一種基于自由串口協(xié)議的PLC與CAN總線通信方法及實(shí)現(xiàn)

杜惠明,胡康杰,趙 昊

（武漢電力設(shè)備廠,湖北 武漢 430064）

0 引言

CAN總線具有配置靈活、高可靠性、高速性、非破壞性總線仲裁技術(shù)、自動(dòng)判斷數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、高效的短幀結(jié)構(gòu)抗干擾能力強(qiáng)、自動(dòng)重發(fā)功能、解決總線競(jìng)爭功能以及具有報(bào)文優(yōu)先權(quán)進(jìn)行總線訪問機(jī)制等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于交通工具、自動(dòng)控制、機(jī)械工業(yè)、建筑以及航空航天等領(lǐng)域。

可編程控制器（PLC）是以微處理器為根基的通用工業(yè)控制裝置，自1969年誕生以來，已成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)控制的支柱設(shè)備。但由于功能需求、價(jià)格等因素，應(yīng)用在一般的中小型控制系統(tǒng)中的可編程控制器往往只提供傳統(tǒng)的RS485或RS232串口通訊接口，具有一定的局限性。本文介紹了普遍運(yùn)用于中小型控制系統(tǒng)中的西門子SMART 200系列PLC作為控制單元與現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的CAN總線控制器的通訊方法及實(shí)現(xiàn)。

1 CAN總線

CAN屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，是一種高可靠性、高性能、易開發(fā)和低成本的多主方式的串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。電氣傳輸介質(zhì)方式包括以下使用方式：單線總線、兩線總線、共用一條線傳輸信號(hào)和供電。在實(shí)際應(yīng)用中，普遍采用的傳輸方式為兩線總線式，該方式可以抑制共模誤差，保證信號(hào)在非常低的信號(hào)電平下可靠傳輸，傳輸介質(zhì)為高抗干擾能力的雙絞線。

CAN的數(shù)據(jù)格式依據(jù)標(biāo)識(shí)符（ID）長度分為標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式兩種格式：具有11位標(biāo)識(shí)符的稱為標(biāo)準(zhǔn)幀，而具有11位基本標(biāo)識(shí)符和18位擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符的則稱為擴(kuò)展幀。如圖1所示，數(shù)據(jù)幀由幀起始、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域、CRC校驗(yàn)域、應(yīng)答域和幀結(jié)束7個(gè)不同的部分組成。其中在標(biāo)準(zhǔn)消息格式幀中，幀起始1位，11位標(biāo)識(shí)符和1位遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求組成仲裁域，控制域6位，數(shù)據(jù)域0-8個(gè)字節(jié)（每個(gè)字節(jié)8位），15位的CRC序列和1位CRC界定符組成CRC校驗(yàn)域，應(yīng)答域?yàn)?位應(yīng)答位和1位應(yīng)答界定位組成，幀結(jié)束7位。在擴(kuò)展消息格式幀中，與標(biāo)準(zhǔn)消息格式幀唯一不同的是仲裁域，其仲裁域由11位基本標(biāo)識(shí)符、代替遠(yuǎn)程請(qǐng)求位、標(biāo)識(shí)符擴(kuò)展位、18位擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符、遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位組成，其他與標(biāo)準(zhǔn)格式相同。

圖1 數(shù)據(jù)幀格式Fig.1 Data frame format

2 CANCOM-100IE智能轉(zhuǎn)換器及丹弗斯MC系列控制器

2.1 CANCOM-100IE智能轉(zhuǎn)換器硬件

西門子 SMART 200系列PLC產(chǎn)品本身不支持CAN總線通訊協(xié)議，但其支持自由串口協(xié)議，控制系統(tǒng)中需要第三方設(shè)備將PLC能接受的通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換成CAN總線通訊協(xié)議。CANCOM-100IE智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器可以快速地實(shí)現(xiàn)RS-232/485/422通訊設(shè)備與CAN-bus現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備雙向數(shù)據(jù)通訊。轉(zhuǎn)換器串口通訊速率在600-230 400 bps之間可以設(shè)定，CAN-bus通訊速率設(shè)置范圍為5 Kbps—1 Mbps。轉(zhuǎn)換器提供透明轉(zhuǎn)換、透明帶標(biāo)識(shí)轉(zhuǎn)換、格式轉(zhuǎn)換三種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模式。可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)用情景，通過轉(zhuǎn)換器配套的配置軟件靈活設(shè)置其運(yùn)行參數(shù)，產(chǎn)品外觀如圖2所示。

圖2CANCOM-100IE外觀Fig.2 The appearance of CANCOM-100IE

CANCOM-100IE智能轉(zhuǎn)換器具有兩類用戶接口：一類是CAN-bus通訊接口；一類是串口通訊接口：2線制RS-485通訊接口、3線制RS-232通訊接口、4線制RS-422通訊接口，其引腳接口定義如表1所示。

表1 CAN接口引腳定義Tab.1 The pin definition of the CAN interface

2.2 CANCOM-100IE智能轉(zhuǎn)換器軟件

通過軟件進(jìn)行參數(shù)配置前，需將智能轉(zhuǎn)換器撥碼至配置“CFG”模式，配置參數(shù)類型主要為3大類，分別為轉(zhuǎn)換參數(shù)、串口參數(shù)、CAN參數(shù)。轉(zhuǎn)換參數(shù)主要有轉(zhuǎn)換模式、轉(zhuǎn)換方向參數(shù)設(shè)置；串口參數(shù)包括波特率、串口校驗(yàn)方式；CAN參數(shù)由波特率、幀類型、濾波等參數(shù)組成。在系統(tǒng)中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來適當(dāng)配置相關(guān)參數(shù),其配置界面如圖3所示。

2.3 丹弗斯MC系列控制器

丹弗斯MC系列控制器采用ARM處理器，具有超大內(nèi)存空間和較強(qiáng)的數(shù)字處理能力。12位A/D分辨率，與傳統(tǒng)控制器相比具有更高的精度。通訊接口為CAN總線，其通過PLUS+1 GUIDE軟件（圖形用戶集成開發(fā)環(huán)境）開發(fā)程序，類似Autocad繪圖軟件界面，使電氣工程師能輕松上手，PLUS+1 GUIDE開發(fā)程序界面如圖4所示。

圖3 CANCOM-100IE轉(zhuǎn)換器配置工具Fig.3 The configuration tool of CANCOM-100IE converter

圖4 PLUS+1 GUIDE開發(fā)程序界面Fig.4 The interface of development software

3 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

整套系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖5所示，由控制器、I/O模塊、上位機(jī)及各個(gè)傳感器、執(zhí)行器構(gòu)成?？刂破髂K采用西門子S7-200 SMART系列可編程邏輯控制器和丹弗斯MC050-010控制器，I/O模塊分別由若干個(gè)數(shù)字量輸入模塊（DI）、數(shù)字量輸出模塊（DO）、模擬量輸入模塊（AI）組成，傳感器及執(zhí)行器包含所有設(shè)備運(yùn)行所需要的各類信號(hào)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等等。S7-200 SMART控制器與上位機(jī)通過無線局域網(wǎng)方式通訊，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互及處理。其中西門子控制器發(fā)送的自由串口數(shù)據(jù)經(jīng)適配器CANCOM-100IE轉(zhuǎn)換為CAN標(biāo)準(zhǔn)幀數(shù)據(jù)，丹弗斯控制器接受轉(zhuǎn)換成功的特定CAN標(biāo)準(zhǔn)幀數(shù)據(jù)，從而控制相應(yīng)的執(zhí)行器；另一方面，丹弗斯控制器發(fā)送的CAN數(shù)據(jù)經(jīng)適配器轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)，PLC接受該數(shù)據(jù)從而讀出CAN控制器中相關(guān)參數(shù)，其控制系統(tǒng)原理圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)Fig.5 the hardware architecture of the control system

在該控制系統(tǒng)中，利用西門子SMART 200系列PLC支持的自由端口協(xié)議發(fā)送可自由定義的自由串口數(shù)據(jù)，該串口數(shù)據(jù)流無奇偶校驗(yàn)，每個(gè)字符8位，波特率位9 600 bps，串口數(shù)據(jù)發(fā)送主要程序如圖6所示。

圖6 PLC發(fā)送串口數(shù)據(jù)主要程序段Fig.6 PLC sends the main program section of the serial data

為最大限度地提高智能轉(zhuǎn)換器CANCOM-100IE緩沖區(qū)的利用率以及轉(zhuǎn)換器的傳輸速度，轉(zhuǎn)換方式設(shè)為透明轉(zhuǎn)換——轉(zhuǎn)換器一收到一端總線的數(shù)據(jù)立即轉(zhuǎn)換發(fā)送至另一端總線，此外轉(zhuǎn)換的幀類型為標(biāo)準(zhǔn)幀格式。CAN總線控制器接受轉(zhuǎn)換成功的CAN數(shù)據(jù)主要程序段如圖7所示。

此時(shí)上位機(jī)通過無線網(wǎng)絡(luò)可同時(shí)控制兩種不同通訊類型協(xié)議的控制器，一定程度上擴(kuò)展了控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，并共用一套上位機(jī)操作系統(tǒng)，提高了控制系統(tǒng)的實(shí)用性和可操作性。應(yīng)用中通過調(diào)節(jié)串口數(shù)據(jù)大小，從而控制CAN總線控制器輸出波形。CAN總線控制器其中一輸出波形變化情況如圖8所示。

4 結(jié)語

CAN總線通訊是本項(xiàng)目PLC系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本項(xiàng)目利用CANCOM-100IE智能轉(zhuǎn)換器將支持不同通信協(xié)議的PLC設(shè)備、CAN總線控制系統(tǒng)設(shè)備連接在相同的控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，提高了控制系統(tǒng)的擴(kuò)展性和兼容性。該控制通訊方案在現(xiàn)有設(shè)備中得到充分應(yīng)用，運(yùn)行高效穩(wěn)定，具有一定的使用價(jià)值。

圖7 CAN總線控制器接受轉(zhuǎn)換的CAN數(shù)據(jù)Fig.7 The CAN bus controller accepts converted CAN data

圖8 CAN總線控制器輸出波形變化圖Fig.8 A waveform change chart issued by the controller