luò)時,用戶必須重視網(wǎng)絡(luò)的通訊延遲因素,并在組態(tài)環(huán)境中設(shè)置相關(guān)的定時參數(shù);否則,可能會導(dǎo)致組態(tài)環(huán)境不能夠正常運行。
我們可以通過一些方法來提高plc網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)速度。解決方法之一是增加can-bus網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量,由此減少每一個can-bus網(wǎng)絡(luò)中的plc設(shè)備數(shù)量;另外,提高can-bus網(wǎng)絡(luò)的通訊波特率也可以獲得相同的效果,其代價是會縮短can-bus網(wǎng)絡(luò)的通訊距離。
7、結(jié)語
本文介紹的實例“通過現(xiàn)場總線can-bus網(wǎng)絡(luò)對多臺plc進行聯(lián)網(wǎng)控制”已經(jīng)通過了實際項目的運行考驗,現(xiàn)場作業(yè)的網(wǎng)絡(luò)長度達到7km以上。在系統(tǒng)的實際運行中,現(xiàn)場總線can-bus的穩(wěn)定性、抗干擾能力得到充分的體現(xiàn)。在這個工程項目中,不需要改變原有的pc控制平臺,可以將現(xiàn)有控制設(shè)備無縫地嵌入先進的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò),構(gòu)成新一代的dcs分布式控制系統(tǒng)。方案以較低的成本投入,換取了現(xiàn)場自動化網(wǎng)絡(luò)的大跨度提升。
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