西门子3VA1196-5GD42-0AA0

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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。主干线的较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**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之间的较大距离**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主干线的较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,随着通讯距离的加长,需要适当加大通讯电缆线的截面积。

当网络连接设备数量大于110或距离**过10km时,在合理位置安装canbridge网桥,就可以使can-bus网络延长1倍的通讯距离,并可增加连接220个的can-bus节点数目。

2.plc串行通讯协议

omron公司cpm系列中小型plc的串行通讯使用“命令－应答”通信方式,工控pc可通过对串口编程的方式与cpm系列plc实现数据通信。pc与plc实现一次数据交换的过程,即传输的命令和应答之数据总和称为一帧,一帧较多可包含131个数据字符。

omron公司plc采用hostbbbb通讯协议。

3.hostbbbb命令帧格式

pc机按hostbbbb命令帧的格式,向plc发送命令。hostbbbb命令帧见图2。

图2 omron公司plc命令帧格式

hostbbbb命令帧的规定如下：

*@符号必须置于每个命令的开头;

*节点号,用来辨识每一台plc的节点地址;

*读/写,指明plc的哪个寄存器单元,例读写ir/sr区时它的识别码设置分别为rr和wr,读写dm区分别为rd和wd。

*fcs,设置两字符的帧检查顺序码,是一个转换成2个ascii字符的8位数据,这8位数据为从帧开始到正文结束(即fcs之前)所有数据执行“异或”操作的结果。

*终止符设置“*”和回车两字符,表示命令结束。

hostbbbb命令帧可以有较多131个字符长。一个等于或大于132字符的命令必须分成若干帧。命令分段,使用回车定界符(chr $(13))。

4.hostbbbb应答帧格式

plc对于接收到的命令帧,都会给予数据响应,发送hostbbbb应答帧,格式见图3。

图3 omron公司plc应答帧格式

识别码、正文取决于plc接收到的上位机联结命令,结束字表示命令完成的状态(即是否有错误发生),当应答帧的长度**过132字符,它必须分成若干帧。

结束字是应答帧中表示plc应答的信息。结束字代码为00表示正常结束,13表示fcs错误,14表示格式错误,15表示入口码数据错误,18表示帧长度错误,a3表示传输数据时因fcs错误引起终止,a8表示传输数据时,因帧长度错误引起终止。

5.plc与网关can232mb的连接

cpm系列plc集成1个rs-232串行通讯端口,采用db9孔型插座;can232mb转换器集成1个rs-232串行通讯端口,也采用db9孔型插座。

串行通信电缆一端连接can232mb转换器,另一端连接cpm系列plc。注意,通讯电缆的两个db9端口不可互换。

图4 plc通信电缆的引脚连接

6.plc与网关can485mb的连接

omron公司的cxp软件可以在一个rs-485标准的串行通讯端口上连接多达32台cpm2a系列plc设备;每台plc设备都需要预先设定一个一的5位地址编号,用于在rs-485网络中区分各台plc设备。

rs-485标准是一种多点网络通讯方式。通过网关can485mb转换器,可以建立一个符合rs-485标准的虚拟串口。cpm2a系列plc可以借助于rs-232转rs-485电平转换器,得到一个rs-485标准的通讯端口。（//www./版权所有）多台预设地址编号的plc可以通过rs-485串行通讯方式联网,并与can485mb转换器组成1~32个节点、1km距离范围内、rs-485标准的plc网络。

按上述方式,整个地区的plc网络可以由多个网关can485mb转换器构建面成,而每一个网关can485mb转换器都可以组建一个rs-485标准的小型plc网络构成。这样,就可以形成大型的星形plc 网络。

7.plc网络的组态开发

通过网关can232mb/can485mb转换器可以建立多个虚拟串口,用于连接plc设备。虚拟串口的操作方式与pc标准串口完全相同。

通常的组态环境(例如昆仑通态mcgs、组态王kingview等)都可以按串行通讯设备驱动的方式支持omron公司plc设备的开发。如果组态环境可以支持按多串口方式扩展的多台plc设备,同样也可以支持基于现场总线can-bus网络的虚拟串口方式构建的串行plc网络。

需要注意的是,串行plc网络基于现场总线can-bus而构建,每一条命令帧/响应帧都需要一定的传输时间。例如,当can-bus总线的通讯波特率设置为10kbps时,传输30字节的命令帧至少约需60ms传输时间;加上响应帧的延迟,plc网络中的任何一台plc与工控pc需要约150ms才能够执行1次完整的通讯过程。这一时间即单台plc通讯周期。按此参数计算,当使用1条现场总线can-bus网络,建立有30台plc设备构成的plc网络时,工控pc主动查询一遍所有plc设备的状态,大概需要花费约30倍的单台plc通讯周期。应用组态环境开发plc网络时,用户必须重视网络的通讯延迟因素,并在组态环境中设置相关的定时参数;否则,可能会导致组态环境不能够正常运行。

我们可以通过一些方法来提高plc网络的响应速度。解决方法之一是增加can-bus网络的数量,由此减少每一个can-bus网络中的plc设备数量;另外,提高can-bus网络的通讯波特率也可以获得相同的效果,其代价是会缩短can-bus网络的通讯距离。

7、结语

本文介绍的实例“通过现场总线can-bus网络对多台plc进行联网控制”已经通过了实际项目的运行考验,现场作业的网络长度达到7km以上。在系统的实际运行中,现场总线can-bus的稳定性、抗干扰能力得到充分的体现。在这个工程项目中,不需要改变原有的pc控制平台,可以将现有控制设备无缝地嵌入先进的现场总线网络,构成新一代的dcs分布式控制系统。方案以较低的成本投入,换取了现场自动化网络的大跨度提升。