通過現(xiàn)場總線can-bus,可以將多達數(shù)十臺的中/小型plc聯(lián)網(wǎng),構(gòu)成一個智能plc網(wǎng)絡(luò);同時,主控制器可以與指定的遠程plc實現(xiàn)遠程配置、控制通信,以及實現(xiàn)組態(tài)環(huán)境中的應(yīng)用。
1、plc特點與plc網(wǎng)絡(luò)
可編程控制器(plc)是一種數(shù)字控制專用電子計算機,它使用了可修改的程序存儲器儲存指令,執(zhí)行諸如邏輯、順序、計時、計數(shù)與演算等功能,并通過模擬和數(shù)字輸入、輸出等功能組件,控制各種機械或工作程序。長期以來,plc一直在各個行業(yè)的自動化控制領(lǐng)域得到廣泛的使用,為各種各樣的自動化設(shè)備提供了非?？煽康目刂茟?yīng)用。
plc系統(tǒng)的工作任務(wù)相對簡單,且需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量一般不會太大,所以常見的plc系統(tǒng)為一層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。plc一般應(yīng)用在小型自控場所,比如設(shè)備的控制或少量模擬量的控制及聯(lián)鎖。小范圍的集中式控制環(huán)境是plc發(fā)揮功能的最佳舞臺。
目前,只有少量型號的plc集成有ethernet或現(xiàn)場總線can-bus通訊接口,價格也較貴;一般常見plc型號沒有隨本機集成通訊功能,不便于組建多臺plc構(gòu)成的中型控制網(wǎng)絡(luò)。但是,隨著應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展,經(jīng)常會出現(xiàn)一些應(yīng)用場合,在面積較大的范圍內(nèi),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。這個方案也充分發(fā)揮了現(xiàn)場總線can-bus的通信特點：實時、可靠、高速、遠距離、易維護等。此方案是現(xiàn)場總線技術(shù)與集中控制技術(shù)的有機結(jié)合,聯(lián)網(wǎng)后的plc網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)成一個性能優(yōu)秀的dcs系統(tǒng);用戶在同一個主控制器上可以遠程監(jiān)控、改變?nèi)魏我慌_聯(lián)網(wǎng)plc的程序或狀態(tài)。
2、plc網(wǎng)絡(luò)的兩種方式
通用plc一般都會提供1~2個rs-232或rs-485通訊端口,用于與其他控制設(shè)備或主控制器pc通訊;這些集成的通訊端口支持自行規(guī)定的通訊協(xié)議,或者modbus協(xié)議,實現(xiàn)plc設(shè)備的通訊與配置。構(gòu)建plc網(wǎng)絡(luò),即利用plc本機的這一類通訊端口,將其擴展成為能夠與多臺設(shè)備聯(lián)網(wǎng),實現(xiàn)多點通訊的現(xiàn)場總線can-bus通訊接口。
根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中主控制器的不同,plc網(wǎng)絡(luò)可以分為以下方式：
*多臺plc聯(lián)網(wǎng),各plc地位平等,可外擴hmi人機界面。
*多臺plc聯(lián)網(wǎng),由1臺工控pc作為主控制器與操作界面。
3、多臺plc串行聯(lián)網(wǎng)
通過一個rs-232/rs-485轉(zhuǎn)can-bus網(wǎng)關(guān)進行信號轉(zhuǎn)換,獨立plc就具有了現(xiàn)場總線can-bus通訊接口。多臺具有現(xiàn)場總線can-bus通訊接口的plc之間相互連接,即可以組建plc網(wǎng)絡(luò)。
每一臺連接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。每一臺聯(lián)網(wǎng)的plc單元在發(fā)送數(shù)據(jù)時,可設(shè)定在數(shù)據(jù)流中自動添加本地網(wǎng)關(guān)的設(shè)備id號;同理,每一臺plc單元在接收數(shù)據(jù)時,可設(shè)定由網(wǎng)關(guān)檢查數(shù)據(jù)流中的設(shè)備id號,自動接收符合要求的數(shù)據(jù)。
通過上述方式組建的plc網(wǎng)絡(luò),各臺plc地位平等,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,這個plc網(wǎng)絡(luò)中還可以連接具有can-bus通訊接口的hmi人機界面,或由其中一臺plc通過其他的串行通訊端口連接hmi人機界面。
這種方式組建的plc網(wǎng)絡(luò),與選擇集成can-bus通訊功能的plc設(shè)備相比,具有更加靈活的系統(tǒng)擴展能力,也能夠獲得更好的性價比。
4、多臺plc與工控pc并行聯(lián)網(wǎng)
工控pc能夠深入地配合plc廠商提供的各種軟件,從而實現(xiàn)更多強大的功能,比如系統(tǒng)配置、人機界面、組態(tài)開發(fā)等,在plc領(lǐng)域的作用也越來越不可或缺。通常,工控pc與單臺plc通過1個串口連接通訊,實現(xiàn)各種擴展功能;但串口的通訊距離、節(jié)點數(shù)量都受到了串口本身的性能限制。比如,rs-232標準只可以實現(xiàn)“點－點”通訊,rs-485/422標準能夠?qū)崿F(xiàn)32個節(jié)點以內(nèi)的通訊,但通訊距離、抗干擾能力都比較弱,并不能夠滿足實際工業(yè)現(xiàn)場多臺plc聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需求。
工控pc內(nèi)置pc-can接口卡,可以建立起1條或者多條現(xiàn)場總線can-bus網(wǎng)絡(luò),并通過連接在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2047個標準的串行通訊端口,從而連接多達2047條串行網(wǎng)絡(luò)。也就是說,可以在同1條普通雙絞線上連接多達2047臺plc設(shè)備,工控pc訪問連接在這條can-bus網(wǎng)絡(luò)上的plc設(shè)備,也與操作標準串口完全一致。這種方式可以充分發(fā)揮工控pc的作用,通訊效率也比較高。
通過工控pc組建多臺plc網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1所示。按這一種方式的建立plc網(wǎng)絡(luò)的通訊效率較高,應(yīng)用靈活,是一般plc網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的主流方向。
圖 1 多臺plc與工控pc并行聯(lián)網(wǎng)
5、plc網(wǎng)絡(luò)的硬件組成與連接
建立plc網(wǎng)絡(luò),除了實現(xiàn)具體功能的plc設(shè)備,還需要一些建立現(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)、pc-can接口卡等。
1.rs-232轉(zhuǎn)can-bus網(wǎng)關(guān)
can232mb 轉(zhuǎn)換器是一種常用的rs-232轉(zhuǎn)can-bus網(wǎng)關(guān)。轉(zhuǎn)換器集成1個rs-232通道、1個can-bus 通道,可以很方便地連接到plc設(shè)備的rs-232標準通訊端口,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)換器提供三種工作模式——透明轉(zhuǎn)換、透明帶標識轉(zhuǎn)換、modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換,分別可以支持不同通訊協(xié)議的plc設(shè)備。通過pc配置軟件,can232mb轉(zhuǎn)換器可設(shè)定一個獨立的11位或29位設(shè)備id號,可以用作為該網(wǎng)關(guān)所連接plc設(shè)備的地址編號,并對往來串口的數(shù)據(jù)流加以標注或識別。
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網(wǎng)關(guān)。
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。
pc-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。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,開發(fā)基于串口通訊的軟件項目,比如plc網(wǎng)絡(luò)。
3.通訊附件
通訊電纜是現(xiàn)場總線can-bus網(wǎng)絡(luò)的重要組件。通訊電纜的合理選擇,對can-bus網(wǎng)絡(luò)的通訊距離也有非常重要的影響。使用國標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,則可以達到6~7km的通訊距離。
現(xiàn)場總線can-bus網(wǎng)絡(luò)在布線時,必須注意終端電阻的連接。主干線的最遠兩端必須各連接一個120ω的終端電阻。
另外,can-bus網(wǎng)絡(luò)的分支線不宜過長,當網(wǎng)絡(luò)通訊速率為20kbps時,建議每一條連接plc設(shè)備的分支線長度小于100米。
6、應(yīng)用實例
在一個實際的油田控制系統(tǒng)中,需要由超過32臺plc組建一個中型plc網(wǎng)絡(luò)。每一臺plc用于控制一套工作井站的現(xiàn)場設(shè)備。選用plc型號為omron公司cpm2a系列,不支持現(xiàn)場總線can-bus網(wǎng)絡(luò),但集成有1個rs-232通訊端口。單臺plc之間的最大距離超過了10km距離,但這個油田控制系統(tǒng)要求能夠在同一個主控制器上,對每一臺現(xiàn)場的plc實時監(jiān)控。由于各個現(xiàn)場plc工作點距離很遠,主控制器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遠程維護、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。
井站的plc設(shè)備集成有1個rs-232串行通訊端口,通過can232mb轉(zhuǎn)換器連接到現(xiàn)場總線can-bus網(wǎng)絡(luò)。主控制器pc內(nèi)置1塊pc-can接口卡,型號為pci-9840接口卡,可以使pc成為can-bus網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點,能夠同時管理4路物理獨立的can-bus網(wǎng)絡(luò)。
1.can-bus網(wǎng)絡(luò)
現(xiàn)場總線can-bus網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)一般使用直線結(jié)構(gòu)。所有can-bus設(shè)備節(jié)點通過短分支線連接至can-bus網(wǎng)絡(luò)的主干線;短分支線不宜過長,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)的拓撲結(jié)構(gòu),則可以通過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主干線的最遠兩端必須各端接一個120ω的終端電阻;主干線上的其它任何can-bus節(jié)點則不用連接終端電阻。
設(shè)定為5kbps波特率時,使用截面積為φ1.5 mm2的雙絞線,至少可以達到6~7km的通訊距離。通常,隨著通訊