摘要： 通过现场总线CAN-bus，可以将多达数十台的中/小型PLC联网，构成一个智能PLC网络；同时，主控制器可以与指定的远程PLC实现远程配置、控制通信，以及实现组态环境中的应用。
关键词： PLC；CAN-bus；CAN232MB转换器；PC-CAN接口卡
PLC特点与PLC网络
可编程控制器(PLC)是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可修改的程序存储器储存指令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等功能组件，控制各种机械或工作程序。长期以来，PLC一直在各个行业的自动化控制领域得到广泛的使用，为各种各样的自动化设备提供了非常可靠的控制应用。
PLC系统的工作任务相对简单，且需要传输的数据量一般不会太大，所以常见的PLC系统为一层网络结构。PLC一般应用在小型自控场所，比如设备的控制或少量模拟量的控制及联锁。小范围的集中式控制环境是PLC发挥功能的最佳舞台。
目前，只有少量型号的PLC集成有Ethernet或现场总线CAN-bus通讯接口，价格也较贵；一般常见PLC型号没有随本机集成通讯功能，不便于组建多台PLC构成的中型控制网络。但是，随着应用技术的发展，经常会出现一些应用场合，在面积较大的范围内，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。这个方案也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。此方案是现场总线技术与集中控制技术的有机结合，联网后的PLC网络可以构成一个性能优秀的DCS系统；用户在同一个主控制器上可以远程监控、改变任何一台联网PLC的程序或状态。
PLC网络的两种方式
通用PLC一般都会提供1~2个RS-232或RS-485通讯端口，用于与其他控制设备或主控制器PC通讯；这些集成的通讯端口支持自行规定的通讯协议，或者Modbus协议，实现PLC设备的通讯与配置。构建PLC网络，即利用PLC本机的这一类通讯端口，将其扩展成为能够与多台设备联网，实现多点通讯的现场总线CAN-bus通讯接口。
根据网络中主控制器的不同，PLC网络可以分为以下方式：
*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。
多台PLC串行联网
通过一个RS-232/RS-485转CAN-bus网关进行信号转换，独立PLC就具有了现场总线CAN-bus通讯接口。多台具有现场总线CAN-bus通讯接口的PLC之间相互连接，即可以组建PLC网络。
每一台连接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。每一台联网的PLC单元在发送数据时，可设定在数据流中自动添加本地网关的设备ID号；同理，每一台PLC单元在接收数据时，可设定由网关检查数据流中的设备ID号，自动接收符合要求的数据。
通过上述方式组建的PLC网络，各台PLC地位平等，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，保障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，这个PLC网络中还可以连接具有CAN-bus通讯接口的HMI人机界面，或由其中一台PLC通过其他的串行通讯端口连接HMI人机界面。
这种方式组建的PLC网络，与选择集成CAN-bus通讯功能的PLC设备相比，具有更加灵活的系统扩展能力，也能够获得更好的性价比。
多台PLC与工控PC并行联网
工控PC能够深入地配合PLC厂商提供的各种软件，从而实现更多强大的功能，比如系统配置、人机界面、组态开发等，在PLC领域的作用也越来越不可或缺。通常，工控PC与单台PLC通过1个串口连接通讯，实现各种扩展功能；但串口的通讯距离、节点数量都受到了串口本身的性能限制。比如，RS-232标准只可以实现“点－点”通讯，RS-485/422标准能够实现32个节点以内的通讯，但通讯距离、抗干扰能力都比较弱，并不能够满足实际工业现场多台PLC联网应用的需求。
工控PC内置PC-CAN接口卡，可以建立起1条或者多条现场总线CAN-bus网络，并通过连接在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。也就是说，可以在同1条普通双绞线上连接多达2047台PLC设备，工控PC访问连接在这条CAN-bus网络上的PLC设备，也与操作标准串口完全一致。这种方式可以充分发挥工控PC的作用，通讯效率也比较高。
通过工控PC组建多台PLC网络的系统结构如图 1所示。按这一种方式的建立PLC网络的通讯效率较高，应用灵活，是一般PLC网络建设的主流方向。
图 1 多台PLC与工控PC并行联网
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。
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。
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”软件可以在不修改原有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。
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。主干线的最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。
应用实例
在一个实际的油田控制系统中，需要由超过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之间的最大距离超过了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。
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主干线的最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或距离超过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。
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，一帧最多可包含131个数据字符。
OMRON公司PLC采用HOSTLINK通讯协议。
HOSTLINK命令帧格式
PC机按HOSTLINK命令帧的格式，向PLC发送命令。HOSTLINK命令帧见图2。
图2 OMRON公司PLC命令帧格式
HOSTLINK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。
HOSTLINK命令帧可以有最多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))。
HOSTLINK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HOSTLINK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)，当应答帧的长度超过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。
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。通讯电缆的连接示意如图 4所示。
图4 PLC通信电缆的引脚连
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唯一的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。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。
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。
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。
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