1 引言
目前，一般常見plc型號(hào)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(tái)plc控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)。隨著應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)需要n臺(tái)plc協(xié)同完成一個(gè)系統(tǒng)的綜合控制。此時(shí)，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(yùn)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_(tái)聯(lián)網(wǎng)的plc實(shí)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(shí)現(xiàn)良好的系統(tǒng)運(yùn)行性能。這個(gè)方案不僅充分發(fā)揮了現(xiàn)場總線can-bus的通信特點(diǎn)：實(shí)時(shí)、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(gè)性能優(yōu)越的dcs系統(tǒng)；用戶在同一個(gè)主控制器(pc機(jī))上可以遠(yuǎn)程監(jiān)控、改變?nèi)魏我慌_(tái)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(gè)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(shí)現(xiàn)plc設(shè)備的通訊與配置。本項(xiàng)目利用plc自身的通訊端口，將其擴(kuò)展成為能夠與多臺(tái)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)基于現(xiàn)場總線can-bus多臺(tái)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(tái)plc聯(lián)網(wǎng)，各plc地位平等，可外擴(kuò)hmi人機(jī)界面；多臺(tái)plc聯(lián)網(wǎng)，由1臺(tái)工控pc作為主控制器與操作界面。本文重點(diǎn)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(hào)轉(zhuǎn)換使plc具有can-bus通訊接口。多臺(tái)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(tái)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(gè)獨(dú)立的設(shè)備id號(hào)，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(tái)plc均可以主動(dòng)發(fā)起數(shù)據(jù)通訊，由can-bus網(wǎng)關(guān)起硬件自動(dòng)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(tái)plc都可以連接在同一現(xiàn)場總線can-bus網(wǎng)絡(luò)中。同時(shí)，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(tái)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(gè)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(tái)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(tái)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(jì)，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(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。
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(xiàng)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(jì)
在某印染廠的印染控制系統(tǒng)中，有兩臺(tái)瑞士布賽5v型平網(wǎng)印花機(jī)、三臺(tái)臺(tái)灣奇正平網(wǎng)印花機(jī)、2臺(tái)日本東升平網(wǎng)印花機(jī)以及2臺(tái)兩臺(tái)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(tái)上進(jìn)行監(jiān)控以及控制，單臺(tái)plc進(jìn)行現(xiàn)場設(shè)備信號(hào)的采集和控制，由于各個(gè)現(xiàn)場plc工作點(diǎn)距離較遠(yuǎn)遠(yuǎn)，工控機(jī)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)備通過現(xiàn)場總線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。
每臺(tái)平網(wǎng)印花機(jī)plc設(shè)備集成有1個(gè)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(hào)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(diǎn)，能夠同時(shí)管理九臺(tái)平網(wǎng)印花機(jī)。
plc串行通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)，不同廠家，plc的串行通訊協(xié)議不同，本就以本項(xiàng)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(shí)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(xiàng)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(shí)plc工作于自由口模式。
(2) 通信接收字符緩沖器smb2：smb2是一個(gè)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(gè)一個(gè)由smb2移入接收緩沖區(qū)。
(3) 通信校驗(yàn)結(jié)果標(biāo)志位smb3.0：plc按smb30規(guī)定的奇偶校驗(yàn)方式對所接收到的數(shù)據(jù)作校驗(yàn)。如果校驗(yàn)有錯(cuò)，plc自動(dòng)將smb3.0置1，sm3.0=0表示奇偶校驗(yàn)正確。根據(jù)這個(gè)標(biāo)志，可決定對當(dāng)前信息的取舍，還可以在出錯(cuò)的情況下，將此錯(cuò)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(yùn)行(run)方式時(shí)才能進(jìn)行自由口模式通信，而在停止(stop) 方式時(shí)只能以ppi模式通信。當(dāng)plc處于run方式時(shí)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(shí)，特殊存儲(chǔ)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(shí)，在每一個(gè)掃描周期的開始，都要檢查sm0.7的狀態(tài)，若plc處于run方式即sm0.7=1，則打開自由口模式并設(shè)置其它相關(guān)的波特率、奇偶校驗(yàn)等參數(shù)，否則置自由口模式無效。
5 結(jié)束語
本文介紹的基于can總線多臺(tái)plc組網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，在系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)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)。工程項(xiàng)目不需要改變原有的現(xiàn)場設(shè)備控制平臺(tái)，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)成新一代的紡織自動(dòng)化集成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為紡織工程mes和erp提供現(xiàn)場信息自動(dòng)化平臺(tái)。方案以較低的成本投入,使現(xiàn)場自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的大跨度提升。具有很好的應(yīng)用前景。