1、引言
目前，一般常見 plc 型號都沒有集成現場總線 can-bus 的通訊功能接口，因而不便于基于 can 總線多臺 plc 控制網絡的實現。隨著應用技術的發展，工業經常會出現需要 n 臺 plc 協同完成一個系統的綜合控制。此時，原有集中控制的單一 plc 控制方案就顯得力所不及，plc 網絡的集成工程需求也應運而生。
本文提出了一種基于現場總線 can-bus 的 plc 網絡方案，能夠對多臺聯網的 plc 實現遠程配置、數據通信，并能夠在投入較低硬件成本的基礎上，實現良好的系統運行性能。這個方案不僅充分發揮了現場總線 can-bus 的通信特點：實時、可靠、高速、遠距離、易維護等，而且將現場總線技術與集中控制技術有機結合，聯網后的 plc 網絡可以構成一個性能優越的 dcs 系統；用戶在同一個主控制器（pc 機）上可以遠程監控、改變任何一臺聯網 plc 的程序或狀態。
2、 組建 plc 網絡的兩種方式
通用 plc 一般提供 1～2 個 rs-232 或 rs-485 通訊端口，用于與其他控制設備通訊；這些通訊端口支持有限的通訊協議，實現 plc 設備的通訊與配置。本項目利用 plc 自身的通訊端口，將其擴展成為能夠與多臺設備聯網，實現基于現場總線 can-bus 多臺 plc 網絡。根據網絡中主控制器的不同，plc 網絡分為以下方式：多臺 plc 聯網，各 plc 地位平等，可外擴 hmi 人機界面；多臺 plc 聯網，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 的組網方法。
2.1 plc 串行聯網
通過 rs-232/rs-485 轉 can-bus 網關進行信號轉換使 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 網絡。每臺連接 plc 單元的 rs-232/rs-485 轉 can-bus 網關都可以設定一個獨立的設備 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 網絡，任何一臺 plc 均可以主動發起數據通訊，由 can-bus 網關起硬件自動仲裁作用，保障每一次通訊的數據不丟失；網絡中的 plc 數量不受限制，數百、上千臺 plc 都可以連接在同一現場總線 can-bus 網絡中。同時，plc 網絡中可以連接具有 can-bus 通訊接口的 hmi 人機界面。
2.2 多臺 plc 與工控 pc 并行聯網
工控 pc 機內插 pci-can 板卡（如研華的 pci1680、周立功的 pci5110 等），可以組建 can-bus 網絡，通過連接在 can-bus 網絡中的網關 rs-232/rs-485 轉 can-bus 轉換器，借助于 can-bus 網絡配套的“虛擬串口”軟件，建立多達 2047 個標準的串行通訊端口，從而連接多達 2047 條串行網絡。即在一條普通雙絞線上連接多達 2047 臺 plc 設備，工控 pc 機訪問連接在 can-bus 網絡上的 plc 設備，與操作標準串口完全一致。這種方式可以充分發揮工控 pc 機的作用，通訊效率比較高，是一般 plc 網絡建設的主流方向。本文采用此種方案組建 plc 網絡。系統結構如圖 1 所示。
圖 1 多臺 plc 與工控 pc 機并行聯網
plc 網絡的硬件組成與連接
建立 plc 網絡，除了 plc 設備，還需要建立現場總線 can-bus 網絡的設備，主要有 rs-232 轉 can-bus 網關、pci-can 接口卡等。
rs-232 轉 can-bus 轉換器可以方便地連接到 plc 設備的 rs-232 標準通訊端口，使 plc 設備具有與現場總線 can-bus 網絡通訊的能力。轉換器通過 modbus 協議轉換，可以支持不同通訊協議的 plc 設備。對于只集成 rs-485/422 通訊端口的 plc 設備，可以選擇 rs-485 轉 can-bus 轉換器。rs-232 轉 can 轉換器和 rs-485 轉 can 轉換器讀者可以自行設計，也可以購買目前市場成熟的產品，如研華的亞當模塊、周立功的智能轉換模塊等。
工控 pc 機內插 pci-can 接口卡，可以令工控 pc 機具有現場總線 can-bus 通訊接口，從而成為 can-bus 網絡中的一個主要功能節點。根據與 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、以太網轉 can 接口卡等。
pci-can 接口卡一般都提供有 can-bus 測試工具、api 開發例程、opc 服務器軟件等。利用“虛擬串口服務器”軟件可以開發基于串口通訊的軟件項目，組建基于 can 總線的 plc 網絡。
4、 三菱－西門子 can 網絡集成案例
4.1 原理設計
在某印染廠的印染控制系統中，有兩臺瑞士布賽 5v 型平網印花機、三臺臺灣奇正平網印花機、2 臺日本東升平網印花機以及 2 臺兩臺德國的 mbk 圓網印花機，這些設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能夠在一臺上進行監控以及控制，單臺 plc 進行現場設備信號的采集和控制，由于各個現場 plc 工作點距離較遠遠，工控機 pc 不可能實現每一臺 plc 設備的單獨電纜連接。因此，將各臺 plc 設備通過現場總線 can-bus 網絡連接，組建一個地區范圍內的 plc 網絡，從而實現 plc 遠程維護、數據實時監控，既能夠大大提高系統的管理效率，也可以有效地降低網絡建設成本。
每臺平網印花機 plc 設備集成有 1 個 rs-4852 串行通訊端口，通過 can 轉 rs-485 轉換器連接到現場總線 can-bus 網絡。工控機 pc 內置 1 塊 pci-can 接口卡，型號為 pci-1680 接口卡，可以使工控機成為 can-bus 網絡中的節點，能夠同時管理九臺平網印花機。
plc 串行通訊協議實現，不同廠家，plc 的串行通訊協議不同，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 標準串行接口，可實現下列四種網絡的連接：
（1） simatic s7-200 網絡（ppi 協議）；
（2） 用戶可編程接口協議（自由口模式）采用可編程自由口通信模式（free port mode）；
（3） profibus-dp 網絡。
4.2 系統通訊
本項目采用自由口通訊的模式，與自由口模式有關的特殊寄存器及相關的位：
（1） 控制字寄存器 smb30：s7-200plc 的通信模式由 smb30 設置，當 mm=01 時 plc 工作于自由口模式。
（2） 通信接收字符緩沖器 smb2：smb2 是一個暫態寄存器，用于存放在自由口通信方式下接收到的當前字符，用戶在下一步應從這里取走其中的內容，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。
（3） 通信校驗結果標志位 smb3.0：plc 按 smb30 規定的奇偶校驗方式對所接收到的數據作校驗。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。根據這個標志，可決定對當前信息的取舍，還可以在出錯的情況下，將此錯誤位發送給對方，以便要求它重發。
（4） 工作方式標志位 sm0.7：s7-200 系列 plc 只有處于運行（run）方式時才能進行自由口模式通信，而在停止（stop） 方式時只能以 ppi 模式通信。當 plc 處于 run 方式時 sm0.7=1，否則 sm0.7=0，因此可通過判斷 sm0.7 的狀態來打開或關閉自由口通信。
（5） 發送器空標志 sm4.5 及收發指令：s7-200plc 有專門的發送指令：xmt table port table 為發送數據的字節數即數據長度，最大為 225；port 指定通信口，自由口模式下必須為 0。當正發送數據信息時，特殊存儲器位 sm4.5=0，當發送完成后，sm4.5=1，因此可通過判斷 sm4.5 的狀態來進行發送后處理，也可直接用發送中斷來處理。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 串行通訊程序執行時，在每一個掃描周期的開始，都要檢查 sm0.7 的狀態，若 plc 處于 run 方式即 sm0.7=1，則打開自由口模式并設置其它相關的波特率、奇偶校驗等參數，否則置自由口模式無效。
5、結束語
本文介紹的基于 can 總線多臺 plc 組網系統的實現，在系統的實際運行中，現場總線 can-bus 的穩定性、抗干擾能力得到充分的體現。工程項目不需要改變原有的現場設備控制平臺，可以將現有控制設備無縫地嵌入先進的現場總線網絡，構成新一代的紡織自動化集成網絡系統，為紡織工程 mes 和 erp 提供現場信息自動化平臺。方案以較低的成本投入，使現場自動化網絡的大跨度提升。具有很好的應用前景。