泗博自動(dòng)化CAN轉(zhuǎn)PROFIBUS DP網(wǎng)關(guān)在港機(jī)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(dòng)化 港機(jī)控制

一、引言

運(yùn)輸集裝箱化是國(guó)際航運(yùn)史上一個(gè)令人矚目的變革它不僅改善了運(yùn)輸效率，而且?guī)砹诵碌母鼮榻?jīng)濟(jì)的運(yùn)輸模式，這極大促進(jìn)了國(guó)際貿(mào)易的便利和全球化的實(shí)現(xiàn)。各種現(xiàn)場(chǎng)總線特別是CAN以及PROFIBUS技術(shù)的發(fā)展，為港機(jī)控制的發(fā)展提供了有利條件。本文就香港國(guó)際貨柜碼頭某大型起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)中，西門子S7-400PLC通過對(duì)橋吊控制器的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)集裝箱進(jìn)行控制，介紹如何實(shí)現(xiàn)這兩種不同的現(xiàn)場(chǎng)總線之間的數(shù)據(jù)通信。在整個(gè)控制系統(tǒng)中，泗博自動(dòng)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(diǎn)。

二、系統(tǒng)組成

1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在整個(gè)控制系統(tǒng)中，各個(gè)調(diào)速裝置與PLC、主PLC和司機(jī)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(chǎng)級(jí)控制設(shè)備。西門子S7-400PLC的主要任務(wù)之一是實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǎng)集裝箱的動(dòng)作。在該項(xiàng)目中，為了實(shí)現(xiàn)西門子S7-400PLC對(duì)橋吊控制器的控制，采用了泗博自動(dòng)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(shí)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(jiǎn)介

PROFIBUS 是目前國(guó)際上通用的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一，以其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)、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(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線通訊協(xié)議包括三個(gè)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(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)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(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通訊。

3. 支持CANopen協(xié)議的最多8個(gè)字節(jié)的TPDO、最多8個(gè)字節(jié)的RPDO、最多4個(gè)字節(jié)快速Download SDO和最多4個(gè)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(dòng)化系統(tǒng)中系統(tǒng)級(jí)和車間級(jí)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(jī)構(gòu)、智能馬達(dá)控制器、人機(jī)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(gè)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(shí)，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(gè)中繼器，最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)9 公里。采用光纖時(shí)，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(diǎn)間最遠(yuǎn)距離可達(dá)3 公里，采用單膜光纖時(shí)，兩點(diǎn)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(jiǎn)介

CAN全稱為Controller Area Network，即控制器局域網(wǎng)，由德國(guó)Bosch公司最先提出，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。最初CAN 被設(shè)計(jì)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(jià)格現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)間無差錯(cuò)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(guó)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(jī)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(jì)規(guī)范要求有高的位速率、抗電磁干擾性，而且要能夠檢測(cè)出總線的任何錯(cuò)誤。當(dāng)信號(hào)傳輸距離達(dá)10km時(shí),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(zhǎng)度，；另一種稱為CAN擴(kuò)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(dòng)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(jí)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(cè)網(wǎng)關(guān)PCA-100的GSD文件，即可在該編程軟件中對(duì)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(qǐng)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(chǎng)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(duì)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(kù)中。用戶可以在硬件組態(tài)界面找到注冊(cè)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(dòng)需要的輸入和輸出數(shù)據(jù)塊到網(wǎng)關(guān)對(duì)應(yīng)的槽位。如下圖所示，將數(shù)據(jù)塊“16Words Input & Output”拖動(dòng)到PROFIBUS DP從站地址為6的PCA-100的槽位中，此時(shí)，對(duì)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(duì)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(duì)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(shí)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(duì)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?！癛ECKRD”是用戶定義的用戶讀寫對(duì)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(dòng)作

PLC將計(jì)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(dòng)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(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

   圖9 PLC輸出數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)

其中：

控制方式：1個(gè)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(gè)數(shù)：1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，表示CAN幀數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)

事務(wù)號(hào)：?jiǎn)未伟l(fā)送時(shí)，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(yǔ)

在該P(yáng)LC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(chǎng)總線設(shè)備實(shí)現(xiàn)正常數(shù)據(jù)通信，使西門子PLC控制現(xiàn)場(chǎng)橋吊的動(dòng)作及讀取其電氣狀態(tài)成為可能。在整個(gè)系統(tǒng)中，泗博自動(dòng)化的PCA-100表現(xiàn)了其穩(wěn)定、可靠的性能，大大方便了港機(jī)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