通過現(xiàn)場總線CAN-bus網(wǎng)絡(luò)對多臺PLC進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)控制
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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(dá)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(yuǎn)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(yuǎn),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(yuǎn)程維護(hù)、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(yuǎn)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(dá)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HOSTLINK通訊協(xié)議。
3.HOSTLINK命令幀格式
PC機按HOSTLINK命令幀的格式,向PLC發(fā)送命令。HOSTLINK命令幀見圖2。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201612/331362.htm
圖2 OMRON公司PLC命令幀格式
HOSTLINK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。
HOSTLINK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.HOSTLINK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HOSTLINK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(dá)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(jìn)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(dá)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(jìn)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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