通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線CAN-bus網(wǎng)絡(luò)對(duì)多臺(tái)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(chǎng)總線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(jié)點(diǎn)。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(jiàn)的型號(hào)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(cè)試工具、API開(kāi)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(kāi)發(fā)基于串口通訊的軟件項(xiàng)目,比如PLC網(wǎng)絡(luò)。
3.通訊附件
通訊電纜是現(xiàn)場(chǎng)總線CAN-bus網(wǎng)絡(luò)的重要組件。通訊電纜的合理選擇,對(duì)CAN-bus網(wǎng)絡(luò)的通訊距離也有非常重要的影響。使用國(guó)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(shí)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(chǎng)總線CAN-bus網(wǎng)絡(luò)在布線時(shí),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(gè)120Ω的終端電阻。
另外,CAN-bus網(wǎng)絡(luò)的分支線不宜過(guò)長(zhǎng),當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通訊速率為20Kbps時(shí),建議每一條連接PLC設(shè)備的分支線長(zhǎng)度小于100米。
6、應(yīng)用實(shí)例
在一個(gè)實(shí)際的油田控制系統(tǒng)中,需要由超過(guò)32臺(tái)PLC組建一個(gè)中型PLC網(wǎng)絡(luò)。每一臺(tái)PLC用于控制一套工作井站的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。選用PLC型號(hào)為OMRON公司CPM2A系列,不支持現(xiàn)場(chǎng)總線CAN-bus網(wǎng)絡(luò),但集成有1個(gè)RS-232通訊端口。單臺(tái)PLC之間的最大距離超過(guò)了10Km距離,但這個(gè)油田控制系統(tǒng)要求能夠在同一個(gè)主控制器上,對(duì)每一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)的PLC實(shí)時(shí)監(jiān)控。由于各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)PLC工作點(diǎn)距離很遠(yuǎn),主控制器PC不可能實(shí)現(xiàn)每一臺(tái)PLC設(shè)備的單獨(dú)電纜連接。因此,將各臺(tái)PLC設(shè)備通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線CAN-bus網(wǎng)絡(luò)連接,組建一個(gè)地區(qū)范圍內(nèi)的PLC網(wǎng)絡(luò),從而實(shí)現(xiàn)PLC遠(yuǎn)程維護(hù)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(gè)RS-232串行通訊端口,通過(guò)CAN232MB轉(zhuǎn)換器連接到現(xiàn)場(chǎng)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(hào)為PCI-9840接口卡,可以使PC成為CAN-bus網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn),能夠同時(shí)管理4路物理獨(dú)立的CAN-bus網(wǎng)絡(luò)。
1.CAN-bus網(wǎng)絡(luò)
現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)通過(guò)短分支線連接至CAN-bus網(wǎng)絡(luò)的主干線;短分支線不宜過(guò)長(zhǎng),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(guò)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(gè)120Ω的終端電阻;主干線上的其它任何CAN-bus節(jié)點(diǎn)則不用連接終端電阻。
設(shè)定為5Kbps波特率時(shí),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(zhǎng),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(guò)10Km時(shí),在合理位置安裝CANbridge網(wǎng)橋,就可以使CAN-bus網(wǎng)絡(luò)延長(zhǎng)1倍的通訊距離,并可增加連接220個(gè)的CAN-bus節(jié)點(diǎn)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(guò)對(duì)串口編程的方式與CPM系列PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。PC與PLC實(shí)現(xiàn)一次數(shù)據(jù)交換的過(guò)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(gè)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(jī)按HOSTLINK命令幀的格式,向PLC發(fā)送命令。HOSTLINK命令幀見(jiàn)圖2。本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/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(hào)必須置于每個(gè)命令的開(kāi)頭;
*節(jié)點(diǎn)號(hào),用來(lái)辨識(shí)每一臺(tái)PLC的節(jié)點(diǎn)地址;
*讀/寫(xiě),指明PLC的哪個(gè)寄存器單元,例讀寫(xiě)IR/SR區(qū)時(shí)它的識(shí)別碼設(shè)置分別為RR和WR,讀寫(xiě)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(gè)轉(zhuǎn)換成2個(gè)ASCII字符的8位數(shù)據(jù),這8位數(shù)據(jù)為從幀開(kāi)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(chē)兩字符,表示命令結(jié)束。
HOSTLINK命令幀可以有最多131個(gè)字符長(zhǎng)。一個(gè)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(chē)定界符(CHR $(13))。
4.HOSTLINK應(yīng)答幀格式
PLC對(duì)于接收到的命令幀,都會(huì)給予數(shù)據(jù)響應(yīng),發(fā)送HOSTLINK應(yīng)答幀,格式見(jiàn)圖3。
圖3 OMRON公司PLC應(yīng)答幀格式
識(shí)別碼、正文取決于PLC接收到的上位機(jī)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(cuò)誤發(fā)生),當(dāng)應(yīng)答幀的長(zhǎng)度超過(guò)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(cuò)誤,14表示格式錯(cuò)誤,15表示入口碼數(shù)據(jù)錯(cuò)誤,18表示幀長(zhǎng)度錯(cuò)誤,A3表示傳輸數(shù)據(jù)時(shí)因FCS錯(cuò)誤引起終止,A8表示傳輸數(shù)據(jù)時(shí),因幀長(zhǎng)度錯(cuò)誤引起終止。
5.PLC與網(wǎng)關(guān)CAN232MB的連接
CPM系列PLC集成1個(gè)RS-232串行通訊端口,采用DB9孔型插座;CAN232MB轉(zhuǎn)換器集成1個(gè)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(gè)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(gè)RS-485標(biāo)準(zhǔn)的串行通訊端口上連接多達(dá)32臺(tái)CPM2A系列PLC設(shè)備;每臺(tái)PLC設(shè)備都需要預(yù)先設(shè)定一個(gè)唯一的5位地址編號(hào),用于在RS-485網(wǎng)絡(luò)中區(qū)分各臺(tái)PLC設(shè)備。
RS-485標(biāo)準(zhǔn)是一種多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通訊方式。通過(guò)網(wǎng)關(guān)CAN485MB轉(zhuǎn)換器,可以建立一個(gè)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(gè)RS-485標(biāo)準(zhǔn)的通訊端口。（http://www.diangon.com/版權(quán)所有）多臺(tái)預(yù)設(shè)地址編號(hào)的PLC可以通過(guò)RS-485串行通訊方式聯(lián)網(wǎng),并與CAN485MB轉(zhuǎn)換器組成1~32個(gè)節(jié)點(diǎn)、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(gè)地區(qū)的PLC網(wǎng)絡(luò)可以由多個(gè)網(wǎng)關(guān)CAN485MB轉(zhuǎn)換器構(gòu)建面成,而每一個(gè)網(wǎng)關(guān)CAN485MB轉(zhuǎn)換器都可以組建一個(gè)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(kāi)發(fā)
通過(guò)網(wǎng)關(guān)CAN232MB/CAN485MB轉(zhuǎn)換器可以建立多個(gè)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(dòng)的方式支持OMRON公司PLC設(shè)備的開(kāi)發(fā)。如果組態(tài)環(huán)境可以支持按多串口方式擴(kuò)展的多臺(tái)PLC設(shè)備,同樣也可以支持基于現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(shí)間。例如,當(dāng)CAN-bus總線的通訊波特率設(shè)置為10Kbps時(shí),傳輸30字節(jié)的命令幀至少約需60mS傳輸時(shí)間;加上響應(yīng)幀的延遲,PLC網(wǎng)絡(luò)中的任何一臺(tái)PLC與工控PC需要約150mS才能夠執(zhí)行1次完整的通訊過(guò)程。這一時(shí)間即單臺(tái)PLC通訊周期。按此參數(shù)計(jì)算,當(dāng)使用1條現(xiàn)場(chǎng)總線CAN-bus網(wǎng)絡(luò),建立有30臺(tái)PLC設(shè)備構(gòu)成的PLC網(wǎng)絡(luò)時(shí),工控PC主動(dòng)查詢一遍所有PLC設(shè)備的狀態(tài),大概需要花費(fèi)約30倍的單臺(tái)PLC通訊周期。應(yīng)用組態(tài)環(huán)境開(kāi)發(fā)PLC網(wǎng)絡(luò)時(shí),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(shí)參數(shù);否則,可能會(huì)導(dǎo)致組態(tài)環(huán)境不能夠正常運(yùn)行。
我們可以通過(guò)一些方法來(lái)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(gè)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(jià)是會(huì)縮短CAN-bus網(wǎng)絡(luò)的通訊距離。
7、結(jié)語(yǔ)
本文介紹的實(shí)例“通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線CAN-bus網(wǎng)絡(luò)對(duì)多臺(tái)PLC進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)控制”已經(jīng)通過(guò)了實(shí)際項(xiàng)目的運(yùn)行考驗(yàn),現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)度達(dá)到7Km以上。在系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中,現(xiàn)場(chǎng)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(gè)工程項(xiàng)目中,不需要改變?cè)械腜C控制平臺(tái),可以將現(xiàn)有控制設(shè)備無(wú)縫地嵌入先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的大跨度提升。
評(píng)論