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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先进的现场总线网络,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。
一、工厂自动化网络结构
工厂自动化网络结构如图1所示，它主要包括现场设备层、车间监控层和工厂管理层3个层次的内容。
图1 工厂自动化网络结构
1、现场设备层
主要功能是连接现场设备，例如分布式i/o、、驱动器、执行机构和开关设备等，完成现场设备控制及设备间连锁控制。在这里可以采用as-i和profibus通讯总线来进行控制。
2、车间监控层
车间监控层又称为单元层，用来完成车间主生产设备之间的连接，包括生产设备状态的在线监控、设备故障报警及维护等。还有生产统计、生产调度等功能。传输速度不是重要的，但是应能传送大容量的信息。在这里主要采用profinet通讯总线来进行控制。
3、工厂管理层
车间操作员工作站通过以太网集线器与车间办公管理网连接，将车间生产数据送到车间管理层。车间管理网作为工厂主网的一个子网，连接到厂区骨干网，将车间数据集成到工厂管理层。
二、profibus通讯概述
1、概述
profibus是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的标准，它广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通等其他领域自动化。profibus 已被纳入现场总线的iec 61158 和欧洲标准en 50170，并于2001 年被定为我国的国家标准jb/t10308.3-2001。
profibus由三个兼容部分组成，即profibus-dp（ decentralized periphery）、profibus-pa（process automation ）和profibus-fms (fieldbus message specification )。其中profibus-dp是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式i／o的通信，使用profibus－dp可取代办24vdc或4－20ma信号传输。而profibus-pa是专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。profibus-fms则用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。
profibus是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。
与其它现场总线系统相比，profibus的大优点在于具有稳定的en50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性。目前已应用的领域包括加工制造．过程控制和自动化等。profibus开放性和不依赖于厂商的通信的设想，已在10多万成功应用中得以实现。市场调查确认，在德国和欧洲市场中profibus占开放性工业现场总线系统的市场超过40％。profibus有国际自动化技术装备的生产厂商支持，它们都具有各自的技术优势并能提供广泛的优质新产品和技术服务。
2、可以连接到profibus dp的设备
如图2所示，大多数设备可以作为 dp 主站或 dp 从站连接至 profibus dp，唯一的限制是它们的行为必须符合标准 iec 61784-1：2002 ed1 cp 3/1。对于其它设备，可以使用以下产品系列的设备：
· simatic s7/m7/c7
· simatic s5
· simatic pd/pc
· simatic(操作面板(op)、操作员站(os)以及文本显示(td)操作员控制和监视设备)
· 其它厂商的设备
图2 可以连接到profibus dp的设备
3、profibus 协议结构
图3所示为profibus的协议结构，profibus 采用主站（master）之间的令牌（token）传递方式和主站与从站（slave）之间的主-从方式。当某主站得到令牌报文后可以与所有主站和从站通信。
图3 profibus 协议结构
在总线初始化和起动阶段建立令牌环。在总线运行期间，从令牌环中去掉有故障的主动节点，将新上电的主动节点加入到令牌环中。监视传输介质和收发器是否有故障，检查站点地址是否出错，以及令牌是否丢失或有多个令牌。
dp 主站与dp 从站间的通信基于主-从原理，dp 主站按轮询表依次访问dp 从站。报文循环由dp 主站发出的请求帧（轮询报文）和由dp 从站返回的响应帧组成。
三、profibus硬件
1、profibus 的物理层
可以使用多种通信介质(电、光、红外、导轨以及混合方式)。传输速率9.6k～12m bit/s，假设dp 有32 个站点，所有站点传送512 bit/s输入和512bit/s 输出，在12mbit/s 时只需1ms。每个dp 从站的输入数据和输出数据大为244 字节。使用屏蔽双绞线电缆时长通信距离为9.6km，使用光缆时长90km，多可以接127 个从站。可以使用灵活的拓扑结构，支持线型、树型、环型结构以及冗余的通信模型。
dp 和fms 使用相同的传输技术和统一的总线存取协议，可以在同一根电缆上同时运行。dp/fms 符合eia rs-485 标准（也称为h2），采用屏蔽或非屏蔽双绞线电缆，9.6 kbit/s 到12m bit/s。一个总线段多32 个站，带中继器多127 个站。
2、d 型连接器
profibus 标准推荐总线站与总线的相互连接使用9 针d 型连接器（如图4所示）。a，b 线上的波形相反。信号为1 时b 线为高电平，a 线为低电平。
图4 针d 型连接器
使用该连接器时，注意a1和b1为入线电缆接口端、a2、b2为出线电缆接入端；在接线时将电缆内的绿色芯缆接入a、红色芯缆接b，并将profibus电缆的紫色外皮剥去适宜长度，并保留部分屏蔽层。
