紡織廠基于CAN總線多PLC組網(wǎng)系統(tǒng)的實現(xiàn)

　1 引言

　目前，一般常見plc型號都沒有集成現(xiàn)場總線can-bus的通訊功能接口，因而不便于基于can總線多臺plc控制網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)。隨著應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)經(jīng)常會出現(xiàn)需要n臺plc協(xié)同完成一個系統(tǒng)的綜合控制。此時，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(yīng)運而生。

　本文提出了一種基于現(xiàn)場總線can-bus的plc網(wǎng)絡(luò)方案，能夠?qū)Χ嗯_聯(lián)網(wǎng)的plc實現(xiàn)遠(yuǎn)程配置、數(shù)據(jù)通信，并能夠在投入較低硬件成本的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)良好的系統(tǒng)運行性能。這個方案不僅充分發(fā)揮了現(xiàn)場總線can-bus的通信特點：實時、可靠、高速、遠(yuǎn)距離、易維護(hù)等，而且將現(xiàn)場總線技術(shù)與集中控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合，聯(lián)網(wǎng)后的plc網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)成一個性能優(yōu)越的dcs系統(tǒng)；用戶在同一個主控制器(pc機(jī))上可以遠(yuǎn)程監(jiān)控、改變?nèi)魏我慌_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rs-232或rs-485通訊端口，用于與其他控制設(shè)備通訊；這些通訊端口支持有限的通訊協(xié)議，實現(xiàn)plc設(shè)備的通訊與配置。本項目利用plc自身的通訊端口，將其擴(kuò)展成為能夠與多臺設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)基于現(xiàn)場總線can-bus多臺plc網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)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(kuò)hmi人機(jī)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rs-232/rs-485轉(zhuǎn)can-bus網(wǎng)關(guān)進(jìn)行信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)can-bus網(wǎng)關(guān)都可以設(shè)定一個獨立的設(shè)備id號，長度為11位或29位，用作為該plc單元的地址。

　 通過上述方式組建的plc網(wǎng)絡(luò)，任何一臺plc均可以主動發(fā)起數(shù)據(jù)通訊，由can-bus網(wǎng)關(guān)起硬件自動仲裁作用，保障每一次通訊的數(shù)據(jù)不丟失；網(wǎng)絡(luò)中的plc數(shù)量不受限制，數(shù)百、上千臺plc都可以連接在同一現(xiàn)場總線can-bus網(wǎng)絡(luò)中。同時，plc網(wǎng)絡(luò)中可以連接具有can-bus通訊接口的hmi人機(jī)界面。

　 2.2 多臺plc與工控pc并行聯(lián)網(wǎng)

　 工控pc機(jī)內(nèi)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)，通過連接在can-bus網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)rs-232/rs-485轉(zhuǎn)can-bus轉(zhuǎn)換器，借助于can-bus網(wǎng)絡(luò)配套的“虛擬串口”軟件，建立多達(dá)2047個標(biāo)準(zhǔn)的串行通訊端口，從而連接多達(dá)2047條串行網(wǎng)絡(luò)。即在一條普通雙絞線上連接多達(dá)2047臺plc設(shè)備，工控pc機(jī)訪問連接在can-bus網(wǎng)絡(luò)上的plc設(shè)備，與操作標(biāo)準(zhǔn)串口完全一致。這種方式可以充分發(fā)揮工控pc機(jī)的作用，通訊效率比較高，是一般plc網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的主流方向。本文采用此種方案組建plc網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖 1 多臺plc與工控pc機(jī)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(shè)備，還需要建立現(xiàn)場總線can-bus網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，主要有rs-232轉(zhuǎn)can-bus網(wǎng)關(guān)、pci-can接口卡等。

　 rs-232轉(zhuǎn)can-bus轉(zhuǎn)換器可以方便地連接到plc設(shè)備的rs-232標(biāo)準(zhǔn)通訊端口，使plc設(shè)備具有與現(xiàn)場總線can-bus網(wǎng)絡(luò)通訊的能力。轉(zhuǎn)換器通過modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換，可以支持不同通訊協(xié)議的plc設(shè)備。對于只集成rs-485/422通訊端口的plc設(shè)備，可以選擇rs-485轉(zhuǎn)can-bus轉(zhuǎn)換器。rs-232轉(zhuǎn)can轉(zhuǎn)換器和rs-485轉(zhuǎn)can轉(zhuǎn)換器讀者可以自行設(shè)計，也可以購買目前市場成熟的產(chǎn)品，如研華的亞當(dāng)模塊、周立功的智能轉(zhuǎn)換模塊等。

　 工控pc機(jī)內(nèi)插pci-can接口卡，可以令工控pc機(jī)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。

　 pci-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。利用“虛擬串口服務(wù)器”軟件可以開發(fā)基于串口通訊的軟件項目，組建基于can總線的plc網(wǎng)絡(luò)。

　4 三菱－西門子can網(wǎng)絡(luò)集成案例

　4.1 原理設(shè)計

　在某印染廠的印染控制系統(tǒng)中，有兩臺瑞士布賽5v型平網(wǎng)印花機(jī)、三臺臺灣奇正平網(wǎng)印花機(jī)、2臺日本東升平網(wǎng)印花機(jī)以及2臺兩臺德國的mbk圓網(wǎng)印花機(jī)，這些設(shè)備的主控制器是西門子的s7-200以及日本三菱的fx系列的plc。為了使印染廠的印染控制系統(tǒng)能夠在一臺上進(jìn)行監(jiān)控以及控制，單臺plc進(jìn)行現(xiàn)場設(shè)備信號的采集和控制，由于各個現(xiàn)場plc工作點距離較遠(yuǎn)遠(yuǎn)，工控機(jī)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。

　 每臺平網(wǎng)印花機(jī)plc設(shè)備集成有1個rs-4852串行通訊端口，通過can轉(zhuǎn)rs-485轉(zhuǎn)換器連接到現(xiàn)場總線can-bus網(wǎng)絡(luò)。工控機(jī)pc內(nèi)置1塊pci-can接口卡，型號為pci-1680接口卡，可以使工控機(jī)成為can-bus網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，能夠同時管理九臺平網(wǎng)印花機(jī)。

　 plc串行通訊協(xié)議實現(xiàn)，不同廠家，plc的串行通訊協(xié)議不同，本就以本項目所用的s7-200為例說明其通訊方法。s7-200系列plc配有rs-485標(biāo)準(zhǔn)串行接口，可實現(xiàn)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(tǒng)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(shè)置，當(dāng)mm=01時plc工作于自由口模式。

　(2) 通信接收字符緩沖器smb2：smb2是一個暫態(tài)寄存器，用于存放在自由口通信方式下接收到的當(dāng)前字符，用戶在下一步應(yīng)從這里取走其中的內(nèi)容，通過編程控制將接收到的字符一個一個由smb2移入接收緩沖區(qū)。

　　(3) 通信校驗結(jié)果標(biāo)志位smb3.0：plc按smb30規(guī)定的奇偶校驗方式對所接收到的數(shù)據(jù)作校驗。如果校驗有錯，plc自動將smb3.0置1，sm3.0=0表示奇偶校驗正確。根據(jù)這個標(biāo)志，可決定對當(dāng)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(biāo)志位sm0.7：s7-200系列plc只有處于運行(run)方式時才能進(jìn)行自由口模式通信，而在停止(stop) 方式時只能以ppi模式通信。當(dāng)plc處于run方式時sm0.7=1，否則sm0.7=0，因此可通過判斷sm0.7的狀態(tài)來打開或關(guān)閉自由口通信。

　 (5) 發(fā)送器空標(biāo)志sm4.5及收發(fā)指令：s7-200plc有專門的發(fā)送指令：xmt table port table為發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)即數(shù)據(jù)長度，最大為225；port指定通信口，自由口模式下必須為0。當(dāng)正發(fā)送數(shù)據(jù)信息時，特殊存儲器位sm4.5=0，當(dāng)發(fā)送完成后，sm4.5=1，因此可通過判斷sm4.5的狀態(tài)來進(jìn)行發(fā)送后處理，也可直接用發(fā)送中斷來處理。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(zhí)行時，在每一個掃描周期的開