歐姆龍-基于CAN總線的計算機與PLC通信
1 引言
在現(xiàn)代工業(yè)中，PLC 之間或PLC 與計算機之間的通信聯(lián)網(wǎng)應用日益廣泛。PLC 的聯(lián)網(wǎng)功能越來越強。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)場總線通信聯(lián)網(wǎng)功能。但是，應用廣泛的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。
本文選用歐姆龍的CPM2A 機型，配合使用RS232-CAN 適配器，實現(xiàn)了計算機與PLC 的通信聯(lián)網(wǎng)，方法簡單， 實用性強。
2 CAN 總線簡介
CAN 總線由德國BOSCH 公司首先提出來的，CAN總線是目前工業(yè)界廣泛應用的總線。
CAN 控制器工作于多主站方式，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競爭向總線發(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)點個數(shù)在理論上不受限制， 通信實時性強， 提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。
報文采用短幀格式，傳輸時間短，受干擾概率低， 保證了數(shù)據(jù)出錯率極低。CAN 的每幀信息都有CRC 校驗及其他檢錯措施，具有*的檢錯效果。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)點在錯誤幀的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，而總線上其它節(jié)點的操作不受影響。CAN 總線通過兩個輸出端CANH 和CANL 與物理總線相連，不會出現(xiàn)損壞某些節(jié)點的現(xiàn)象。CAN 節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能， 以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響， 不會出現(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，上位計算機運行監(jiān)控軟件與OMRON 的PLC 編程及配置軟件，并將計算機串口連接到RS232-CAN 適配器，配置為CAN 總線。下位PLC 采用多臺OMRON 的CPM2A 型PLC，將CPM2A的串口連接RS232-CAN 適配器，實現(xiàn)CAN 總線通信。
圖１ 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
通過適配器，計算機與PLC 成為CAN 總線的節(jié)點。
節(jié)點之間通過雙絞屏蔽線進行總線式連接，首尾節(jié)點需要接120R 的匹配電阻。上位計算機可以通過CAN 總線實時監(jiān)控PLC 系統(tǒng)的運行。
此方案是現(xiàn)場總線技術(shù)與集中控制技術(shù)的有機結(jié)合，聯(lián)網(wǎng)后的PLC 網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)成一個DCS 系統(tǒng)。用戶在計算機上可以遠程監(jiān)控、配置任何一臺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，實現(xiàn)良好的系統(tǒng)運行性能。這個方案充分發(fā)揮了CAN 總線的通信特點: 實時、可靠、高速、遠距離、易維護等。
使用RS232-CAN 適配器后，通信距離擴大到5 公里（9600bps 時），組網(wǎng)的PLC 可增至110 臺（實際上受PLC內(nèi)部系統(tǒng)軟件的限制，zui多只能支持32 臺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)議和上位機監(jiān)控軟件，開發(fā)人員無須更改現(xiàn)在使用的串口通信程序，zui大限度的節(jié)省成本。
4 HOST-LINK 通信協(xié)議
采用RS232-CAN 適配器，計算機與PLC 的串口都被配置成CAN 總線。通信方式與上位機監(jiān)控軟件的編程方式與串行通信*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)是由上位計算機（ IBM PC 或兼容機） 通過安裝在各臺PLC 上的HOST-LINK 單元或串行通信接口連接多臺PLC 構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。上位機對系統(tǒng)中的PLC 進行集中管理與監(jiān)控，通過與HOST-LINK 單元的通信，可以編輯或修改各臺PLC 的程序，實時監(jiān)控其運行過程，實現(xiàn)自動化系統(tǒng)的集散控制。對于小型PLC（ 如CPM2A） ， 可以通過其RS232 通信端口進行鏈接。
系統(tǒng)使用HOST-LINK 通信協(xié)議進行通信，上位機具有傳送優(yōu)先權(quán)， 總是首先發(fā)出命令并啟動通信，HOST-LINK 單元到命令交由PLC 執(zhí)行，然后將執(zhí)行結(jié)果返回上位機， 二者以通信幀為單位， 輪流交換數(shù)據(jù)。
通信時， 一組傳送的數(shù)據(jù)稱為“塊”， 它是命令或響應的單位，從上位機發(fā)送到HOST-LINK 單元的數(shù)據(jù)塊稱為命令塊，反過來， 從HOST-LINK 單元發(fā)送到上位機的數(shù)據(jù)塊稱為響應塊。多點通信時，可作為單幀發(fā)送的zui大數(shù)據(jù)塊為131 個字符，因此當一個數(shù)據(jù)塊含有132 個或更多字符時， 要分成兩幀或多幀發(fā)送。
每個數(shù)據(jù)塊都以設(shè)備號及標題開始，以校驗碼（FCS）及結(jié)束符結(jié)束。響應塊中還包括反應執(zhí)行結(jié)果的響應碼。通信格式如圖2 所示。
圖2 HOST-LINK 通信幀格式
5 通信實現(xiàn)
用戶可以采用通用的組態(tài)軟件（如組態(tài)王）實現(xiàn)計算機與PLC 的通信，也可以編寫計算機程序。
要編寫計算機通信程序，可以采用VB、VC 等語言進行編程，編程可以有多種方式[4]。使用MSComm控件通過串行端口傳送和接數(shù)據(jù)，實現(xiàn)計算機與PLC之間的數(shù)據(jù)通信， 編程較簡單。
MSComm 控件提供了一種有效的處理串*互作用的方法:事件驅(qū)動法。該方法利用OnComm 事件捕獲并處理通信及其錯誤，當CommEvent 屬性發(fā)生變化時，就產(chǎn)生事件并等待相應處理。每個MSComm 控件都有一個串口相對應。
Visual Basic 6.0（以下簡稱VB） 是一種功能強大、簡單易學的程序設(shè)計語言，利用ActiveX 控件MSComm能十分方便地開發(fā)出使用計算機串口的計算機通信程序。本文在VB中使用MSComm控件實現(xiàn)上位機與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)接等幾大部分組成。主要的程序段如下所示。
Rem 程序加載時進行串口初始化
以上給出了計算機與PLC 通信的主要程序段。需要注意的是，如果傳送的數(shù)據(jù)大于132 個字符，可以將數(shù)據(jù)分成起始幀、若干中間幀、結(jié)束幀進行傳送。起始幀必須包含設(shè)備號， 命令碼等， 否則通信的過程中將會有錯誤發(fā)生。上位機每發(fā)送完一幀時，在到PLC 返回的分界符（即“↙”）后再發(fā)送下一幀，只有當結(jié)束幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢時才返回響應代碼。
6 結(jié)束語
本文基于VB 利用MSComm 控件實現(xiàn)了上位機與歐姆龍PLC 的串行通信，充分發(fā)揮了CAN 總線實時、可靠、高速、遠距離、易維護的特點。計算機能夠深入地配合PLC 廠商提供的各種軟件，從而實現(xiàn)更多強大的功能， 比如系統(tǒng)配置、人機界面、組態(tài)開發(fā)等。
通常，計算機與PLC 通過串口連接，實現(xiàn)各種通信功能。但串口的通信距離、節(jié)點數(shù)量都受到了串口本身的性能限制。比如，RS-232 標準只可以實現(xiàn)1:1 通信，RS-422/485 標準能夠?qū)崿F(xiàn)32 個節(jié)點以內(nèi)的通信，通信距離、抗干擾能力都比較弱，并不能夠滿足實際工業(yè)現(xiàn)場多臺PLC 聯(lián)網(wǎng)應用的需求。即使借助RS232/RS485-CAN 適配器也很難突破串行通信本身的功能限制[5]。
針對這一情況，可以采用計算機內(nèi)置PC-CAN 接口卡，可以建立起1 條或者多條CAN 總線網(wǎng)絡(luò)，并通過連接在CAN 總線網(wǎng)絡(luò)中的RS232/RS485-CAN 適配器，借助于CAN 總線網(wǎng)絡(luò)配套的虛擬串口軟件，建立多達2047 個標準的串行通信端口，從而連接多達2047 條串行網(wǎng)絡(luò)[6]。也就是說，可以在同1 條普通雙絞線上連接多達2047 臺PLC 設(shè)備，工控PC 訪問連接在這條CAN總線網(wǎng)絡(luò)上的PLC 設(shè)備，也與操作標準串口*一致。
這種方式可以充分發(fā)揮工控PC 的作用，通信效率比較高，應用靈活，是一般PLC 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的主流方向。
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