6ES7235-0KD22-0XA8物优**

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1  引言
    
    　目前，一般常见plc型号都没有集成现场总线can-bus的通讯功能接口，因而不便于基于can总线多台plc控制网络的实现。随着应用技术的发展，工业经常会出现需要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网络的集成工程需求也应运而生。
    
    　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。这个方案不仅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，而且将现场总线技术与集中控制技术**结合，联网后的plc网络可以构成一个性能优越的dcs系统；用户在同一个主控制器(pc机)上可以远程监控、改变任何一台联网plc的程序或状态。
             
2  组建plc网络的两种方式
    
    　通用plc一般提供1～2个rs-232或rs-485通讯端口，用于与其他控制设备通讯；这些通讯端口支持有限的通讯协议，实现plc设备的通讯与配置。本项目利用plc自身的通讯端口，将其扩展成为能够与多台设备联网，实现基于现场总线can-bus多台plc网络。根据网络中主控制器的不同，plc网络分为以下方式：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。本文重点讨论两种基于rs-232或rs-485通讯端口plc的组网方法。
    
    　2.1 plc串行联网  
    
   　 通过rs-232/rs-485转can-bus网关进行信号转换使plc具有can-bus通讯接口。多台具有can-bus通讯接口的plc之间相互连接，即可以组建plc网络。每台连接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。

   　 通过上述方式组建的plc网络，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，**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，plc网络中可以连接具有can-bus通讯接口的hmi人机界面。
    
   　 2.2 多台plc与工控pc并行联网  
    
 　   工控pc机内插pci-can板卡(如研华的pci1680、周立功的pci5110等)，可以组建can-bus网络，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。即在一条普通双绞线上连接多达2047台plc设备，工控pc机访问连接在can-bus网络上的plc设备，与操作标准串口完全一致。这种方式可以充分发挥工控pc机的作用，通讯效率比较高，是一般plc网络建设的主流方向。本文采用此种方案组建plc网络。

3  plc网络的硬件组成与连接
    
   　 建立plc网络，除了plc设备，还需要建立现场总线can-bus网络的设备，主要有rs-232转can-bus网关、pci-can接口卡等。
    
   　 rs-232转can-bus转换器可以方便地连接到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。转换器通过modbus协议转换，可以支持不同通讯协议的plc设备。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转换器。rs-232转can转换器和rs-485转can转换器读者可以自行设计，也可以购买目前市场成熟的产品，如研华的亚当模块、周立功的智能转换模块等。
    
   　 工控pc机内插pci-can接口卡，可以令工控pc机具有现场总线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。
    
   　 pci-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。利用“虚拟串口服务器”软件可以开发基于串口通讯的软件项目，组建基于can总线的plc网络。

4  三菱－西门子can网络集成案例
    
    　4.1 原理设计
    
    　在某印染厂的印染控制系统中，有两台瑞士布赛5v型平网印花机、三台闽台奇正平网印花机、2台日本东升平网印花机以及2台两台德国的mbk圆网印花机，这些设备的主控制器是西门子的s7-200以及日本三菱的fx系列的plc。为了使印染厂的印染控制系统能够在一台上进行监控以及控制，单台plc进行现场设备信号的采集和控制，由于各个现场plc工作点距离较远远，工控机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。
    
  　  每台平网印花机plc设备集成有1个rs-4852串行通讯端口，通过can转rs-485转换器连接到现场总线can-bus网络。工控机pc内置1块pci-can接口卡，型号为pci-1680接口卡，可以使工控机成为can-bus网络中的节点，能够同时管理九台平网印花机。
    
   　 plc串行通讯协议实现，不同厂家，plc的串行通讯协议不同，本就以本项目所用的s7-200为例说明其通讯方法。s7-200系列plc配有rs-485标准串行接口，可实现下列四种网络的连接：
    
  　  (1) simatic s7-200网络(ppi协议)；
    
    (2) 用户可编程接口协议(自由口模式)采用可编程自由口通信模式(free port mode)；
     
  　  (3) profibus-dp网络。
    
    　4.2 系统通讯
    
  　  本项目采用自由口通讯的模式，与自由口模式有关的特殊寄存器及相关的位：
    
   　 (1) 控制字寄存器smb30：s7-200plc的通信模式由smb30设置，当mm=01时plc工作于自由口模式。
    
    　(2) 通信接收字符缓冲器smb2：smb2是一个暂态寄存器，用于存放在自由口通信方式下接收到的当前字符，用户在下一步应从这里取走其中的内容，通过编程控制将接收到的字符一个一个由smb2移入接收缓冲区。
   
(3) 通信校验结果标志位smb3.0：plc按smb30规定的奇偶校验方式对所接收到的数据作校验。如果校验有错，plc自动将smb3.0置1，sm3.0=0表示奇偶校验正确。根据这个标志，可决定对当前信息的取舍，还可以在出错的情况下，将此错误位发送给对方，以便要求它重发。
    
  　  (4) 工作方式标志位sm0.7：s7-200系列plc只有处于运行(run)方式时才能进行自由口模式通信，而在停止(stop) 方式时只能以ppi模式通信。当plc处于run方式时sm0.7=1，否则sm0.7=0，因此可通过判断sm0.7的状态来打开或关闭自由口通信。
    
  　  (5) 发送器空标志sm4.5及收发指令：s7-200plc有专门的发送指令：xmt  table  port table为发送数据的字节数即数据长度，较大为225；port*通信口，自由口模式下必须为0。当正发送数据信息时，特殊存储器位sm4.5=0，当发送完成后，sm4.5=1，因此可通过判断sm4.5的状态来进行发送后处理，也可直接用发送中断来处理。cpu215 cpu216还提供了接收控制指令：rcv table port与smb86 smb94 smb 186 smb 194寄存器配合，用以改变(初始化或终止)接收信息。
    
    　plc串行通讯程序执行时，在每一个扫描周期的开始，都要检查sm0.7的状态，若plc处于run方式即sm0.7=1，则打开自由口模式并设置其它相关的波特率、奇偶校验等参数，否则置自由口模式无效。

可编程控制器，英文称ProgrammableLogicController，简称PLC。PLC是基于电子计算机，且适用于工业现场工作的电控制器。它源于继电控制装置，但它不像继电装置那样，通过电路的物理过程实现控制，而主要靠运行存储于PLC内存中的程序，进行入出信息变换实现控制。 

PLC基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。普遍计算机进行入出信息变换，多只考虑信息本身，信息的入出，只要人机界面好就可以了。而PLC则还要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的使用等问题。特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，抗干扰等问题。 

1.1实现控制要点 

输入输出信息变换、可靠物理实现，可以说是PLC实现控制的两个基本要点。 

输入输出信息变换靠运行存储于PLC内存中的程序实现。PLC程序既有生产厂家的系统程序(不可更改)，又有用户自行开发的应用（用户）程序。系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信号与信息转换进行必要的公共处理。用户程序由用户按控制要求设计。什么样的控制要求，就应有什么样的用户程序。 

可靠物理实现主要靠输人（bbbbb）及输出（OUTPUT）电路。PLC的I/O电路，都是专门设计的。输入电路要对输入信号进行滤波，以去掉高频干扰。而且与内部计算机电路在电上是隔离的，靠光耦元件建立联系。输出电路内外也是电隔离的，靠光耦元件或输出继电器建立联系。输出电路还要进行功率放大，以足以带动一般的工业控制元器件，如电磁阀、接触器等等。 

I/O电路是很多的，每一输入点或输出点都要有一个I或O电路。PLC有多I/O用点，一般也就有多少个I/O用电路。但由于它们都是由高度集成化的电路组成的，所以，所占体积并不大。 

输入电路时刻监视着输入状况，并将其暂存于输入暂存器中。每一输入点都有一个对应的存储其信息的暂存器。 

输出电路要把输出锁存器的信息传送给输出点。输出锁存器与输出点也是一一对应的 

这里的输入暂存器及输出锁存器实际就是PLC处理器I/O口的寄存器。它们与计算机内存交换信息通过计算机总线，并主要由运行系统程序实现。把输人暂存器的信息读到PLC的内存中，称输入刷新。PLC内存有专门开辟的存放输入信息的映射区。这个区的每一对应位（bit）称之为输入继电器，或称软接点。这些位置成1，表示接点通，置成0为接点断。由于它的状态是由输入刷新得到的，所以，它反映的就是输入状态。 

输出锁存器与PLC内存中的输出映射区也是对应的。一个输出锁存器也有一个内存位（bit）与其对应，这个位称为输出继电器，或称输出线圈。靠运行系统程序，输出继电器的状态映射到输出锁存器。这个映射也称输出刷新。输出刷新主要也是靠运行系统程序实现的。这样，用户所要编的程序只是，内存中输入映射区到输出映射区的变换，特别是怎么按输入的时序变换成输出的时序。这是一个数据及逻辑处理问题。由于PLC有强大的指令系统，编写出满足这个要求的程序是完全可能的，而且也是较为容易的。

1.2实现控制过程

简单地说，PLC实现控制的过程一般是：

                           图1.1 PLC典型开机流程

输入刷新--再运行用户程序--再输出刷新--再输入刷新--再运行用户程序--再输出刷新……**停止地循环反复地进行着。 

图1.1所示的流程图反映的就是上述过程。它也反映了信息的时间关系。

有了上述过程，用PLC实现控制显然是可能的。因为：有了输入刷新，可把输入电路监控得到的输入信息存入PLC的输入映射区；经运行用户程序，输出映射区将得到变换后的信息；再经输出刷新，输出锁存器将反映输出映射区的状态，并通过输出电路产生相应的输出。又由于这个过程是**停止地循环反复地进行着，所以，输出总是反映输入的变化的。只是响应的时间上，略有滞后。当然，这个滞后不宜太大，否则，所实现的控制不那么及时，也就失去控制的意义。

为此，PLC的工作速度要。速度快、执行指令时间短，是PLC实现控制的基础。事实上，它的速度是很快的，执行一条指令，多的几微秒、几十微秒，少的才零点几，或零点零几微秒。而且这个速度还在不断提高中。

图1.1所示的过程是简化的过程，实际的PLC工作过程还要复杂些。除了I/O刷新及运行用户程序，还要做些公共处理工作。

公共处理工作有：循环时间监控、外设服务及通讯处理等。

监控循环时间的目的是避免"死循环"，避免程序不能反复不断地重复执行。办法是用"看门狗"（Watchingdog）。只要循环**时，它可报警，或作相应处理. 

外设服务是让PLC可接受编程器对它的操作，或通过接口向输出设备如打印机输出数据. 

通讯处理是实现PLC与PLC，或PLC与计算机，或PLC与其它工业控制装置或智能部件间信息交换的。这也是增强PLC控制能力的需要。 

也就是说，实际的PLC工作过程总是：公共处理--I/O刷新--运行用户程序--再公共处理--……反复不停地重复着。

1.3可编程控制器实现控制的方式 

用这种不断地重复运行程序实现控制称扫描方式。是用计算机进行实时控制的一种方式。此外，计算机用于控制还有中断方式。在中断方式下，需处理的控制先申请中断，被响应后正运行的程序停止运行，转而去处理中断工作（运行有关中断服务程序）。待处理完中断，又返回运行原来程序。哪个控制需要处理，哪个就去申请中断。哪个不需处理，将不被理睬。显然，中断方式与扫描方式是不同的。 

在中断方式下，计算机能得到充分利用，紧急的任务也能得到及时处理。但是，如果同时来了几个都要处理的任务该怎么办呢？**级高的还好办，低的呢？可能会出现照顾不到之处。所以，中断方式不大适合于工作现场的日常使用。 

但是，PLC在用扫描方式为主的情况下，也不排斥中断方式。即，大量控制都用扫描方式，个别急需的处理，允许中断这个扫描运行的程序，转而去处理它。这样，可做到所有的控制都能照顾到，个别应急的也能进行处理。 

PLC的实际工作过程比这里讲的还要复杂一些，分析其基本原理，也还有一些理论问题。有关人员如果能把上面介绍的入出变换、物理实现--信息处理、I/O电路--空间、时间关系--扫描方式并辅以中断方式，作为一种思路加以研究，弄清了它，也就好理解PLC是怎样去实现控制的，也就好把握住PLC基本原理的要点了。

在发达的工业国家，PLC已经广泛地应用在所有的工业部门，随着其性能价格比的不断提高，应用范围不断扩大，主要有以下几个方面： 

     1．开关量逻辑控制 

    PLC具有“与”、“或”、“非”等逻辑指令，可以实现触点和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序逻辑控制。开关量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线，其应用领域已遍及各行各业，甚至深入到家庭。 

    2．运动控制 

    PLC使用**的指令或运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，可实现单轴、双轴、3轴和多轴位置控制，使运动控制与顺序控制功能**地结合在一起。PLC的运动控制功能广泛地用于各种机械，如金属切削机床、金属成形机械、装配机械、机器人、电梯等场合。 

  3．闭环过程控制 

    过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量I／O模块，实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A／D转换与D／A转换，并对模拟量实行闭环PID(比例-积分-微分)控制。现代的大中型PLC一般都有PID闭环控制功能，这一功能可以用PID子程序或**的PID模块来实现。其PID闭环控制功能已经广泛地应用于塑料挤压成形机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。 

 4．数据处理 

    现代的PLC具有数学运算(包括四则运算、矩阵运算、函数运算、字逻辑运算、求反、循环、移位和浮点数运算等)、数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以与储存在存储器中的参考值比较，也可以用通信功能传送到别的智能装置，或者将它们打印制表。 

 5．通信联网 

    PLC的通信包括主机与远程I／O之间的通信、多台PLC之间的通信、PLC与其他智能控制设备(如计算机、变频器、数控装置)之间的通信。PLC与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。 

    必须指出，并不是所有的PLC都有上述全部功能，有些小型PLC只有上述的部分功能，但是价格较低。

可编程控制器是60年代末在美国首先出现，当时叫可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller），目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内。控制器和被控对象连接方便。

随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到70年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为*处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至**大规模的集成电路，这时的PLC已不再是逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用微处理器的优点。

可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此可在初步设计阶段选用可编程控制器，在实施阶段再确定工艺过程。另一方面，从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的订货要求专门设计控制器，适合批量生产。由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的应用。