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通过can-bus,可以将多达数十台的中/小型联网,构成一个智能plc网络;同时,主控制器可以与指定的远程plc实现远程配置、控制通信,以及实现组态环境中的应用。
1、plc特点与plc网络
可编程控制器(plc)是一种数字控制专用计算机,它使用了可修改的程序存储器储存指令,执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能,并通过模拟和数字输入、输出等功能组件,控制各种机械或工作程序。长期以来,plc一直在各个行业的自动化控制领域得到广泛的使用,为各种各样的自动化设备提供了非常可靠的控制应用。
plc系统的工作任务相对简单,且需要传输的数据量一般不会太大,所以常见的plc系统为一层网络结构。plc一般应用在小型自控场所,比如设备的控制或少量模拟量的控制及联锁。小范围的集中式控制环境是plc发挥功能的佳舞台。
目前,只有少量型号的plc集成有ethernet或现场总线can-bus通讯接口,价格也较贵;一般常见plc型号没有随本机集成通讯功能,不便于组建多台plc构成的中型控制网络。但是,随着应用技术的发展,经常会出现一些应用场合,在面积较大的范围内,需要n台plc协同完成一个系统的综合控制。此时,原有集中控制的单一plc控制方案就显得力所不及,plc网络的需求也应运而生。
本文提出了一种基于现场总线can-bus的plc网络方案,能够对多台联网的plc实现远程配置、,并能够在投入较低硬件成本的基础上,实现良好的系统运行性能。这个方案也充分发挥了现场总线can-bus的通信特点：实时、可靠、高速、远距离、易维护等。此方案是现场总线技术与集中控制技术的有机结合,联网后的plc网络可以构成一个性能的系统;用户在同一个主控制器上可以远程监控、改变任何一台联网plc的程序或状态。
2、plc网络的两种方式
通用plc一般都会提供1~2个rs-232或rs-485通讯端口,用于与其他控制设备或主控制器pc通讯;这些集成的通讯端口支持自行规定的通讯协议,或者modbus协议,实现plc设备的通讯与配置。构建plc网络,即利用plc本机的这一类通讯端口,将其扩展成为能够与多台设备联网,实现多点通讯的现场总线can-bus通讯接口。
根据网络中主控制器的不同,plc网络可以分为以下方式：
*多台plc联网,各plc地位平等,可外扩。
*多台plc联网,由1台pc作为主控制器与操作界面。
3、多台plc串行联网
通过一个rs-232/rs-485转can-bus网关进行信号转换,独立plc就具有了现场总线can-bus通讯接口。多台具有现场总线can-bus通讯接口的plc之间相互连接,即可以组建plc网络。
每一台连接plc单元的rs-232/rs-485转can-bus网关都可以设定一个独立的设备id号,长度为11位或29位,用作为该plc单元的地址。每一台联网的plc单元在发送数据时,可设定在数据流中自动添加本地网关的设备id号;同理,每一台plc单元在接收数据时,可设定由网关检查数据流中的设备id号,自动接收符合要求的数据。
通过上述方式组建的plc网络,各台plc地位平等,任何一台plc均可以主动发起数据通讯,由can-bus网关起硬件自动仲裁作用,保障每一次通讯的数据不丢失;网络中的plc数量不受限制,数百、上千台plc都可以连接在同一现场总线can-bus网络中。同时,这个plc网络中还可以连接具有can-bus通讯接口的hmi人机界面,或由其中一台plc通过其他的串行通讯端口连接hmi人机界面。
这种方式组建的plc网络,与选择集成can-bus通讯功能的plc设备相比,具有更加灵活的系统扩展能力,也能够获得更好的性价比。
4、多台plc与工控pc并行联网
工控pc能够深入地配合plc厂商提供的各种软件,从而实现更多强大的功能,比如系统配置、人机界面、组态开发等,在plc领域的作用也越来越不可或缺。通常,工控pc与单台plc通过1个串口连接通讯,实现各种扩展功能;但串口的通讯距离、节点数量都受到了串口本身的性能限制。比如,rs-232标准只可以实现“点－点”通讯,rs-485/422标准能够实现32个节点以内的通讯,但通讯距离、抗干扰能力都比较弱,并不能够满足实际工业现场多台plc联网应用的需求。
工控pc内置pc-can接口卡,可以建立起1条或者多条现场总线can-bus网络,并通过连接在can-bus网络中的网关rs-232/rs-485转can-bus转换器,借助于can-bus网络配套的“虚拟串口”软件,建立多达2047个标准的串行通讯端口,从而连接多达2047条串行网络。也就是说,可以在同1条普通双绞线上连接多达2047台plc设备,工控pc访问连接在这条can-bus网络上的plc设备,也与操作标准串口完全一致。这种方式可以充分发挥工控pc的作用,通讯效率也比较高。
通过工控pc组建多台plc网络的系统结构如图 1所示。按这一种方式的建立plc网络的通讯效率较高,应用灵活,是一般plc网络建设的主流方向。
图 1 多台plc与工控pc并行联网
5、plc网络的硬件组成与连接
建立plc网络,除了实现具体功能的plc设备,还需要一些建立现场总线can-bus网络的设备,主要有rs-232转can-bus网关、pc-can接口卡等。
1.rs-232转can-bus网关
can232mb 转换器是一种常用的rs-232转can-bus网关。转换器集成1个rs-232通道、1个can-bus 通道,可以很方便地连接到plc设备的rs-232标准通讯端口,使plc设备具有与现场总线can-bus网络通讯的能力。转换器提供三种工作模式——透明转换、透明带标识转换、modbus协议转换,分别可以支持不同通讯协议的plc设备。通过pc配置软件,can232mb转换器可设定一个独立的11位或29位设备id号,可以用作为该网关所连接plc设备的地址编号,并对往来串口的数据流加以标注或识别。
对于只集成rs-485/422通讯端口的plc设备,可以选择rs-485转can-bus网关。
2.pc-can接口卡
工控pc内置或外接pc-can接口卡,可以令工控pc具有现场总线can-bus通讯接口,从而成为can-bus网络中的一个主要功能节点。根据与pc连接方式的不同,pc-can接口卡可以分为很多种不同的类型,常见的型号有pci-can接口卡、isa-can接口卡、pc104-can接口卡、usbcan接口卡、以太网转can接口卡等。
pc-can接口卡一般都提供有can-bus测试工具、api开发例程、opc服务器软件等。配套的“虚拟串口服务器”软件可以在不修改原有pc软件的基础上,开发基于串口通讯的软件项目,比如plc网络。
3.通讯附件
通讯电缆是现场总线can-bus网络的重要组件。通讯电缆的合理选择,对can-bus网络的通讯距离也有非常重要的影响。使用国标awg18(截面积为φ0.75 mm2)的双绞线作为can-bus网络的通讯电缆,可以在1km距离内实现可靠通讯;使用截面积为φ1.5 mm2的普通双绞线,则可以达到6~7km的通讯距离。
现场总线can-bus网络在布线时,必须注意终端电阻的连接。主干线的远两端必须各连接一个120ω的终端电阻。
另外,can-bus网络的分支线不宜过长,当网络通讯速率为20kbps时,建议每一条连接plc设备的分支线长度小于100米。
6、应用实例
在一个实际的油田控制系统中,需要由超过32台plc组建一个中型plc网络。每一台plc用于控制一套工作井站的现场设备。选用plc型号为omron公司cpm2a系列,不支持现场总线can-bus网络,但集成有1个rs-232通讯端口。单台plc之间的大距离超过了10km距离,但这个油田控制系统要求能够在同一个主控制器上,对每一台现场的plc实时监控。由于各个现场plc工作点距离很远,主控制器pc不可能实现每一台plc设备的单独电缆连接。因此,将各台plc设备通过现场总线can-bus网络连接,组建一个地区范围内的plc网络,从而实现plc远程维护、数据实时监控,既能够大大提高系统的管理效率,也可以有效地降低网络建设成本。
井站的plc设备集成有1个rs-232串行通讯端口,通过can232mb转换器连接到现场总线can-bus网络。主控制器pc内置1块pc-can接口卡,型号为pci-9840接口卡,可以使pc成为can-bus网络中的节点,能够同时管理4路物理独立的can-bus网络。
1.can-bus网络
现场总线can-bus网络的拓扑结构一般使用直线结构。所有can-bus设备节点通过短分支线连接至can-bus网络的主干线;短分支线不宜过长,一般必须小于30米。如果因网络布线、地理环境等因素,需要改变can-bus网络的拓扑结构,则可以通过canbridge网桥或canhub集线器。
在can-bus网络布线中,必须注意终端电阻的连接。can-bus主干线的远两端必须各端接一个120ω的终端电阻;主干线上的其它任何can-bus节点则不用连接终端电阻。
设定为5kbps波特率时,使用截面积为φ1.5 mm2的双绞线,至少可以达到6~7km的通讯距离。通常,随着通讯距离的加长,需要适当加大通讯电缆线的截面积。
当网络连接设备数量大于110或距离超过10km时,在合理位置安装canbridge网桥,就可以使can-bus网络延长1倍的通讯距离,并可增加连接220个的can-bus节点数目。
2.plc串行通讯协议
omron公司cpm系列中小型plc的串行通讯使用“命令－应答”通信方式,工控pc可通过对串口编程的方式与cpm系列plc实现数据通信。pc与plc实现一次数据交换的过程,即传输的命令和应答之数据总和称为一帧,一帧多可包含131个数据字符。
omron公司plc采用hostbbbb通讯协议。
3.hostbbbb命令帧格式
pc机按hostbbbb命令帧的格式,向plc发送命令。hostbbbb命令帧见图2。
图2 omron公司plc命令帧格式
hostbbbb命令帧的规定如下：
*@符号必须置于每个命令的开头;
*节点号,用来辨识每一台plc的节点地址;
*读/写,指明plc的哪个寄存器单元,例读写ir/sr区时它的识别码设置分别为rr和wr,读写dm区分别为rd和wd。
*fcs,设置两字符的帧检查顺序码,是一个转换成2个ascii字符的8位数据,这8位数据为从帧开始到正文结束(即fcs之前)所有数据执行“异或”操作的结果。
*终止符设置“*”和回车两字符,表示命令结束。
hostbbbb命令帧可以有多131个字符长。一个等于或大于132字符的命令必须分成若干帧。命令分段,使用回车定界符(chr $(13))。
4.hostbbbb应答帧格式
plc对于接收到的命令帧,都会给予数据响应,发送hostbbbb应答帧,格式见图3。
图3 omron公司plc应答帧格式
识别码、正文取决于plc接收到的上位机联结命令,结束字表示命令完成的状态(即是否有错误发生),当应答帧的长度超过132字符,它必须分成若干帧。
结束字是应答帧中表示plc应答的信息。结束字代码为00表示正常结束,13表示fcs错误,14表示格式错误,15表示入口码数据错误,18表示帧长度错误,a3表示传输数据时因fcs错误引起终止,a8表示传输数据时,因帧长度错误引起终止。
5.plc与网关can232mb的连接
cpm系列plc集成1个rs-232串行通讯端口,采用db9孔型插座;can232mb转换器集成1个rs-232串行通讯端口,也采用db9孔型插座。
串行通信电缆一端连接can232mb转换器,另一端连接cpm系列plc。注意,通讯电缆的两个db9端口不可互换。通讯电缆的连接示意如图 4所示。
图4 plc通信电缆的引脚连接
6.plc与网关can485mb的连接
omron公司的cxp软件可以在一个rs-485标准的串行通讯端口上连接多达32台cpm2a系列plc设备;每台plc设备都需要预先设定一个唯一的5位地址编号,用于在rs-485网络中区分各台plc设备。
rs-485标准是一种多点网络通讯方式。通过网关can485mb转换器,可以建立一个符合rs-485标准的虚拟串口。cpm2a系列plc可以借助于rs-232转rs-485电平转换器,得到一个rs-485标准的通讯端口。（http://www.diangon.com/版权所有）多台预设地址编号的plc可以通过rs-485串行通讯方式联网,并与can485mb转换器组成1~32个节点、1km距离范围内、rs-485标准的plc网络。
按上述方式,整个地区的plc网络可以由多个网关can485mb转换器构建面成,而每一个网关can485mb转换器都可以组建一个rs-485标准的小型plc网络构成。这样,就可以形成大型的星形plc 网络。
7.plc网络的组态开发
通过网关can232mb/can485mb转换器可以建立多个虚拟串口,用于连接plc设备。虚拟串口的操作方式与pc标准串口完全相同。
通常的组态环境(例如昆仑通态mcgs、组态王kingview等)都可以按串行通讯设备驱动的方式支持omron公司plc设备的开发。如果组态环境可以支持按多串口方式扩展的多台plc设备,同样也可以支持基于现场总线can-bus网络的虚拟串口方式构建的串行plc网络。
需要注意的是,串行plc网络基于现场总线can-bus而构建,每一条命令帧/响应帧都需要一定的传输时间。例如,当can-bus总线的通讯波特率设置为10kbps时,传输30字节的命令帧至少约需60ms传输时间;加上响应帧的延迟,plc网络中的任何一台plc与工控pc需要约150ms才能够执行1次完整的通讯过程。这一时间即单台plc通讯周期。按此参数计算,当使用1条现场总线can-bus网络,建立有30台plc设备构成的plc网络时,工控pc主动查询一遍所有plc设备的状态,大概需要花费约30倍的单台plc通讯周期。应用组态环境开发plc网络时,用户必须重视网络的通讯延迟因素,并在组态环境中设置相关的定时参数;否则,可能会导致组态环境不能够正常运行。
我们可以通过一些方法来提高plc网络的响应速度。解决方法之一是增加can-bus网络的数量,由此减少每一个can-bus网络中的plc设备数量;另外,提高can-bus网络的通讯波特率也可以获得相同的效果,其代价是会缩短can-bus网络的通讯距离。
7、结语
本文介绍的实例“通过现场总线can-bus网络对多台plc进行联网控制”已经通过了实际项目的运行考验,现场作业的网络长度达到7km以上。在系统的实际运行中,现场总线can-bus的稳定性、抗干扰能力得到充分的体现。在这个工程项目中,不需要改变原有的pc控制平台,可以将现有控制设备无缝地嵌入**的现场总线网络,构成新一代的dcs分布式控制系统。方案以较低的成本投入,换取了现场自动化网络的大跨度提升。
1、主站的创建
网络配置的步，一般是首先创建profibus网络的主站，主站创建需要建立项目、确定cpu型号、配置机架、模块、i/o模块等基本操作。
在主站配置完成后，保存配置并退出到图1所示的项目编辑画面。右键单击dp，即会弹出“添加主站系统”菜单。
图1 添加主站系统
2、profibus接口dp的参数设置
profibus接口dp的参数设置包括地址（如本案例选择为2），然后点击“新建子网”，如图2所示，设置传输率、配置文件。
图2 dp主站的属性
一旦新建网络后，就会出现子网profibus（1），如图3所示。
图3 新建子网
3、profibus主站系统
按照上述步骤完成后，点击“确定”后，这时在硬件配置页面将出现一条与dp接口连接的母线，即“profibus（1）：dp主站系统（1）”，如图4所示。
图4 出现dp主站系统
4、profibus从站的配置
在dp主站母线上点击右键，将出现如图5所示的菜单按照上述步骤完成后，点击“确定”后，这时在硬件配置页面将出现一条与dp接口连接的profibus（1）：dp主站系统（1）。
图5 dp主站上配置从站
在从站的菜单中选择所配置的智能模块，比如本案例选择em277模块，如图6所示。如果没有安装em277的gsd文件，则通过菜单命令“选项” | “安装gsd文件”进行操作。
图6 选择em277模块
对于em277从站还必须设置参数属性，如图7所示。
图7 设置dp从站em277的属性
em277从站参数设置完成后，即会出现如图8所示的从站图标。
图8 出现em277从站图标
点击em277从站图标，可以设置dp从站的常规属性。完成dp从站的参数后，在硬件配置的下面窗口还必须设置em277的订货号与标识，如图9所示，在这里选择“8 bytes out/ 8 bytes in”，点击确认后就会出现图10所示的终em277从站标识。
图9 设置em277的订货号与标识
图10 终的em277从站标识