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泗博自動化CAN轉PROFIBUS DP網(wǎng)關在港機控制系統(tǒng)的應用
——將橋吊控制器接入西門子S7-400PLC系統(tǒng)
關鍵詞：CAN轉PROFIBUS DP 網(wǎng)關 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)砹诵碌母鼮榻洕倪\輸模式，這極大促進了國際貿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PROFIBUS DP網(wǎng)關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)結構
在整個控制系統(tǒng)中，各個調速裝置與PLC、主PLC和司機室遠程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)構成中，略去了西門子S7-400PLC之外的其它現(xiàn)場級控制設備。西門子S7-400PLC的主要任務之一是實現(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，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PROFIBUS DP網(wǎng)關PCA-100：
圖1 系統(tǒng)結構
PCA-100做西門子PLC的PROFIBUS DP從站。用戶通過在網(wǎng)關面板上的撥碼開關設置網(wǎng)關輸入輸出字節(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)場總線標準之一，以其獨特的技術特點、嚴格的認證 規(guī)范、開放的標準、眾多廠商的支持和不斷發(fā)展的應用行規(guī)，已成為最重要的和應用最廣泛的 現(xiàn)場總線標準。PROFIBUS 現(xiàn)場總線通訊協(xié)議包括三個主要部分：
- PROFIBUS DP：主站和從站之間采用輪循的通訊方式，主要應用于自動化系統(tǒng)中單元級和現(xiàn)場級通信。
- 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。
- 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。
- 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，通訊速率達到12M。PROFIBUS DP 可以連接遠程I/O、執(zhí) 行機構、智能馬達控制器、人機界面HMI、閥門定位器、變頻器等智能設備， 一條PROFIBUS DP 總線可以最多連接123 個從站設備。PROFIBUS DP 的拓撲結構可以是總線型、星型和樹型，通訊介質可以是屏蔽雙絞線、光纖，也支持紅外傳輸，采用雙絞線時，不加中繼器最遠通訊距離可達1.2 公里，最多可以采用9 個中繼器，最遠通訊距離可達9 公里。采用光纖時，最遠通訊距離可達100 公里以上，其中采用多膜光纖，兩點間最遠距離可達3 公里，采用單膜光纖時，兩點間最遠距離可達3 公里。
PROFIBUS DP支持的總線型拓撲如下：
圖2 總線型拓撲
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，是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。最初CAN 被設計作為汽車環(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。由于其卓越的性能、極高的可靠性和低廉的價格現(xiàn)已廣泛應用于工業(yè)現(xiàn)場控制、醫(yī)療儀器等眾多領域。
CAN協(xié)議是建立在OSI7層開放互連參考模型基礎之上的。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準協(xié)議。應用最為廣泛的是DeviceNet和CANopen，分別廣泛應用于過程控制和機電控制領域。但此類協(xié)議一般結構比較復雜，更適合復雜大型系統(tǒng)的應用。
CAN 是一種多主方式的串行通訊總線，基本設計規(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。當信號傳輸距離達10km時,CAN仍可提供高達50kbps 的數(shù)據(jù)傳輸速率。
CAN協(xié)議支持兩種幀格式，它們只是在確認區(qū)存在差異，一種被稱為CAN標準幀，在CAN2.0協(xié)議的Part A進行定義，標準幀支持11bit的確認區(qū)長度，；另一種稱為CAN擴展幀，在CAN2.0協(xié)議的Part B進行定義，支持29bit的確認區(qū)。
三、 CAN轉PROFIBUS DP網(wǎng)關PCA-100的配置
泗博自動化PCA-100網(wǎng)關支持CAN接口的設備（包括CAN2.0A和CAN2.0B）連接到PROFIBUS DP總線，級將CAN總線網(wǎng)絡設備轉換為PROFIBUS DP總線網(wǎng)絡設備，PCA-100在PROFIBUS DP接口為從站。用戶可通過設置PCA-100的撥碼開關狀態(tài)設置網(wǎng)關CAN通訊方式、波特率等，在西門子STEP7中注冊網(wǎng)關PCA-100的GSD文件，即可在該編程軟件中對該網(wǎng)關進行輸入輸出字節(jié)數(shù)選擇和映射設置，完成相應的通訊功能。請見如下詳細的硬件和軟件組態(tài)方法：
1、 CAN轉PROFIBUS DP網(wǎng)關PCA-100的硬件配置
PCA-100的PROFIBUS DP從站地址可以通過網(wǎng)關的配置按鈕來設置。PCA-100提供8位撥碼開關，可分別設置輸入輸出字節(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
PCA-100自帶標準PROFIBUS DP接口，2.5KV隔離。用戶可使用標準PROFIBUS DP連接頭和標準的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PROFIBUS DP網(wǎng)關PCA-100
在STEP7的硬件組態(tài)界面，導入PCA-100對應的GSD文件，把PCA-100的配置文件添加到STEP7的設備配置庫中。用戶可以在硬件組態(tài)界面找到注冊的設備：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，可以插入相應的數(shù)據(jù)塊進行映像區(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)關相應撥碼開關的狀態(tài)一致。
拖動需要的輸入和輸出數(shù)據(jù)塊到網(wǎng)關對應的槽位。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）對相應的數(shù)據(jù)進行尋址訪問。
圖6 PLC分配的映射區(qū)地址
四、西門子S7-400 PLC對CAN設備進行數(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)塊對應的PLC地址（十六進制），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)收到的命令產生相應的動作指令來控制橋吊。
PLC映射區(qū)輸出數(shù)據(jù)和網(wǎng)關內存輸出數(shù)據(jù)對應關系如下：
圖9 PLC輸出數(shù)據(jù)對應關
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)
事務號：單次發(fā)送時，發(fā)送數(shù)據(jù)控制方式，加1，則PLC認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)的應用。
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