通过现场总线CAN-bus网络对多台PLC进行联网控制

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。主干线的最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之间的最大距离超过了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主干线的最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,一帧最多可包含131个数据字符。
OMRON公司PLC采用HOSTLINK通讯协议。
3.HOSTLINK命令帧格式
PC机按HOSTLINK命令帧的格式,向PLC发送命令。HOSTLINK命令帧见图2。

图2 OMRON公司PLC命令帧格式
HOSTLINK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。
HOSTLINK命令帧可以有最多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.HOSTLINK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HOSTLINK应答帧,格式见图3。