歐姆龍-基于CAN總線的計(jì)算機(jī)與PLC通信
1 引言
在現(xiàn)代工業(yè)中，PLC 之間或PLC 與計(jì)算機(jī)之間的通信聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用日益廣泛。PLC 的聯(lián)網(wǎng)功能越來越強(qiáng)。以歐姆龍CP1、CJ1 和CS1 系列PLC 為例，配合使用各種模塊，可以支持工業(yè)以太網(wǎng)、Controller Link 等現(xiàn)場總線通信聯(lián)網(wǎng)功能。但是，應(yīng)用廣泛的CPM1A、CPM2A等中小型PLC 的通信聯(lián)網(wǎng)一般只能采用工業(yè)總線的物理層形式（如RS232 或RS485），通信的穩(wěn)定性與抗干擾能力并不是很強(qiáng)。
本文選用歐姆龍的CPM2A 機(jī)型，配合使用RS232-CAN 適配器，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與PLC 的通信聯(lián)網(wǎng)，方法簡單， 實(shí)用性強(qiáng)。
2 CAN 總線簡介
CAN 總線由德國BOSCH 公司首先提出來的，CAN總線是目前工業(yè)界廣泛應(yīng)用的總線。
CAN 控制器工作于多主站方式，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。CAN 協(xié)議廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼， 可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制， 通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)， 提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。
報(bào)文采用短幀格式，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低， 保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。CAN 的每幀信息都有CRC 校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，具有*的檢錯(cuò)效果。CAN 的通訊介質(zhì)可以為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。CAN 節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤幀的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，而總線上其它節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。CAN 總線通過兩個(gè)輸出端CANH 和CANL 與物理總線相連，不會出現(xiàn)損壞某些節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)象。CAN 節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能， 以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響， 不會出現(xiàn)象“死鎖”狀態(tài)。
3 通信結(jié)構(gòu)
通信系統(tǒng)組成如圖1 所示，上位計(jì)算機(jī)運(yùn)行監(jiān)控軟件與OMRON 的PLC 編程及配置軟件，并將計(jì)算機(jī)串口連接到RS232-CAN 適配器，配置為CAN 總線。下位PLC 采用多臺OMRON 的CPM2A 型PLC，將CPM2A的串口連接RS232-CAN 適配器，實(shí)現(xiàn)CAN 總線通信。
圖１ 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
通過適配器，計(jì)算機(jī)與PLC 成為CAN 總線的節(jié)點(diǎn)。
節(jié)點(diǎn)之間通過雙絞屏蔽線進(jìn)行總線式連接，首尾節(jié)點(diǎn)需要接120R 的匹配電阻。上位計(jì)算機(jī)可以通過CAN 總線實(shí)時(shí)監(jiān)控PLC 系統(tǒng)的運(yùn)行。
此方案是現(xiàn)場總線技術(shù)與集中控制技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，聯(lián)網(wǎng)后的PLC 網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)成一個(gè)DCS 系統(tǒng)。用戶在計(jì)算機(jī)上可以遠(yuǎn)程監(jiān)控、配置任何一臺PLC 的程序或狀態(tài)。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)方案充分發(fā)揮了CAN 總線的通信特點(diǎn): 實(shí)時(shí)、可靠、高速、遠(yuǎn)距離、易維護(hù)等。
使用RS232-CAN 適配器后，通信距離擴(kuò)大到5 公里（9600bps 時(shí)），組網(wǎng)的PLC 可增至110 臺（實(shí)際上受PLC內(nèi)部系統(tǒng)軟件的限制，zui多只能支持32 臺PLC 聯(lián)網(wǎng)）。
RS232-CAN 適配器采用光電隔離，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和安全性能。
另外，使用RS232-CAN 適配器，并不需改變PLC 系統(tǒng)原有的PLC 通訊協(xié)議和上位機(jī)監(jiān)控軟件，開發(fā)人員無須更改現(xiàn)在使用的串口通信程序，zui大限度的節(jié)省成本。
4 HOST-LINK 通信協(xié)議
采用RS232-CAN 適配器，計(jì)算機(jī)與PLC 的串口都被配置成CAN 總線。通信方式與上位機(jī)監(jiān)控軟件的編程方式與串行通信*相同。通信協(xié)議一般采用OMRON 公司的HOST-LINK 通信協(xié)議。
OMRON 公司的HOST-LINK 通信系統(tǒng)是由上位計(jì)算機(jī)（ IBM PC 或兼容機(jī)） 通過安裝在各臺PLC 上的HOST-LINK 單元或串行通信接口連接多臺PLC 構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。上位機(jī)對系統(tǒng)中的PLC 進(jìn)行集中管理與監(jiān)控，通過與HOST-LINK 單元的通信，可以編輯或修改各臺PLC 的程序，實(shí)時(shí)監(jiān)控其運(yùn)行過程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)的集散控制。對于小型PLC（ 如CPM2A） ， 可以通過其RS232 通信端口進(jìn)行鏈接。
系統(tǒng)使用HOST-LINK 通信協(xié)議進(jìn)行通信，上位機(jī)具有傳送優(yōu)先權(quán)， 總是首先發(fā)出命令并啟動(dòng)通信，HOST-LINK 單元到命令交由PLC 執(zhí)行，然后將執(zhí)行結(jié)果返回上位機(jī)， 二者以通信幀為單位， 輪流交換數(shù)據(jù)。
通信時(shí)， 一組傳送的數(shù)據(jù)稱為“塊”， 它是命令或響應(yīng)的單位，從上位機(jī)發(fā)送到HOST-LINK 單元的數(shù)據(jù)塊稱為命令塊，反過來， 從HOST-LINK 單元發(fā)送到上位機(jī)的數(shù)據(jù)塊稱為響應(yīng)塊。多點(diǎn)通信時(shí)，可作為單幀發(fā)送的zui大數(shù)據(jù)塊為131 個(gè)字符，因此當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)塊含有132 個(gè)或更多字符時(shí)， 要分成兩幀或多幀發(fā)送。
每個(gè)數(shù)據(jù)塊都以設(shè)備號及標(biāo)題開始，以校驗(yàn)碼（FCS）及結(jié)束符結(jié)束。響應(yīng)塊中還包括反應(yīng)執(zhí)行結(jié)果的響應(yīng)碼。通信格式如圖2 所示。
圖2 HOST-LINK 通信幀格式
5 通信實(shí)現(xiàn)
用戶可以采用通用的組態(tài)軟件（如組態(tài)王）實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與PLC 的通信，也可以編寫計(jì)算機(jī)程序。
要編寫計(jì)算機(jī)通信程序，可以采用VB、VC 等語言進(jìn)行編程，編程可以有多種方式[4]。使用MSComm控件通過串行端口傳送和接數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與PLC之間的數(shù)據(jù)通信， 編程較簡單。
MSComm 控件提供了一種有效的處理串*互作用的方法:事件驅(qū)動(dòng)法。該方法利用OnComm 事件捕獲并處理通信及其錯(cuò)誤，當(dāng)CommEvent 屬性發(fā)生變化時(shí)，就產(chǎn)生事件并等待相應(yīng)處理。每個(gè)MSComm 控件都有一個(gè)串口相對應(yīng)。
Visual Basic 6.0（以下簡稱VB） 是一種功能強(qiáng)大、簡單易學(xué)的程序設(shè)計(jì)語言，利用ActiveX 控件MSComm能十分方便地開發(fā)出使用計(jì)算機(jī)串口的計(jì)算機(jī)通信程序。本文在VB中使用MSComm控件實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與PLC的串行通信。
VB 程序由串口初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接等幾大部分組成。主要的程序段如下所示。
Rem 程序加載時(shí)進(jìn)行串口初始化
以上給出了計(jì)算機(jī)與PLC 通信的主要程序段。需要注意的是，如果傳送的數(shù)據(jù)大于132 個(gè)字符，可以將數(shù)據(jù)分成起始幀、若干中間幀、結(jié)束幀進(jìn)行傳送。起始幀必須包含設(shè)備號， 命令碼等， 否則通信的過程中將會有錯(cuò)誤發(fā)生。上位機(jī)每發(fā)送完一幀時(shí)，在到PLC 返回的分界符（即“↙”）后再發(fā)送下一幀，只有當(dāng)結(jié)束幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢時(shí)才返回響應(yīng)代碼。
6 結(jié)束語
本文基于VB 利用MSComm 控件實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與歐姆龍PLC 的串行通信，充分發(fā)揮了CAN 總線實(shí)時(shí)、可靠、高速、遠(yuǎn)距離、易維護(hù)的特點(diǎn)。計(jì)算機(jī)能夠深入地配合PLC 廠商提供的各種軟件，從而實(shí)現(xiàn)更多強(qiáng)大的功能， 比如系統(tǒng)配置、人機(jī)界面、組態(tài)開發(fā)等。
通常，計(jì)算機(jī)與PLC 通過串口連接，實(shí)現(xiàn)各種通信功能。但串口的通信距離、節(jié)點(diǎn)數(shù)量都受到了串口本身的性能限制。比如，RS-232 標(biāo)準(zhǔn)只可以實(shí)現(xiàn)1:1 通信，RS-422/485 標(biāo)準(zhǔn)能夠?qū)崿F(xiàn)32 個(gè)節(jié)點(diǎn)以內(nèi)的通信，通信距離、抗干擾能力都比較弱，并不能夠滿足實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場多臺PLC 聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需求。即使借助RS232/RS485-CAN 適配器也很難突破串行通信本身的功能限制[5]。
針對這一情況，可以采用計(jì)算機(jī)內(nèi)置PC-CAN 接口卡，可以建立起1 條或者多條CAN 總線網(wǎng)絡(luò)，并通過連接在CAN 總線網(wǎng)絡(luò)中的RS232/RS485-CAN 適配器，借助于CAN 總線網(wǎng)絡(luò)配套的虛擬串口軟件，建立多達(dá)2047 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的串行通信端口，從而連接多達(dá)2047 條串行網(wǎng)絡(luò)[6]。也就是說，可以在同1 條普通雙絞線上連接多達(dá)2047 臺PLC 設(shè)備，工控PC 訪問連接在這條CAN總線網(wǎng)絡(luò)上的PLC 設(shè)備，也與操作標(biāo)準(zhǔn)串口*一致。
這種方式可以充分發(fā)揮工控PC 的作用，通信效率比較高，應(yīng)用靈活，是一般PLC 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的主流方向。
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