通过现场总线can-bus,可以将多达数十台的中/小型plc联网,构成一个智能plc网络;同时,主控制器可以与指定的远程plc实现远程配置、控制通信,以及实现组态环境中的应用。
1、plc特点与plc网络
可编程控制器(plc)是一种数字控制专用电子计算机,它使用了可修改的程序存储器储存指令,执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能,并通过模拟和数字输入、输出等功能组件,控制各种机械或工作程序。长期以来,plc一直在各个行业的自动化控制领域得到广泛的使用,为各种各样的自动化设备提供了非常可靠的控制应用。
plc系统的工作任务相对简单,且需要传输的数据量一般不会太大,所以常见的plc系统为一层网络结构。plc一般应用在小型自控场所,比如设备的控制或少量模拟量的控制及联锁。小范围的集中式控制环境是plc发挥功能的最佳舞台。
目前,只有少量型号的plc集成有ethernet或现场总线can-bus通讯接口,价格也较贵;一般常见plc型号没有随本机集成通讯功能,不便于组建多台plc构成的中型控制网络。但是,随着应用技术的发展,经常会出现一些应用场合,在面积较大的范围内,需要n台plc协同完成一个系统的综合控制。此时,原有集中控制的单一plc控制方案就显得力所不及,plc网络的需求也应运而生。
本文提出了一种基于现场总线can-bus的plc网络方案,能够对多台联网的plc实现远程配置、数据通信,并能够在投入较低硬件成本的基础上,实现良好的系统运行性能。这个方案也充分发挥了现场总线can-bus的通信特点：实时、可靠、高速、远距离、易维护等。此方案是现场总线技术与集中控制技术的有机结合,联网后的plc网络可以构成一个性能优秀的dcs系统;用户在同一个主控制器上可以远程监控、改变任何一台联网plc的程序或状态。
2、plc网络的两种方式
通用plc一般都会提供1~2个rs-232或rs-485通讯端口,用于与其他控制设备或主控制器pc通讯;这些集成的通讯端口支持自行规定的通讯协议,或者modbus协议,实现plc设备的通讯与配置。构建plc网络,即利用plc本机的这一类通讯端口,将其扩展成为能够与多台设备联网,实现多点通讯的现场总线can-bus通讯接口。
根据网络中主控制器的不同,plc网络可以分为以下方式：
*多台plc联网,各plc地位平等,可外扩hmi人机界面。
*多台plc联网,由1台工控pc作为主控制器与操作界面。
3、多台plc串行联网
通过一个rs-232/rs-485转can-bus网关进行信号转换,独立plc就具有了现场总线can-bus通讯接口。多台具有现场总线can-bus通讯接口的plc之间相互连接,即可以组建plc网络。
每一台连接plc单元的rs-232/rs-485转can-bus网关都可以设定一个独立的设备id号,长度为11位或29位,用作为该plc单元的地址。每一台联网的plc单元在发送数据时,可设定在数据流中自动添加本地网关的设备id号;同理,每一台plc单元在接收数据时,可设定由网关检查数据流中的设备id号,自动接收符合要求的数据。
通过上述方式组建的plc网络,各台plc地位平等,任何一台plc均可以主动发起数据通讯,由can-bus网关起硬件自动仲裁作用,保障每一次通讯的数据不丢失;网络中的plc数量不受限制,数百、上千台plc都可以连接在同一现场总线can-bus网络中。同时,这个plc网络中还可以连接具有can-bus通讯接口的hmi人机界面,或由其中一台plc通过其他的串行通讯端口连接hmi人机界面。
这种方式组建的plc网络,与选择集成can-bus通讯功能的plc设备相比,具有更加灵活的系统扩展能力,也能够获得更好的性价比。
4、多台plc与工控pc并行联网
工控pc能够深入地配合plc厂商提供的各种软件,从而实现更多强大的功能,比如系统配置、人机界面、组态开发等,在plc领域的作用也越来越不可或缺。通常,工控pc与单台plc通过1个串口连接通讯,实现各种扩展功能;但串口的通讯距离、节点数量都受到了串口本身的性能限制。比如,rs-232标准只可以实现“点－点”通讯,rs-485/422标准能够实现32个节点以内的通讯,但通讯距离、抗干扰能力都比较弱,并不能够满足实际工业现场多台plc联网应用的需求。
工控pc内置pc-can接口卡,可以建立起1条或者多条现场总线can-bus网络,并通过连接在can-bus网络中的网关rs-232/rs-485转can-bus转换器,借助于can-bus网络配套的“虚拟串口”软件,建立多达2047个标准的串行通讯端口,从而连接多达2047条串行网络。也就是说,可以在同1条普通双绞线上连接多达2047台plc设备,工控pc访问连接在这条can-bus网络上的plc设备,也与操作标准串口完全一致。这种方式可以充分发挥工控pc的作用,通讯效率也比较高。
通过工控pc组建多台plc网络的系统结构如图 1所示。按这一种方式的建立plc网络的通讯效率较高,应用灵活,是一般plc网络建设的主流方向。
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