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(lái)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(chǎng)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(jiǎn)單， 實(shí)用性強(qiáng)。

　　2 CAN 總線簡(jiǎn)介

　　CAN 總線由德國(guó)BOSCH 公司首先提出來(lái)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(wèn)優(yōu)先權(quán)采用無(wú)損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競(jìng)爭(zhēng)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，具有極好的檢錯(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(guò)兩個(gè)輸出端CANH 和CANL 與物理總線相連，不會(huì)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(huì)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 專用的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(tái)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(guò)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(guò)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(guò)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(chǎng)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(tái)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(tái)(實(shí)際上受PLC內(nèi)部系統(tǒng)軟件的限制，最多只能支持32 臺(tái)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(wú)須更改現(xiàn)在使用的串口通信程序，最大限度的節(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完全相同。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(guò)安裝在各臺(tái)PLC 上的HOST-LINK 單元或串行通信接口連接多臺(tái)PLC 構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)中的PLC 進(jìn)行集中管理與監(jiān)控，通過(guò)與HOST-LINK 單元的通信，可以編輯或修改各臺(tái)PLC 的程序，實(shí)時(shí)監(jiān)控其運(yùn)行過(guò)程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)的集散控制。對(duì)于小型PLC( 如CPM2A) ， 可以通過(guò)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 單元收到命令交由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(guò)來(lái)， 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)送的最大數(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(hào)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 等高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行編程，編程可以有多種方式[4]。使用MSComm控件通過(guò)串行端口傳送和接收數(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(jiǎn)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(duì)應(yīng)。

　　Visual Basic 6.0(以下簡(jiǎn)稱VB) 是一種功能強(qiáng)大、簡(jiǎn)單易學(xué)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)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)接收等幾大部分組成。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