泗博自動化CAN轉(zhuǎn)PROFIBUS DP網(wǎng)關(guān)在港機控制系統(tǒng)的應(yīng)用 ——將橋吊控制器接入西門子S7-400PLC系統(tǒng) 

關(guān)鍵詞：CAN轉(zhuǎn)PROFIBUS DP 網(wǎng)關(guān) PROFIBUS DP CAN總線 泗博自動化 港機控制

一、引言

運輸集裝箱化是國際航運史上一個令人矚目的變革它不僅改善了運輸效率，而且?guī)砹诵碌母鼮榻?jīng)濟的運輸模式，這極大促進(jìn)了國際貿(mào)易的便利和全球化的實現(xiàn)。各種現(xiàn)場總線特別是CAN以及PROFIBUS技術(shù)的發(fā)展，為港機控制的發(fā)展提供了有利條件。本文就香港國際貨柜碼頭某大型起重機電氣控制系統(tǒng)中，西門子S7-400PLC通過對橋吊控制器的控制實現(xiàn)對現(xiàn)場集裝箱進(jìn)行控制，介紹如何實現(xiàn)這兩種不同的現(xiàn)場總線之間的數(shù)據(jù)通信。在整個控制系統(tǒng)中，泗博自動化的CAN轉(zhuǎn)PROFIBUS DP網(wǎng)關(guān)PCA-100表現(xiàn)出了其穩(wěn)定、可靠的優(yōu)點。

二、系統(tǒng)組成

1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在整個控制系統(tǒng)中，各個調(diào)速裝置與PLC、主PLC和司機室遠(yuǎn)程PLC之間、以及PLC與可顯示工作狀態(tài)和故障情況的大屏幕監(jiān)控系統(tǒng)之間采用PROFIBUS通訊連接。在圖1的系統(tǒng)構(gòu)成中，略去了西門子S7-400PLC之外的其它現(xiàn)場級控制設(shè)備。西門子S7-400PLC的主要任務(wù)之一是實現(xiàn)對橋吊控制器的控制。西門子S7-400PLC采用PROFIBUS DP主站協(xié)議；橋吊控制器采用的是汽車行業(yè)普遍使用的CAN總線技術(shù)，控制現(xiàn)場集裝箱的動作。在該項目中，為了實現(xiàn)西門子S7-400PLC對橋吊控制器的控制，采用了泗博自動化的高性能的CAN轉(zhuǎn)PROFIBUS DP網(wǎng)關(guān)PCA-100：

   圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PCA-100做西門子PLC的PROFIBUS DP從站。用戶通過在網(wǎng)關(guān)面板上的撥碼開關(guān)設(shè)置網(wǎng)關(guān)輸入輸出字節(jié)數(shù)、CAN通訊方式及波特率，并且在西門子PLC的組態(tài)軟件中進(jìn)行組態(tài)，即可實現(xiàn)不同總線數(shù)據(jù)的雙向傳輸。

2、通信網(wǎng)絡(luò)組成

2.1、PROFIBUS協(xié)議簡介

PROFIBUS 是目前國際上通用的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之一，以其獨特的技術(shù)特點、嚴(yán)格的認(rèn)證 規(guī)范、開放的標(biāo)準(zhǔn)、眾多廠商的支持和不斷發(fā)展的應(yīng)用行規(guī)，已成為最重要的和應(yīng)用最廣泛的 現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS 現(xiàn)場總線通訊協(xié)議包括三個主要部分：

1. PROFIBUS DP：主站和從站之間采用輪循的通訊方式，主要應(yīng)用于自動化系統(tǒng)中單元級和現(xiàn)場級通信。

2. PROFIBUS PA：電源和通信數(shù)據(jù)通過總線并行傳輸，主要用于面向過程自動化系統(tǒng)中單元級和現(xiàn)場級通訊。

3. 支持CANopen協(xié)議的最多8個字節(jié)的TPDO、最多8個字節(jié)的RPDO、最多4個字節(jié)快速Download SDO和最多4個字節(jié)快速Upload SDO。

4. PROFIBUS FMS：定義了主站和主站之間的通訊模型，主要用于自動化系統(tǒng)中系統(tǒng)級和車間級的過程數(shù)據(jù)交換。

其中，PROFIBUS DP 是高速網(wǎng)絡(luò)，通訊速率達(dá)到12M。PROFIBUS DP 可以連接遠(yuǎn)程I/O、執(zhí) 行機構(gòu)、智能馬達(dá)控制器、人機界面HMI、閥門定位器、變頻器等智能設(shè)備， 一條PROFIBUS DP 總線可以最多連接123 個從站設(shè)備。PROFIBUS DP 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是總線型、星型和樹型，通訊介質(zhì)可以是屏蔽雙絞線、光纖，也支持紅外傳輸，采用雙絞線時，不加中繼器最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)1.2 公里，最多可以采用9 個中繼器，最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)9 公里。采用光纖時，最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)100 公里以上，其中采用多膜光纖，兩點間最遠(yuǎn)距離可達(dá)3 公里，采用單膜光纖時，兩點間最遠(yuǎn)距離可達(dá)3 公里。

PROFIBUS DP支持的總線型拓?fù)淙缦拢?/p>

   圖2 總線型拓?fù)?/p>

2.2 CAN協(xié)議簡介

CAN全稱為Controller Area Network，即控制器局域網(wǎng)，由德國Bosch公司最先提出，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。最初CAN 被設(shè)計作為汽車環(huán)境中的通訊，在汽車電子控制裝置之間交換信息形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。由于其卓越的性能、極高的可靠性和低廉的價格現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場控制、醫(yī)療儀器等眾多領(lǐng)域。

CAN協(xié)議是建立在OSI7層開放互連參考模型基礎(chǔ)之上的。但CAN協(xié)議只定義了模型的最下面兩層:數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，僅保證了節(jié)點間無差錯的數(shù)據(jù)傳輸。CAN的應(yīng)用層協(xié)議必須由CAN 用戶自行定義，或采用一些國際組織制訂的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。應(yīng)用最為廣泛的是DeviceNet和CANopen，分別廣泛應(yīng)用于過程控制和機電控制領(lǐng)域。但此類協(xié)議一般結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，更適合復(fù)雜大型系統(tǒng)的應(yīng)用。

CAN 是一種多主方式的串行通訊總線，基本設(shè)計規(guī)范要求有高的位速率、抗電磁干擾性，而且要能夠檢測出總線的任何錯誤。當(dāng)信號傳輸距離達(dá)10km時,CAN仍可提供高達(dá)50kbps 的數(shù)據(jù)傳輸速率。

CAN協(xié)議支持兩種幀格式，它們只是在確認(rèn)區(qū)存在差異，一種被稱為CAN標(biāo)準(zhǔn)幀，在CAN2.0協(xié)議的Part A進(jìn)行定義，標(biāo)準(zhǔn)幀支持11bit的確認(rèn)區(qū)長度，；另一種稱為CAN擴展幀，在CAN2.0協(xié)議的Part B進(jìn)行定義，支持29bit的確認(rèn)區(qū)。

三、 CAN轉(zhuǎn)PROFIBUS DP網(wǎng)關(guān)PCA-100的配置

泗博自動化PCA-100網(wǎng)關(guān)支持CAN接口的設(shè)備（包括CAN2.0A和CAN2.0B）連接到PROFIBUS DP總線，級將CAN總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備轉(zhuǎn)換為PROFIBUS DP總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，PCA-100在PROFIBUS DP接口為從站。用戶可通過設(shè)置PCA-100的撥碼開關(guān)狀態(tài)設(shè)置網(wǎng)關(guān)CAN通訊方式、波特率等，在西門子STEP7中注冊網(wǎng)關(guān)PCA-100的GSD文件，即可在該編程軟件中對該網(wǎng)關(guān)進(jìn)行輸入輸出字節(jié)數(shù)選擇和映射設(shè)置，完成相應(yīng)的通訊功能。請見如下詳細(xì)的硬件和軟件組態(tài)方法：

1、 CAN轉(zhuǎn)PROFIBUS DP網(wǎng)關(guān)PCA-100的硬件配置

PCA-100的PROFIBUS DP從站地址可以通過網(wǎng)關(guān)的配置按鈕來設(shè)置。PCA-100提供8位撥碼開關(guān)，可分別設(shè)置輸入輸出字節(jié)數(shù)（16字節(jié)、15字節(jié)可選）、CAN工作方式（CAN2.0A、CAN2.0B可選）以及CAN波特率（10K～1Mbps可選）。如下圖所示：

   圖3 PCA-100硬件配置撥碼開關(guān)

PCA-100自帶標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS DP接口，2.5KV隔離。用戶可使用標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS DP連接頭和標(biāo)準(zhǔn)的PROFIBUS DP電纜將其連接至PROFIBUS DP現(xiàn)場總線中。

PCA-100提供1路CAN接口，2.5KV光電隔離，支持CAN2.0A./CAN2.0B協(xié)議。

PCA-100支持冗余電源接口。

2、在STEP7組態(tài)配置CAN轉(zhuǎn)PROFIBUS DP網(wǎng)關(guān)PCA-100

在STEP7的硬件組態(tài)界面，導(dǎo)入PCA-100對應(yīng)的GSD文件，把PCA-100的配置文件添加到STEP7的設(shè)備配置庫中。用戶可以在硬件組態(tài)界面找到注冊的設(shè)備：Catalog>PROFIBUS DP->Additional Field Devices->General->CONVERTER->PCA-100。

   圖4 STEP7組態(tài)界面

將PCA-100添加到STEP7的組態(tài)界面后，可以插入相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行映像區(qū)地址映射。PA-100提供如下數(shù)據(jù)塊：

   圖5 PCA-100支持的輸入輸出數(shù)據(jù)塊

注意：在STEP7中選擇的PROFIBUS DP輸入、輸出字節(jié)數(shù)必須與網(wǎng)關(guān)相應(yīng)撥碼開關(guān)的狀態(tài)一致。

拖動需要的輸入和輸出數(shù)據(jù)塊到網(wǎng)關(guān)對應(yīng)的槽位。如下圖所示，將數(shù)據(jù)塊“16Words Input & Output”拖動到PROFIBUS DP從站地址為6的PCA-100的槽位中，此時，對應(yīng)的映射區(qū)起始地址分別為0，PLC程序需通過PIW0（PIB0）或者PQW0（PQB0）對相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行尋址訪問。

   圖6 PLC分配的映射區(qū)地址

四、西門子S7-400 PLC對CAN設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫

   圖7 PCA-100工作原理

PCA-100在PROFIBUS DP端的數(shù)據(jù)一致性采用“Total length”方式，因此在STEP7編程時須采用打包式發(fā)送與接收。打包式發(fā)送與接收主要用到SFC15（打包發(fā)送）和SFC14（打包接收）。

   圖 8 系統(tǒng)功能SFC14/SFC1

其中，“LADDR”參數(shù)為輸入、輸出數(shù)據(jù)塊對應(yīng)的PLC地址（十六進(jìn)制），即與圖6中的映射區(qū)地址一致。“RECKRD”是用戶定義的用戶讀寫對應(yīng)輸入、輸出數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊。

例如：PLC輸出數(shù)據(jù)控制集裝箱的動作

PLC將計算得出的控制命令值，通過PCA-100發(fā)送到橋吊控制器，橋吊控制器根據(jù)收到的命令產(chǎn)生相應(yīng)的動作指令來控制橋吊。

PLC映射區(qū)輸出數(shù)據(jù)和網(wǎng)關(guān)內(nèi)存輸出數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系如下：

   圖9 PLC輸出數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)

其中：

控制方式：1個字節(jié)數(shù)據(jù)，表示PLC發(fā)送數(shù)據(jù)的方式，0表示單次發(fā)送，非0表示周期性發(fā)送；

數(shù)據(jù)個數(shù)：1個字節(jié)數(shù)據(jù)，表示CAN幀數(shù)據(jù)個數(shù)

事務(wù)號：單次發(fā)送時，發(fā)送數(shù)據(jù)控制方式，加1，則PLC認(rèn)為是一幀新的單次發(fā)送數(shù)據(jù)。

CAN幀頭及CAN數(shù)據(jù)：分別表示CAN幀頭（4字節(jié)）和CAN數(shù)據(jù)（8字節(jié)）。

五、結(jié)束語

在該PLC控制系統(tǒng)中，PCA-100作為西門子S7-400PLC和橋吊控制器之間的橋梁，能夠使這兩種完全不同的現(xiàn)場總線設(shè)備實現(xiàn)正常數(shù)據(jù)通信，使西門子PLC控制現(xiàn)場橋吊的動作及讀取其電氣狀態(tài)成為可能。在整個系統(tǒng)中，泗博自動化的PCA-100表現(xiàn)了其穩(wěn)定、可靠的性能，大大方便了港機控制特別是橋吊控制系統(tǒng)的應(yīng)用。

六、相關(guān)產(chǎn)品

PCA-100