PLC可擴展功能的軟硬件實現方法

謝華鋒，胡平平，宋林章，唐　杰（北京中油瑞飛信息技術有限責任公司，北京　　100007）

PLC可擴展功能的軟硬件實現方法

謝華鋒，胡平平，宋林章，唐杰（北京中油瑞飛信息技術有限責任公司，北京100007）

1　引言

PLC（Programmable Logic Controller）因其簡明的編程語言、良好的通用性、低廉的維護成本和穩定的性能得到了各行各業的認可，目前PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環保等各個行業。然而，行業中對PLC控制能力需求的增加，一方面增加了對PLC I/O點數的需求，另一方面也對單體PLC的性能提出了更高的要求。本文針對以上兩各方面的需求提出了兩種PLC控制器I/O可擴展方案的軟硬件實現方法。

2　PLC控制器的系統概述

PLC控制器由硬件驅動層、軟件驅動層、操作系統層和PLC內核應用層組成。硬件驅動層為軟件驅動層提供外部硬件的操作接口，包括現場I/O擴展模塊的采集驅動、通用RS485通信接口、RS232通信接口、以及2路以太網通信口接口和CAN通信接口。軟件驅動層為嵌入式LINUX內核提供標準的控制接口，通過軟件驅動層，操作系統層對硬件驅動層設備進行統一的管理、控制。PLC內核應用層，包括PLC內核、MODBUS協議簇、DNP3.0、IEC60870-5-104、 CAN自定義 CAN-I/O BUS協議和ETH-I/O BUS協議。

3　PLC控制器的硬件實現方法

可擴展的PLC控制器硬件由核心板和基板兩部分組成。CPU、內存、NANDFLASH、FRAM、獨立看門狗等控制核心集中在核心板上，外部數據接口和通信接口集中在底板上。如圖1所示。這種硬件結構化設計，實現了核心接口電路與外圍接口電路在物理上的分離，降低了設計難度，加快研發設計速度，提高了核心電路的技術復用率且便于產品生產和升級。

圖1　（a）PLC主控板核心板原理框圖

圖1　（b）PLC主控板基板原理框圖

由圖1（a）可知PLC控制器CPU采用ATMEL的32位ARM9工業級處理器；內存系統采用256MB NAND FLASH、128MB SDRAM；16KB SPI FRAM保證系統在掉電情況下仍可保存數據；WATCH DOG確保了系統運行的絕對安全。

圖1（b）所示基板集成了3路RS485通信接口（端子）、1路RS232通信接口（RJ45）、2路以太網通信接口（RJ45），和1路CAN總線接口（接插件）。電源采用獨立的DC/DC隔離電源模塊，隔離電壓可達2kVDC，支持反接保護和短路保護。

通信接口電路設計采用光耦隔離方式。由于光耦合器輸入/輸出間互相隔離且電信號傳輸具有單向性特點，因而具有良好的電絕緣和抗干擾能力。另外，光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，具有很強的共模抑制能力，因此在長線信息傳輸中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。

3.1CAN總線接口電路

CAN總線接口電路主要包含控制器部分、收發器部分、隔離部分、外圍電路部分及供電電源部分，分別如圖2所示。

圖2　（a）CAN供電電路

圖2　（b）CAN收發指示電路

圖3　以太網硬件電路

圖2　（c）CAN控制、收發、隔離電路

CAN總線通信的核心是CAN總線控制器，本設計采用CPU片上集成CAN控制器實現CAN數據鏈路層、傳輸層功能。物理層功能通過CAN總線收發器芯片PCA82C250T實現。

3.2以太網總線接口電路

以太網總線接口電路主要包含以太網控制器部分、收發器部分、隔離部分、外圍電路部分及供電電源部分，如圖3所示。

以太網總線通信的核心是以太網總線收發控制器，本文采用CPU片上集成控制器實現以太網數據鏈路層、傳輸層功能，物理層功能通過以太網總線收發器芯片DM9162BI實現。

4　PLC控制器的軟件實現方法

可擴展的PLC控制器的軟件實現方法包括自定義CAN-I/O BUS協議和ETH-I/O BUS協議。針對不同的應用場合，需要對PLC控制器的性能、I/O點數需求進行綜合評估。

4.1CAN-I/O BUS協議擴展功能軟件實現

為實現PLC擴展模塊CAN鏈路緊湊互連，結構上通過，采用20PIN標準接插件，將PLC與I/O擴展模塊鏈接在一起，實現設計的緊湊和一體化。軟件上采用CAN-I/O BUS協議實現與I/O擴展模塊雙向通信。CAN-I/O BUS總線協議基于CAN2.0B串行通信協議，采用應答傳輸機制。CAN協議涵蓋了ISO規定的OSI基本參照模型中的傳輸層、數據鏈路層及物理層，如圖4所示。

圖4　ISO/ISO基本參數模型和CAN協議

圖4所示的物理層定義了信號實際的發送方式、位時序、位的編碼方式及同步的步驟。數據鏈路層分為MAC子層和LLC子層，MAC子層是CAN協議的核心部分。數據鏈路層的功能是將物理層收到的信號組織成有意義的消息，并提供傳送錯誤控制等傳輸控制的流程。具體地說，就是消息的幀化、仲裁、應答、錯誤的檢測或報告。

CAN2.0 B協議數據幀由包括幀起始、仲裁段、控制段、數據段、CRC段、ACK段和幀結束7個段構成。幀起始表示數據幀開始的段；仲裁段表示數據的優先級；控制段由6位構成，表示數據段的字節數；數據段可包含0～8個字節的數據，從MSB（最高位）開始輸出；CRC段由15位的CRC順序和1位的CRC界定符構成，用于檢查幀的傳輸錯誤；ACK段用來確認是否正常接收，由ACK槽和ACK界定符2位構成；幀結束由7位隱性位構成，表示數據幀結束。我們在CAN2.0 B協議格式封裝上進行了擴展，形成了自定義的報文格式，如圖5所示。

圖5　CAN-I/O BUS報文格式

圖5所示的報文格式中，SRR和IDE為1，RTR為0。協議的數據區為固定8字節長度，主從節點在發送數據時把DLC恒定設置為1000。另外，仲裁區包含方向標識、從節點號、協議號、總包號、包序號和板卡類型等信息。

4.2ETH-I/O BUS協議擴展功能軟件實現

PLC對I/O點狀態控制與監測，采用掃描方式。隨著I/O點數需求的增多，通過CAN通訊進行I/O點數擴展的方式，必然會導致掃描周期增長，進而降低PLC的實時性。為了在提升I/O點數的同時，不會降低PLC的性能，在PLC的CAN鏈路基礎上，軟件采用ETH-I/O BUS協議實現PLC從節點擴展（PLC主控作為主節點）。從節點在結構上與主節點采用相同的方式，使用CAN鏈路進行I/O擴展模塊鏈接。該部分數據處理交由從節點全權處理，而主節點只需要通過以太網與從節點進行數據交互，就從理論上實現PLC的I/O擴展模塊的無極限擴展。ETH-I/O BUS總線協議基于以太網通信，采用應答傳輸機制。

圖6（a）所示的請求數據報文格式中，請求報文中包括I/O點數狀態信息設置、I/O點數狀態信息采集控制。請求報文中，還包含協議類型、從節點、幀方向、幀發送時間、協議版本信息、I/O擴展模塊數量、I/O擴展模塊類型、I/O點地址以及當前I/O點狀態等信息。

圖6（b）所示的響應數據報文格式中，響應報文包含協議類型、從節點、幀方向、I/O擴展模塊數量、I/O擴展模塊類型、I/O點地址以及當前I/O點狀態等信息。

圖6　（a） ETH-I/O BUS請求數據報文格式

圖6　（b） ETH-I/O BUS響應數據報文格式

5　結論

本文提出的可擴展PLC控制器，CAN-I/O BUS結構上可通過20PIN標準接插件與其他I/O擴展模塊實現一體化連接；ETH-I/O BUS結構上可通過RJ45接口，與其他從節點進行級連（可直連或通過交換機）；電氣上可通過CAN-I/O BUS、ETH-I/O BUS協議實現互連、數據傳輸；支持多種工控編程語言，方便工程上進行二次開發。另外，合理的硬件/軟件設計提供了一套高效率、低成本的I/O擴展方案。在提升PLC控制器產品性能的前提下，實現了PLC控制器的I/O點數擴展。同時也確保了PLC控制器在極端環境下也能穩定、可靠地正常工作。

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Software and Hardware Implementation of Extensible Function in PLC

針對當前油氣生產井場站對PLC的功能需求不斷增強，在保證不降低產品性能的前提下，文檔提出了兩種I/O擴展功能的軟硬件實現方法，主要研究討論了低速通信接口（CAN總線接口）和高速通訊接口（以太網接口）下，對PLC的I/O點數進行擴展。

I/O擴展；PLC；CAN；以太網

On the premise of stabilizing product performance, and the constantly stable growth of functional requirement for PLC controller at oil and gas production well site stations, this paper proposes two methods for software and hardware implementation of I/O extension function. We mainly study the extension of PLC I/O points based on low-speed communication interface (CAN BUS interface) and high-speed communication interface (Ethernet interface).

I/O extension; Programmable Logic Controller (PLC); Controller area network (CAN); Ethernet

B

1003-0492(2016)11-0088-04

TP342+.3

謝華鋒（1974-），男，河南漯河人，軟件工程師，本科，現就職于北京中油瑞飛信息技術有限責任公司，主要研究方向為嵌入式開發。

胡平平（1986-），男，海南海口人，自動化工程師，本科，現就職于北京中油瑞飛信息技術有限責任公司，主要研究方向為工業自動化控制。

宋林章（1987-），男，河南信陽人，軟件工程師，本科，現就職于北京中油瑞飛信息技術有限責任公司，主要研究方向為嵌入式軟件開發。

唐杰（1988-），男，河南鄧州人，軟件工程師，本科，現就職于北京中油瑞飛信息技術有限責任公司，主要研究方向為嵌入式軟件開發。