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；同時，主控制器可以與指定的遠程PLC 實現(xiàn)遠程配置、控制通訊，以及實現(xiàn)組態(tài)環(huán)境中的應用。
1 PLC 特點與PLC 網(wǎng)絡
可編程控制器簡稱PLC（Programmable Logic Controller），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)字輸進、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)的自動化控制領域得到廣泛的使用，為各種各樣的自動化設備提供了非�？煽康目刂茟�。
PLC 系統(tǒng)的工作任務相對簡單，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)絡結(jié)構(gòu)。PLC 一般應用在小型自控場所，比如設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 集成有以太網(wǎng)Ethernet 或現(xiàn)場總線CAN-bus 通訊接口，價格也較昂貴；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。但是，隨著應用技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)常會出現(xiàn)一些應用場合，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 控制方案就顯得無可奈何，PLC 網(wǎng)絡的需求也應運而生。
本文提出了一種基于現(xiàn)場總線CAN-bus 的PLC 網(wǎng)絡方案，能夠?qū)Χ嗯_聯(lián)網(wǎng)的PLC 實現(xiàn)遠程配置、數(shù)據(jù)通訊，并能夠在投進較低硬件本錢的基礎上，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 的通訊特點：實時、可靠、高速、遠間隔、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)絡的幾種方式
通用PLC 一般都會提供1～2 個RS-232 標準或RS-485 標準的通訊端口，用于與其他控制設備或主控制器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 設備的通訊與配置。構(gòu)建PLC 網(wǎng)絡，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)絡中主控制器的不同，PLC 網(wǎng)絡可以分為以下方式：
●多臺PLC 聯(lián)網(wǎng)，各PLC 地位同等，可外擴HMI 人機界面。
●多臺PLC 聯(lián)網(wǎng)，由1 臺工控PC 作為主控制器與操縱界面。
下面將分別描述，從應用區(qū)別、硬件配置、軟件設置等方面加以說明。
2.1 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。
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。每一臺聯(lián)網(wǎng)的PLC 單元在發(fā)送數(shù)據(jù)時，可設定在數(shù)據(jù)流中自動添加本地網(wǎng)關(guān)的設備ID 號；同理，每一臺PLC 單元在接收數(shù)據(jù)時，可設定由網(wǎng)關(guān)檢查數(shù)據(jù)流中的設備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，各臺PLC 地位同等，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)絡中的PLC 數(shù)目不受限制，數(shù)百、上千臺PLC 都可以連接在同一現(xiàn)場總線CAN-bus 網(wǎng)絡中。同時，這個PLC 網(wǎng)絡中還可以連接具有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。
這種方式建立的PLC 網(wǎng)絡如圖 1 所示。
圖 1 多臺PLC 串行聯(lián)網(wǎng)
采用這種方式組建PLC 網(wǎng)絡，與選擇集成CAN-bus 通訊功能的PLC 設備相比，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。
2.2 多臺PLC 與工控PC 并行聯(lián)網(wǎng)
工控PC 能夠深進地配合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；但串口的通訊間隔、節(jié)點數(shù)目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，但通訊間隔、抗干擾能力都比較弱，并不能夠滿足實際產(chǎn)業(yè)現(xiàn)場多臺PLC 聯(lián)網(wǎng)應用的需求。
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，并通過連接在CAN-bus 網(wǎng)絡中的網(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。也就是說，可以在同1 條普通雙絞線上連接多達2047 臺PLC 設備，工控PC訪問連接在這條CAN-bus 網(wǎng)絡上的PLC 設備，也與操縱標準串口完全一致。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)絡的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。按這一種方式的建立PLC 網(wǎng)
絡的通訊效率較高，應用靈活，是一般PLC 網(wǎng)絡建設的主流方向。
圖 2 多臺PLC 與工控PC 并行聯(lián)網(wǎng)
3 PLC 網(wǎng)絡的硬件組成與連接
建立PLC 網(wǎng)絡，除了實現(xiàn)具體功能的PLC 設備，還需要一些建立現(xiàn)場總線CAN-bus網(wǎng)絡的設備，主要有RS-232 轉(zhuǎn)CAN-bus 網(wǎng)關(guān)、PC-CAN 接口卡等。下面將扼要先容一下這些設備。
3.1 RS-232 轉(zhuǎn)CAN-bus 網(wǎng)關(guān)
CAN232MB 轉(zhuǎn)換器即一種常用型號的RS-232 轉(zhuǎn)CAN-bus 網(wǎng)關(guān)。
CAN232MB 轉(zhuǎn)換器集成有1 個RS-232 通道、1 個CAN-bus 通道，可以很方便地連接到PLC 設備的RS-232 標準通訊端口，使PLC 設備具有與現(xiàn)場總線CAN-bus 網(wǎng)絡通訊的能力。CAN232MB 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 設備。
CAN232MB 轉(zhuǎn)換器的RS-232 通道支持多種通訊波特率，范圍是600bps～115200bps。CAN-bus 通道支持國際主流的15 種標準通訊波特率，也支持用戶自定義波特率，波特率范圍為5Kbps～1Mbps。CAN232MB 轉(zhuǎn)換器內(nèi)設1024 字節(jié)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；一般工作模式中，用戶可以軟件設定CAN232MB 轉(zhuǎn)換器的CAN-bus 通訊波特率為RS-232 波特率的2 倍以上，用以保證大批量數(shù)據(jù)傳輸時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)不致溢出。
通過PC 配置軟件，CAN232MB 轉(zhuǎn)換器可設定一個獨立的11 位或29 位設備ID 號，可以用作為該網(wǎng)關(guān)所連接PLC 設備的地址編號，并對往來串口的數(shù)據(jù)流加以標注或識別。
CAN232MB 轉(zhuǎn)換器滿足產(chǎn)業(yè)級溫度范圍（-40℃～+85℃），內(nèi)置硬件雙看門狗，能夠在惡劣的工作環(huán)境中連續(xù)運行。
圖 3 CAN232MB 轉(zhuǎn)換器
對于只集成有RS-485/422 通訊端口的PLC 設備，可以選擇RS-485 轉(zhuǎn)CAN-bus 網(wǎng)關(guān)；類似的產(chǎn)品型號有CAN485MB 轉(zhuǎn)換器，基本功能與CAN232MB 轉(zhuǎn)換器一致。
3.2 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，等等。根據(jù)型號的不同，同一個PC-CAN 接口卡可以集成1～4 個CAN-bus通道，同一PC 可以連接多達8 塊PC-CAN 接口卡，從而可以使同一臺PC 連接多個現(xiàn)場總線CAN-bus 網(wǎng)絡。
PC-CAN 接口卡一般都提供有強大的軟件支持，其中包括CAN-bus 測試工具、多語言版本（VC++、VB、Delphi、C++Builder）的API 開發(fā)例程，也提供有支持組態(tài)開發(fā)的OPC 服務器軟件，方便用戶針對不同的產(chǎn)品項目開發(fā)具體的應用程序。另外，支持工控PC 與多臺PLC 聯(lián)網(wǎng)的“虛擬串口服務器”軟件可以令用戶在不用修改原有PC 軟件的基礎上，開發(fā)新項目的實際應用。
根據(jù)不同的應用場合、參數(shù)需求，可以有多種不同型號的PC-CAN 接口卡適用。圖 4為一些經(jīng)常使用的PC-CAN 接口卡。
圖 4 常見型號的PC-CAN 接口卡
3.3 通訊附件
通訊電纜是現(xiàn)場總線CAN-bus 網(wǎng)絡的重要組件。通訊電纜的公道選擇，對CAN-bus 網(wǎng)絡的通訊間隔也有非常重要的影響。
使用國標AWG18（截面積為Φ0.75 mm2）的普通雙絞線作為CAN-bus 網(wǎng)絡的通訊電纜，一般可以保證在1Km 間隔下實現(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 的通訊間隔。通常，隨通訊間隔的加長，需要適當加大通訊電纜線的截面積。
現(xiàn)場總線CAN-bus 網(wǎng)絡在布線時，必須留意終端電阻的連接。主干線的最遠兩端必須各連接一個120Ω 的終端電阻，對于主干線上的其它任何CAN-bus 節(jié)點設備，則不用接終端電阻；假如使用了CANbridge 網(wǎng)橋分割成多個物理獨立的CAN-bus 子網(wǎng)，同樣要在每個CAN-bus 子網(wǎng)的最遠兩端各接一個120Ω 的終端電阻。
另外，CAN-bus 網(wǎng)絡的分支線不宜過長，建議每一條連接PLC 設備的分支線長度小于3 米；為保障可靠的連接，分支線宜采用焊接或緊密絞接的方式，以保障CAN-bus 網(wǎng)絡中的等效阻抗不超出答應的范圍。
4 PLC 網(wǎng)絡的軟件配置與設置
連接PLC 設備的RS-232 轉(zhuǎn)CAN-bus 網(wǎng)關(guān)需要配置一些運行參數(shù)，以保障PLC 網(wǎng)絡中的每一臺PLC 設備都可以正常運行。配置參數(shù)包括網(wǎng)關(guān)的運行方式、RS-232 通訊波特率、CAN-bus 通訊波特率、設備ID 號等。
我們以組建一個OMRON 公司多臺PLC 設備的PLC 網(wǎng)絡為例，具體說明各功能軟件的配置過程。
4.1 RS232 轉(zhuǎn)CAN-bus 網(wǎng)關(guān)的配置
將CAN232MB 轉(zhuǎn)換器的CFG 引腳與GND 引腳短接，CAN232MB 即進進配置方式，可以通過隨機光盤的PC 配置軟件設置工作參數(shù)。
根據(jù)OMRON 公司PLC 設備的RS-232 端口數(shù)據(jù)格式，CAN232MB 轉(zhuǎn)換器應按以下步驟進行配置。
1. 配置網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式，如圖 5 所示。
圖 5 配置網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)換方式
轉(zhuǎn)換模式為“雙向透明轉(zhuǎn)換”方式，透明轉(zhuǎn)換即意味著兩種通訊接口的接收數(shù)據(jù)不作任何修改的傳遞給對方通道。
2. 配置網(wǎng)關(guān)的串口通訊格式，如圖 6 所示。
圖 6 配置網(wǎng)關(guān)的串口通訊參數(shù)
根據(jù)PLC 設備的RS-232 參數(shù)，設定RS-232 通道的波特率參數(shù)；示例中為9600bps，與PLC 的運行參數(shù)一致。
3. 配置網(wǎng)關(guān)的CAN 通訊參數(shù)，如圖 7 所示。
圖 7 配置網(wǎng)關(guān)的CAN-bus 通訊參數(shù)
CAN 通道的波特率主要是考慮CAN-bus 網(wǎng)絡的最遠通訊間隔；另外，CAN-bus 網(wǎng)絡中所有設備的CAN-bus 通訊波特率必須一致，也與PC-CAN 接口卡的波特率設置一致。
發(fā)送標識符設置為十六進制的0x03 值，表示網(wǎng)關(guān)發(fā)送的CAN-bus 標準報文ID 為0x03值；過濾驗收碼設置成0x03 值，表示網(wǎng)關(guān)只能接收報文ID 為0x03 的標準報文。當使用虛擬串口通訊方式時，這兩個設置值必須為同一個值。留意，這里的數(shù)值0x03 與下一步配置虛擬串口時的虛擬串口號設置一致。也就是說，該網(wǎng)關(guān)設備所映射的虛擬串口號必須為COM3。同理，設置為0x04 值的網(wǎng)關(guān)設備所對應的虛擬串口號為COM4，以此類推。
4. 設置好參數(shù)后，點擊“寫配置”按鈕，如圖 8 所示。
圖 8 成功寫進網(wǎng)關(guān)的配置參數(shù)
然后，往除連接在CFG 引腳與GND 引腳之間的短路線，給CAN232MB 轉(zhuǎn)換器重新上電，使剛才的配置參數(shù)生效。網(wǎng)關(guān)CAN232MB 轉(zhuǎn)換器的設置即告完成。
4.2 虛擬串口的配置
在多臺PLC 與工控PC 并行聯(lián)網(wǎng)的應用場合，通過虛擬串口服務器軟件，工控PC 可以沿用標準串口通訊的方式，訪問連接在CAN-bus 網(wǎng)絡中的各臺PLC 設備。
4.2.1 虛擬串口服務器軟件
虛擬串口服務器，顧名思義，通過運行此虛擬串口服務器軟件，可以在PC 上構(gòu)建一個或多個虛擬串口。這些虛擬串口的操縱和真實串口操縱一樣，只是在用戶調(diào)用虛擬串口的軟件內(nèi)部，PC 通過所連接的PC-CAN 系列接口卡把串口通訊數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺AN-bus 網(wǎng)絡，并且由連接在CAN-bus 網(wǎng)絡中的RS-232 轉(zhuǎn)CAN-bus 網(wǎng)關(guān)（例如CAN232MB 轉(zhuǎn)換器），再次將CAN-bus 數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)成RS-232 串口數(shù)據(jù)，這樣就實現(xiàn)了PC 和遠程串口之間的無縫透明銜接，使遠程虛擬串口的操縱與應用看起來與本地串口沒什么不同。一般情況下，PC 串口程序升級到操縱遠程虛擬串口時，基本無需進行任何修改，只需改變軟件操縱的串口號即可。
虛擬串口服務器的軟件功能如下所列：
1. 支持操縱系統(tǒng)Win2000/XP/2003；
2. 可添加多達2047 個虛擬串口；
3. 可以動態(tài)添加設備映射到任意已安裝的虛擬串口上，也可以動態(tài)刪除映射到任意虛擬串口上的設備；
4. 可保存當前配置到文件中；
5. 可設置服務器啟動條件（比如開機自啟動），也可以設置啟動時的默認配置。
虛擬串口服務器的應用如圖 9 所示。
圖 9 用于CAN 的虛擬串口服務器軟件
4.2.2 虛擬串口軟件設置
由于OMRON 公司系列PLC 設備的串口通訊格式（7/2/1/Even）與通常的PC 軟件串口通訊格式（8/1/1/None）有所區(qū)別，工控PC 需要運行用專門用于OMRON 公司PLC 的虛擬串口服務器“ZVComCANMgr（for OMRON PLC）”軟件。具體按以下步驟，在PC 上進行虛擬串口服務器軟件的設置。
1. 點擊“文件”菜單，新建一項配置；配置文件命名為OMRON_PLC，如圖 10 所示。
圖 10 新建一個配置文件
2. 建立虛擬串口，如圖 11 所示。
圖 11 建立虛擬串口的操縱
建立虛擬串口時，首先選擇需要創(chuàng)建的虛擬串口數(shù)目。在“虛擬串口數(shù)”右邊的下拉框中，選擇需要建立的虛擬串口數(shù)目，值為0～2047，其中選擇0 表示不建立虛擬串口。如圖11 所示，列表數(shù)值為“10”表示選擇建立10 個虛擬串口設備。在“虛擬串口數(shù)”設置完成后，下一步點擊“創(chuàng)建虛擬虛擬串口”按鈕；PC 即自動加載驅(qū)動，完成虛擬串口設備的添加過程。這時，用戶可從計算機的設備列表中查找到這些新增的虛擬串口設備，如圖 12 所示。
圖 12 設備列表中新建的虛擬串口設備
3. 映射端口，如圖 13 所示。
虛擬串口建立之后，在“未映射串口”列表中顯示PC 已創(chuàng)建的虛擬串口號。此時，點擊“添加”（用于添加單個虛擬串口）或“批量添加”（用于添加所有的虛擬串口），將指定的虛擬串口與CAN-bus 網(wǎng)絡捆綁屬性，并添加到“已映射串口”列表中。
圖 13 添加到“已映射串口”
4. 啟動服務器，如圖 14 所示。
在“服務”菜單中啟動虛擬串口服務器，就可以使已映射的虛擬串口能夠正常通訊。
圖 14 啟動虛擬串口服務器
虛擬串口服務器的啟動參數(shù)可由用戶設置，方便系統(tǒng)的日常治理與運行，如圖 15 所示。
圖 15 設置服務器的系統(tǒng)參數(shù)
4.2.3 虛擬串口的測試
PC 運行虛擬串口服務器之后，便在設備列表中多出了一組虛擬串口；虛擬串口的編號一般會從COM3 開始，具體編號會取決于PC 機的硬件配置。
可以使用超級終端軟件，對新建的虛擬串口進行通訊測試。將1 臺測試PC（標識A 機）的標準串口連接到CAN232MB 轉(zhuǎn)換器的RS-232 端口，在另1 臺運行虛擬串口服務器軟件的測試PC（標識B 機）建立一條CAN-bus 網(wǎng)絡并連接到CAN232MB 轉(zhuǎn)換器的CAN 端口。
首先，設置并啟動虛擬串口服務器。遠程的虛擬串口按以下步驟進行測試：
第一步，A 機和B 機都打開超級終端軟件，設置所連接的串口屬性，例如將通訊波特率設為9600bps、數(shù)據(jù)位8、無奇偶校驗、停止位1、無流控制；這些參數(shù)要與CAN232MB轉(zhuǎn)換器的配置參數(shù)一致。
第二步，串行發(fā)送字符測試。在A 機的超級終端窗口中鍵進一些字符，在B 機的超級終端窗口中將會看到這些字符的出現(xiàn)。反之，在B 機的超級終端窗口中鍵進一些字符，在A機的超級終端窗口中也會出現(xiàn)同樣內(nèi)容的字符。
圖 16 虛擬串口的串行發(fā)送字符測試
第三步，發(fā)送文件測試。點擊A 機的超級終端軟件菜單“傳送→發(fā)送文件…”，即可以發(fā)送指定的文件到B 機，文件保存在B 機的默認目錄中；反之亦然。
圖 17 虛擬串口的串行發(fā)送文件測試
有關(guān)虛擬串口的具體說明，可以參考虛擬串口服務器的軟件幫助及技術(shù)文檔《構(gòu)建CAN-bus 網(wǎng)絡中的虛擬串口》。
5 應用實例
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。每一臺PLC 用于控制一套工作井站的現(xiàn)場設備。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，但集成有1 個RS-232 通訊端口。單臺PLC 之間的最大間隔超過了10Km 間隔，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 工作點間隔很遠，主控制器PC 不可能實現(xiàn)每一臺PLC設備的單獨電纜連接。因此，將各臺PLC 設備通過現(xiàn)場總線CAN-bus 網(wǎng)絡連接，組建一個地區(qū)范圍內(nèi)的PLC 網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)PLC 遠程維護、數(shù)據(jù)實時監(jiān)控，既能夠大大進步系統(tǒng)的治理效率，也可以有效地降低網(wǎng)絡建設本錢。
井站的PLC 設備集成有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。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)絡中的節(jié)點，能夠同時治理4 路物理獨立的CAN-bus 網(wǎng)絡。
5.1 CAN-bus 網(wǎng)絡的相關(guān)概念
現(xiàn)場總線CAN-bus 網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)一般使用直線結(jié)構(gòu)，如圖 18 所示。所有CAN-bus設備節(jié)點通過短分支線連接至CAN-bus 網(wǎng)絡的主干線；短分支線不宜過長，一般必須小于3～6 米。假如因網(wǎng)絡布線、地理環(huán)境等因素，需要改變CAN-bus 網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)，則可以通過CANbridge 網(wǎng)橋或CANHub 集線器。
圖 18 CAN-bus 網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)
在CAN-bus 網(wǎng)絡布線中，必須留意終端電阻的連接。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。
設定為5Kbps 波特率時，使用截面積為Φ1.5 mm2 的普通雙絞線，CAN-bus 總線至少可以達到6～7Km 的通訊間隔。通常，隨著通訊間隔的加長，需要適當加大通訊電纜線的截面積。通訊間隔與波特率的關(guān)系如圖 19 所示。
圖 19 CAN-bus 網(wǎng)絡的波特率與通訊間隔的關(guān)系
隨著網(wǎng)絡中CAN-bus 節(jié)點數(shù)目的增加，最大通訊間隔會有所降低，同一條CAN-bus 網(wǎng)絡中的節(jié)點數(shù)目達到100 個時，最大通訊間隔至少會減少20%左右。通過在CAN-bus 網(wǎng)絡的公道位置安裝CANbridge 網(wǎng)橋，就可以使CAN-bus 網(wǎng)絡延長1 倍的通訊間隔，并可以增加連接1 倍的CAN-bus 節(jié)點數(shù)目。
5.2 PLC 串行通訊協(xié)議
OMRON 公司CPM 系列中小型PLC 的串行通訊使用“命令－應答”通訊方式，工控PC 可通過對串口編程的方式與CPM 系列PLC 實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。PC 與PLC 實現(xiàn)一次數(shù)據(jù)交換的過程，即傳輸?shù)拿詈蛻鹬當?shù)據(jù)總和稱為一幀，一幀最多可包含131 個數(shù)據(jù)字符。OMRON 公司PLC 采用HOSTLINK 通訊協(xié)議。
5.2.1 HOSTLINK 命令幀格式
PC 機遵循HOSTLINK 命令幀的格式，向PLC 發(fā)送命令。HOSTLINK 命令幀如圖 20所示。
圖 20 OMRON 公司PLC 命令幀格式
HOSTLINK 命令幀的規(guī)定如下：
●@符號必須置于每個命令的開頭；
●節(jié)點號，用來辨識每一臺PLC 的節(jié)點地址；
●讀/寫，指明PLC 的哪個寄存器單元，例讀寫IR/SR 區(qū)時它的識別碼設置分別為RR和WR，讀寫DM 區(qū)分別為RD 和WD。
●FCS，設置兩字符的幀檢查順序碼，是一個轉(zhuǎn)換成2 個ASCII 字符的8 位數(shù)據(jù)，這8 位數(shù)據(jù)為從幀開始到正文結(jié)束（即FCS 之前）所有數(shù)據(jù)執(zhí)行“異或”操縱的結(jié)果。
●終止符設置“＊”和回車兩字符，表示命令結(jié)束。
HOSTLINK 命令幀可以有最多131 個字符長。一個即是或大于132 字符的命令必須分成若干幀。命令分段，使用回車定界符（CHR $（13））。
5.2.2 HOSTLINK 應答幀格式
PLC 對于接收到的正確命令幀，都會給予數(shù)據(jù)響應，發(fā)送HOSTLINK 應答幀，格式如圖 21 所示。
圖 21 OMRON 公司PLC 應答幀格式
識別碼、正文取決于PLC 接收到的上位機聯(lián)結(jié)命令，結(jié)束字表示命令完成的狀態(tài)（即是否有錯誤發(fā)生），當應答幀的長度超過132 字符，它必須分成若干幀。
結(jié)束字是應答幀中表示PLC 應答的信息。例結(jié)束字代碼為00 表示正常結(jié)束，13 表示FCS 錯誤，14 表示格式錯誤，15 表示進口碼數(shù)據(jù)錯誤，18 表示幀長度錯誤，A3 表示傳輸數(shù)據(jù)時因FCS 錯誤引起終止，A8 表示傳輸數(shù)據(jù)時，因幀長度錯誤引起終止。
5.3 PLC 與網(wǎng)關(guān)CAN232MB 的連接
CPM 系列PLC 集成1 個RS-232 串行通訊端口，采用DB9 孔型插座；CAN232MB 轉(zhuǎn)換器集成1 個RS-232 串行通訊端口，也采用DB9 孔型插座。
按下面的連接方法，可以快速制作CPM 系列PLC 與網(wǎng)關(guān)CAN232MB 之間連接的通訊電纜；此通訊電纜也可用于PC 與OMRON 公司PLC 之間通訊。制作材料包括兩個DB9 針型直腳連接器，3 根細導線，少量焊接工具。
圖 22 DB9 針連接器和引腳定義
串行通訊電纜一端連接CAN232MB 轉(zhuǎn)換器，另一端連接CPM 系列PLC。留意，通訊電纜的兩個DB9 端口不可互換。通訊電纜的連接示意如圖 23 所示。
圖 23 PLC 通訊電纜的引腳連接
5.4 CXP 軟件與PLC 通訊
CXP 軟件是OMRON 公司CPM 系列PLC 的集成開發(fā)環(huán)境。這里，將通過CXP 軟件與PLC 的串行通訊功能，對建立的虛擬串口進行測試，驗證PLC 網(wǎng)絡的可靠性。
打開CX-Programmer 軟件，選擇一個通訊端口。例如，選擇剛才由虛擬串口服務器軟件建立的串口COM3，如圖 24 所示。
圖 24 在CXP 軟件中選擇PLC 通訊端口
點擊“PLC”菜單的“自動在線”項目，CXP 軟件會自動查找對應的PLC 類型。一旦通過COM3 與PLC 成功建立了通訊連接，就可以對PLC 進行編程、擦除、調(diào)試等操縱；這與使用標準串口COM1、COM2 的操縱方式完全一致，如圖 25 所示。
圖 25 通過虛擬串口對PLC 進行遠程配置
5.5 PLC 與網(wǎng)關(guān)CAN485MB 的連接
OMRON 公司的CXP 軟件可以在一個RS-485 標準的串行通訊端口上連接多達32 臺CPM2A 系列PLC 設備；每臺PLC 設備都需要預先設定一個唯一的5 位地址編號，用于在RS-485 網(wǎng)絡中區(qū)分各臺PLC 設備。
RS-485 標準是一種多點網(wǎng)絡通訊方式。按照前面描述的方式，通過網(wǎng)關(guān)CAN485MB 轉(zhuǎn)換器，可以建立一個符合RS-485 標準的虛擬串口。CPM2A 系列PLC 可以借助于RS-232轉(zhuǎn)RS-485 電平轉(zhuǎn)換器，得到一個RS-485 標準的通訊端口。多臺預設地址編號的PLC 可以通過RS-485 串行通訊方式聯(lián)網(wǎng)，并與CAN485MB 轉(zhuǎn)換器組成1～32 個節(jié)點、1Km 間隔范圍內(nèi)、RS-485 標準的PLC 網(wǎng)絡。網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖 26 所示。
圖 26 由網(wǎng)關(guān)CAN485MB 組建小型PLC 網(wǎng)絡
按上述方式，整個地區(qū)的PLC 網(wǎng)絡可以由多個網(wǎng)關(guān)CAN485MB 轉(zhuǎn)換器構(gòu)建面成，而每一個網(wǎng)關(guān)CAN485MB 轉(zhuǎn)換器都可以組建一個RS-485 標準的小型PLC 網(wǎng)絡構(gòu)成。這樣，就可以形成大型的星形PLC 網(wǎng)絡。
5.6 PLC 網(wǎng)絡的組態(tài)開發(fā)
通過網(wǎng)關(guān)CAN232MB 轉(zhuǎn)換器或CAN485MB 轉(zhuǎn)換器可以建立多個虛擬串口，用于連接PLC 設備。虛擬串口的操縱方式與PC 標準串口完全相同。
通常的組態(tài)環(huán)境（例如昆侖通態(tài)MCGS、組態(tài)王KingView 等）都可以按串行通訊設備驅(qū)動的方式支持OMRON 公司PLC 設備的開發(fā)。假如組態(tài)環(huán)境可以支持按多串口方式擴展的多臺PLC 設備，同樣也可以支持基于現(xiàn)場總線CAN-bus 網(wǎng)絡的虛擬串口方式構(gòu)建的串行PLC 網(wǎng)絡。
需要留意的是，串行PLC 網(wǎng)絡基于現(xiàn)場總線CAN-bus 而構(gòu)建，每一條命令幀/響應幀都需要一定的傳輸時間。例如，當CAN-bus 總線的通訊波特率設置為10Kbps 時，傳輸30 字節(jié)的命令幀至少約需60mS 傳輸時間；加上響應幀的延遲，PLC 網(wǎng)絡中的任何一臺PLC 與工控PC 需要約150mS 才能夠執(zhí)行1 次完整的通訊過程。這一時間即單臺PLC 通訊周期。按此參數(shù)計算，當使用1 條現(xiàn)場總線CAN-bus 網(wǎng)絡，建立有30 臺PLC 設備構(gòu)成的PLC 網(wǎng)絡時，工控PC 主動查詢一遍所有PLC 設備的狀態(tài)，大概需要花費約30 倍的單臺PLC 通訊周期。應用組態(tài)環(huán)境開發(fā)PLC 網(wǎng)絡時，用戶必須重視網(wǎng)絡的通訊延遲因素，并在組態(tài)環(huán)境中設置相關(guān)的定時參數(shù)；否則，可能會導致組態(tài)環(huán)境不能夠正常運行。
我們可以通過一些方法來進步PLC 網(wǎng)絡的響應速度。解決方法之一是增加CAN-bus 網(wǎng)絡的數(shù)目，由此減少每一個CAN-bus 網(wǎng)絡中的PLC 設備數(shù)目；另外，進步CAN-bus 網(wǎng)絡的通訊波特率也可以獲得相同的效果，它的代價是會縮短CAN-bus 網(wǎng)絡的通訊間隔。
6 結(jié)束語
本文先容的實例“通過現(xiàn)場總線CAN-bus 網(wǎng)絡對多臺PLC 進行聯(lián)網(wǎng)控制”已經(jīng)通過了實際項目的運行考驗，現(xiàn)場作業(yè)的網(wǎng)絡長度達到7Km 以上。在系統(tǒng)的實際運行中，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)。在這個工程項目中，不需要改變原有的PC 控制平臺，可以將現(xiàn)有控制設備無縫地嵌進先進的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡，構(gòu)成新一代的DCS分布式控制系統(tǒng)。方案以較低的本錢投進，換取了現(xiàn)場自動化網(wǎng)絡的大跨度提升。在煤礦遠傳、電力通訊、石油采集等行業(yè)，該方案都有著廣泛的市場，較高的應用價值。
