PC與多類型PLC通信及監(jiān)控

摘 要：可編程控制器（PLC）發(fā)展至今，已經(jīng)形成了一系列的多功能產(chǎn)品，并廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制領(lǐng)域。但是，PLC的網(wǎng)絡(luò)功能比較薄弱，PC與PLC之間的通信存在諸多問(wèn)題。尤其是現(xiàn)在一些大型控制系統(tǒng)中，需要多臺(tái)PLC協(xié)同工作以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能，這就必須要解決PC與多類型PLC的通信及監(jiān)控問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：PLC；串行通訊；計(jì)算機(jī)控制

中圖分類號(hào)：TP273.5

隨著信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，可編程控制器的運(yùn)算速度越來(lái)越快，集成程度的不斷提高也使得PLC體積越來(lái)越小。為了節(jié)省維護(hù)成本，人們迫切希望各大PLC生產(chǎn)商的產(chǎn)品能夠具有更好的兼容性，并能夠?qū)崿F(xiàn)相互通信?，F(xiàn)代工業(yè)的自動(dòng)化程度不斷提高，自動(dòng)控制系統(tǒng)也變得日益龐大和復(fù)雜，研究PC與多類型PLC的通信與監(jiān)控有著重要意義。

1 CAN總線與PLC通信協(xié)議

作為總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)的一種，與其他通信總線相比，CAN總線更加可靠很靈活，并且信息傳遞的實(shí)時(shí)性也相對(duì)較好，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。CAN總線的通信方式有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、廣播、多主等，可以方便地組成多機(jī)冗余系統(tǒng)。由于采用了非破壞性總線仲裁技術(shù)，通過(guò)將節(jié)點(diǎn)信息設(shè)置成不同的優(yōu)先級(jí)，CAN總線可以確保高優(yōu)先級(jí)的信息先于低優(yōu)先級(jí)信息發(fā)送，既保證了通信的實(shí)時(shí)性，又使得通信網(wǎng)絡(luò)不會(huì)因負(fù)載過(guò)重而癱瘓。此外，CAN總線采用了短幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸需要的時(shí)間較短，抗干擾能力強(qiáng)。CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為物理層、媒體訪問(wèn)子層和邏輯鏈接控制子層。

常見(jiàn)的PLC通信協(xié)議包括Modbus協(xié)議、歐姆龍HOSTLINK協(xié)議以及三菱PLC通信協(xié)議等。其中，Modbus協(xié)議發(fā)展至今已經(jīng)相當(dāng)成熟，包括PLC、智能儀表等多種工業(yè)設(shè)備都采用Modbus協(xié)議作為通訊標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點(diǎn)的信息交換。Modbus協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸模式有RTU模式和ASCⅡ模式兩種。RTU模式下，信息中的每8個(gè)字節(jié)以兩個(gè)4字節(jié)的十六進(jìn)制字符發(fā)送，校驗(yàn)方式為CRC。RTU模式的優(yōu)勢(shì)就在于其可以傳輸更多的數(shù)據(jù)。本文討論的Modbus協(xié)議采用RTU模式傳輸數(shù)據(jù)。

歐姆龍Hostlink協(xié)議在結(jié)構(gòu)式分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。通信程序發(fā)送至歐姆龍PLC的命令幀格式必須滿足HOSTLINK協(xié)議才能被PLC理解，其發(fā)回的響應(yīng)幀格式也必須按照特定的方式進(jìn)行拆裝才可識(shí)別。PC對(duì)歐姆龍PLC信息的讀寫(xiě)以通道為單位，一個(gè)通道即為兩個(gè)字節(jié)。單個(gè)命令幀的最大長(zhǎng)度為131字符，超過(guò)該長(zhǎng)度的命令需要拆分為多個(gè)幀進(jìn)行傳輸。歐姆龍Hostlink協(xié)議的命令幀由起始字符@、節(jié)點(diǎn)號(hào)、標(biāo)題碼、正文、檢驗(yàn)碼以及結(jié)束符組成。

三菱FX系列PLC與PC之間的通信采用RS-232C標(biāo)準(zhǔn)，通信接口為SC-09。數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｊ綖锳SCⅡ碼，采用偶校驗(yàn)。PC與三菱PLC通信的控制字符有ENQ、ACK、NAK、STX、ETX。三菱FX系列PLC的SC-09接口無(wú)法使用匯編級(jí)的通信指令，只能使用讀組、寫(xiě)組、置位和復(fù)位四條指令，這四條指令在程序中以十六進(jìn)制代碼表示。

2 PC與多類型PLC通信及監(jiān)控

2.1 CAN應(yīng)用層設(shè)計(jì)

CAN控制芯片SJA1000是一種微控制器，其內(nèi)存地址分為信息緩沖區(qū)和控制區(qū)，其主要寄存器包括控制寄存器、命令寄存器、狀態(tài)寄存器和識(shí)別碼等。要實(shí)現(xiàn)PC與多類型PLC的通信與監(jiān)控，需要針對(duì)各類型PLC的通信協(xié)議對(duì)CAN應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括信息標(biāo)識(shí)符分配系統(tǒng)、通信指令等。CAN協(xié)議對(duì)于信息標(biāo)識(shí)符的分配并沒(méi)有做出具體的規(guī)定，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合選擇合適的標(biāo)識(shí)符分配方法是CAN協(xié)議設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。常見(jiàn)的CAN標(biāo)識(shí)符分配方法有靜態(tài)標(biāo)識(shí)符分配和TT-CAN分配法。而隨著分布式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，傳統(tǒng)CAN總線在傳遞信息方面的缺陷也越來(lái)越明顯和突出。對(duì)于靜態(tài)標(biāo)識(shí)符分配法，在傳輸?shù)蛢?yōu)先級(jí)的信息時(shí)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過(guò)大時(shí)，由于相應(yīng)高優(yōu)先級(jí)信息的數(shù)量過(guò)多，低優(yōu)先級(jí)信息可能會(huì)等待無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間，給信息的調(diào)度和管理帶來(lái)嚴(yán)重的困難。而TT-CAN分配法雖然具有較高的實(shí)時(shí)性，但該方法不允許系統(tǒng)在搭建完成后節(jié)點(diǎn)數(shù)量出現(xiàn)變化，擴(kuò)展性差，靈活性也較低。在本文中，CAN總線的SJA1000的ACR寄存器劃分為兩個(gè)部分，前兩位作為第一個(gè)部分，用于對(duì)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)整；其余位為第二部分，用來(lái)標(biāo)識(shí)CAN節(jié)點(diǎn)。

在控制程序運(yùn)行之前，需要對(duì)串口和CAN芯片SJA1000進(jìn)行初始化。為了保證PC與PLC通信的通暢，本文采用了全雙工串行通信方式。串口工作方式通過(guò)對(duì)控制寄存器SCON進(jìn)行設(shè)置確定，工作方式則有TMOD確定，具體的串口初始化程序如下：

SCON=0x50；

TMOD=0x0f；

TMOD|=0x20；

TH1=TL1=0xfd；

TR1=1；

SJA1000芯片的初始化程序如下：

XBYTE[M_CANADR]=0x01；

XBYTE[M_CANADR+4]=m_curaddress； //驗(yàn)收代碼寄存器

XBYTE[M_CANADR+5]=0xff； //驗(yàn)收屏蔽寄存器

XBYTE[M_CANADR+6]=0x04； //總線時(shí)序寄存器 0

XBYTE[M_CANADR+7]=0x1C； //總線時(shí)序寄存器 1

2.2 基于協(xié)議轉(zhuǎn)換的不同類型PLC與PC通信

翠歐運(yùn)動(dòng)控制器采用了Modbus通信協(xié)議，要實(shí)現(xiàn)其與PC之間的通信需要對(duì)16位VR環(huán)形變量進(jìn)行讀寫(xiě)。首先需要對(duì)PLC的地址和通信模式進(jìn)行設(shè)置，采用SETCOM指令初始化PLC。利用通信協(xié)議轉(zhuǎn)換程序?qū)?lái)自CAN接口的指令轉(zhuǎn)化為Modbus通信協(xié)議，并進(jìn)行CRC校驗(yàn)；隨后Modbus返回的應(yīng)答指令也需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換為CAN命令，從而實(shí)現(xiàn)PLC與PC之間的通信；

歐姆龍PLC與PC之間的通信需要建立在波特率一致、數(shù)據(jù)格式一致的基礎(chǔ)上，并且PC中需要按照歐姆龍PLC通信協(xié)議編寫(xiě)相應(yīng)的通信程序，將來(lái)自CAN口的指令和歐姆龍返回的響應(yīng)命令轉(zhuǎn)換為CAN命令，對(duì)于大于8bit的命令，需要拆分為多個(gè)命令幀進(jìn)行傳輸。在必要的時(shí)候，為了減少PC的監(jiān)控頻率，可以由歐姆龍PLC主動(dòng)發(fā)起寫(xiě)操作。在歐姆龍PLC中編寫(xiě)相應(yīng)的TXD命令。通過(guò)這種方式，可以實(shí)現(xiàn)歐姆龍PLC對(duì)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)寫(xiě)入操作。當(dāng)歐姆龍PLC要對(duì)其他PLC節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀操作時(shí)，需要用到查詢命令0x04。首先，與歐姆龍PLC主動(dòng)發(fā)起寫(xiě)操作類似，需要初始化DM區(qū)，以編寫(xiě)TXD命令，并將其發(fā)送至DP51+（1）。DP51+（1）將收到的EX命令轉(zhuǎn)換為0x04命令，傳輸至目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。DP51+（2）接收該命令后，對(duì)三菱PLC的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的讀??；

三菱PLC可以通過(guò)RS指令對(duì)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和寫(xiě)入操作。該操作同樣需要首先初始化數(shù)據(jù)寄存器，并通過(guò)RS-232接口對(duì)串行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

本文以CAN總線為中介，實(shí)現(xiàn)了PC與翠歐運(yùn)動(dòng)控制器、歐姆龍PLC和三菱PLC之間的相互通信與監(jiān)控。但由于通過(guò)使用命令的形式與PLC通信并進(jìn)行監(jiān)控并不直觀，所以，本文設(shè)計(jì)了相應(yīng)的圖形化監(jiān)控軟件。PC的地址為0xFF，為了避免監(jiān)控指令對(duì)系統(tǒng)中其他PLC之間的正常通信造成影響，PC地址的優(yōu)先級(jí)為最低。通過(guò)該軟件可以對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)中的任意PLC的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。在實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載合理設(shè)置網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)間隔參數(shù)，避免PC發(fā)出過(guò)多的監(jiān)控指令，干擾系統(tǒng)的正常通信。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了當(dāng)前可編程控制器在網(wǎng)絡(luò)通信上存在的不足，設(shè)計(jì)類基于CAN總線的通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)PC與多類型PLC的通信與監(jiān)控。該網(wǎng)絡(luò)以DP51+為網(wǎng)關(guān)，采用SJA1000芯片和MS51單片機(jī)，對(duì)各類型PLC的通信協(xié)議和CAN協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)PC與翠歐運(yùn)動(dòng)控制器、歐姆龍PLC和三菱PLC之間的相互通信。為了使PC對(duì)PLC通信網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控更加主觀，本文還設(shè)計(jì)了相應(yīng)的監(jiān)控軟件。但是，本文對(duì)于其他類型的PLC與pc之間的通信仍有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮明昌.基于PC+PLC的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].廣東造船，2013（03）.

[2]王玉德，董銘.基于PC上位機(jī)的PLC聯(lián)網(wǎng)通信研究[J].電子技術(shù)，2009（04）.

[3]趙志勇，陳健，黎勉.PC與FX2N系列PLC串口通信的具體實(shí)現(xiàn)及其應(yīng)用[J].長(zhǎng)春工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008（04）.

作者單位：中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油 621703