紡織廠(chǎng)基于CAN總線(xiàn)多PLC組網(wǎng)系統的實(shí)現

　1 引言

　目前，一般常見(jiàn)plc型號都沒(méi)有集成現場(chǎng)總線(xiàn)can-bus的通訊功能接口，因而不便于基于can總線(xiàn)多臺plc控制網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現。隨著(zhù)應用技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)經(jīng)常會(huì )出現需要n臺plc協(xié)同完成一個(gè)系統的綜合控制。此時(shí)，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 )的集成工程需求也應運而生。

　本文提出了一種基于現場(chǎng)總線(xiàn)can-bus的plc網(wǎng)絡(luò )方案，能夠對多臺聯(lián)網(wǎng)的plc實(shí)現遠程配置、數據通信，并能夠在投入較低硬件成本的基礎上，實(shí)現良好的系統運行性能。這個(gè)方案不僅充分發(fā)揮了現場(chǎng)總線(xiàn)can-bus的通信特點(diǎn)：實(shí)時(shí)、可靠、高速、遠距離、易維護等，而且將現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)與集中控制技術(shù)有機結合，聯(lián)網(wǎng)后的plc網(wǎng)絡(luò )可以構成一個(gè)性能優(yōu)越的dcs系統；用戶(hù)在同一個(gè)主控制器(pc機)上可以遠程監控、改變任何一臺聯(lián)網(wǎng)plc的程序或狀態(tài)。

　2 組建plc網(wǎng)絡(luò )的兩種方式

　通用plc一般提供1～2個(gè)rs-232或rs-485通訊端口，用于與其他控制設備通訊；這些通訊端口支持有限的通訊協(xié)議，實(shí)現plc設備的通訊與配置。本項目利用plc自身的通訊端口，將其擴展成為能夠與多臺設備聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現基于現場(chǎng)總線(xiàn)can-bus多臺plc網(wǎng)絡(luò )。根據網(wǎng)絡(luò )中主控制器的不同，plc網(wǎng)絡(luò )分為以下方式：多臺plc聯(lián)網(wǎng)，各plc地位平等，可外擴hmi人機界面；多臺plc聯(lián)網(wǎng)，由1臺工控pc作為主控制器與操作界面。本文重點(diǎn)討論兩種基于rs-232或rs-485通訊端口plc的組網(wǎng)方法。

　2.1 plc串行聯(lián)網(wǎng)

　 通過(guò)rs-232/rs-485轉can-bus網(wǎng)關(guān)進(jìn)行信號轉換使plc具有can-bus通訊接口。多臺具有can-bus通訊接口的plc之間相互連接，即可以組建plc網(wǎng)絡(luò )。每臺連接plc單元的rs-232/rs-485轉can-bus網(wǎng)關(guān)都可以設定一個(gè)獨立的設備id號，長(cháng)度為11位或29位，用作為該plc單元的地址。

　 通過(guò)上述方式組建的plc網(wǎng)絡(luò )，任何一臺plc均可以主動(dòng)發(fā)起數據通訊，由can-bus網(wǎng)關(guān)起硬件自動(dòng)仲裁作用，保障每一次通訊的數據不丟失；網(wǎng)絡(luò )中的plc數量不受限制，數百、上千臺plc都可以連接在同一現場(chǎng)總線(xiàn)can-bus網(wǎng)絡(luò )中。同時(shí)，plc網(wǎng)絡(luò )中可以連接具有can-bus通訊接口的hmi人機界面。

　 2.2 多臺plc與工控pc并行聯(lián)網(wǎng)

　 工控pc機內插pci-can板卡(如研華的pci1680、周立功的pci5110等)，可以組建can-bus網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)連接在can-bus網(wǎng)絡(luò )中的網(wǎng)關(guān)rs-232/rs-485轉can-bus轉換器，借助于can-bus網(wǎng)絡(luò )配套的“虛擬串口”軟件，建立多達2047個(gè)標準的串行通訊端口，從而連接多達2047條串行網(wǎng)絡(luò )。即在一條普通雙絞線(xiàn)上連接多達2047臺plc設備，工控pc機訪(fǎng)問(wèn)連接在can-bus網(wǎng)絡(luò )上的plc設備，與操作標準串口完全一致。這種方式可以充分發(fā)揮工控pc機的作用，通訊效率比較高，是一般plc網(wǎng)絡(luò )建設的主流方向。本文采用此種方案組建plc網(wǎng)絡(luò )。系統結構如圖1所示。

圖 1 多臺plc與工控pc機并行聯(lián)網(wǎng)

　3 plc網(wǎng)絡(luò )的硬件組成與連接

　 建立plc網(wǎng)絡(luò )，除了plc設備，還需要建立現場(chǎng)總線(xiàn)can-bus網(wǎng)絡(luò )的設備，主要有rs-232轉can-bus網(wǎng)關(guān)、pci-can接口卡等。

　 rs-232轉can-bus轉換器可以方便地連接到plc設備的rs-232標準通訊端口，使plc設備具有與現場(chǎng)總線(xiàn)can-bus網(wǎng)絡(luò )通訊的能力。轉換器通過(guò)modbus協(xié)議轉換，可以支持不同通訊協(xié)議的plc設備。對于只集成rs-485/422通訊端口的plc設備，可以選擇rs-485轉can-bus轉換器。rs-232轉can轉換器和rs-485轉can轉換器讀者可以自行設計，也可以購買(mǎi)目前市場(chǎng)成熟的產(chǎn)品，如研華的亞當模塊、周立功的智能轉換模塊等。

　 工控pc機內插pci-can接口卡，可以令工控pc機具有現場(chǎng)總線(xiàn)can-bus通訊接口，從而成為can-bus網(wǎng)絡(luò )中的一個(gè)主要功能節點(diǎn)。根據與pc連接方式的不同，pc-can接口卡可以分為很多種不同的類(lèi)型，常見(jiàn)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can接口卡等。

　 pci-can接口卡一般都提供有can-bus測試工具、api開(kāi)發(fā)例程、opc服務(wù)器軟件等。利用“虛擬串口服務(wù)器”軟件可以開(kāi)發(fā)基于串口通訊的軟件項目，組建基于can總線(xiàn)的plc網(wǎng)絡(luò )。

　4 三菱－西門(mén)子can網(wǎng)絡(luò )集成案例

　4.1 原理設計

　在某印染廠(chǎng)的印染控制系統中，有兩臺瑞士布賽5v型平網(wǎng)印花機、三臺臺灣奇正平網(wǎng)印花機、2臺日本東升平網(wǎng)印花機以及2臺兩臺德國的mbk圓網(wǎng)印花機，這些設備的主控制器是西門(mén)子的s7-200以及日本三菱的fx系列的plc。為了使印染廠(chǎng)的印染控制系統能夠在一臺上進(jìn)行監控以及控制，單臺plc進(jìn)行現場(chǎng)設備信號的采集和控制，由于各個(gè)現場(chǎng)plc工作點(diǎn)距離較遠遠，工控機pc不可能實(shí)現每一臺plc設備的單獨電纜連接。因此，將各臺plc設備通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)can-bus網(wǎng)絡(luò )連接，組建一個(gè)地區范圍內的plc網(wǎng)絡(luò )，從而實(shí)現plc遠程維護、數據實(shí)時(shí)監控，既能夠大大提高系統的管理效率，也可以有效地降低網(wǎng)絡(luò )建設成本。

　 每臺平網(wǎng)印花機plc設備集成有1個(gè)rs-4852串行通訊端口，通過(guò)can轉rs-485轉換器連接到現場(chǎng)總線(xiàn)can-bus網(wǎng)絡(luò )。工控機pc內置1塊pci-can接口卡，型號為pci-1680接口卡，可以使工控機成為can-bus網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)，能夠同時(shí)管理九臺平網(wǎng)印花機。

　 plc串行通訊協(xié)議實(shí)現，不同廠(chǎng)家，plc的串行通訊協(xié)議不同，本就以本項目所用的s7-200為例說(shuō)明其通訊方法。s7-200系列plc配有rs-485標準串行接口，可實(shí)現下列四種網(wǎng)絡(luò )的連接：

　 (1) simatic s7-200網(wǎng)絡(luò )(ppi協(xié)議)；

　 (2) 用戶(hù)可編程接口協(xié)議(自由口模式)采用可編程自由口通信模式(free port mode)；

　 (3) profibus-dp網(wǎng)絡(luò )。

　4.2 系統通訊

　 本項目采用自由口通訊的模式，與自由口模式有關(guān)的特殊寄存器及相關(guān)的位：

　 (1) 控制字寄存器smb30：s7-200plc的通信模式由smb30設置，當mm=01時(shí)plc工作于自由口模式。

　(2) 通信接收字符緩沖器smb2：smb2是一個(gè)暫態(tài)寄存器，用于存放在自由口通信方式下接收到的當前字符，用戶(hù)在下一步應從這里取走其中的內容，通過(guò)編程控制將接收到的字符一個(gè)一個(gè)由smb2移入接收緩沖區。

　　(3) 通信校驗結果標志位smb3.0：plc按smb30規定的奇偶校驗方式對所接收到的數據作校驗。如果校驗有錯，plc自動(dòng)將smb3.0置1，sm3.0=0表示奇偶校驗正確。根據這個(gè)標志，可決定對當前信息的取舍，還可以在出錯的情況下，將此錯誤位發(fā)送給對方，以便要求它重發(fā)。

　 (4) 工作方式標志位sm0.7：s7-200系列plc只有處于運行(run)方式時(shí)才能進(jìn)行自由口模式通信，而在停止(stop) 方式時(shí)只能以ppi模式通信。當plc處于run方式時(shí)sm0.7=1，否則sm0.7=0，因此可通過(guò)判斷sm0.7的狀態(tài)來(lái)打開(kāi)或關(guān)閉自由口通信。

　 (5) 發(fā)送器空標志sm4.5及收發(fā)指令：s7-200plc有專(zhuān)門(mén)的發(fā)送指令：xmt table port table為發(fā)送數據的字節數即數據長(cháng)度，最大為225；port指定通信口，自由口模式下必須為0。當正發(fā)送數據信息時(shí)，特殊存儲器位sm4.5=0，當發(fā)送完成后，sm4.5=1，因此可通過(guò)判斷sm4.5的狀態(tài)來(lái)進(jìn)行發(fā)送后處理，也可直接用發(fā)送中斷來(lái)處理。cpu215 cpu216還提供了接收控制指令：rcv table port與smb86 smb94 smb 186 smb 194寄存器配合，用以改變(初始化或終止)接收信息。

　plc串行通訊程序執行時(shí)，在每一個(gè)掃描周期的開(kāi)