于水英，付志超，2，周琰，2

（1.湖北長(zhǎng)海新能源科技有限公司，武漢 430 064；2.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 43006 4）

一種CAN總線通信在PLC系統(tǒng)中應(yīng)用

于水英1，付志超1，2，周琰1，2

（1.湖北長(zhǎng)海新能源科技有限公司，武漢 430 064；2.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 43006 4）

本文介紹了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在工業(yè)控制應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)及其影響，特別介紹了CAN總線技術(shù)的特點(diǎn)。詳細(xì)介紹了CAN300 PRO模塊的硬件及軟件；介紹了CAN總線通信在PLC系統(tǒng)中應(yīng)用，詳細(xì)敘述了在西門(mén)子PLC 300產(chǎn)品中CAN總線通信的實(shí)現(xiàn)方法。

工業(yè)控制CAN總線PLC系統(tǒng)

0　引言

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化技術(shù)中的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)，它的出現(xiàn)標(biāo)志著工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域又一個(gè)新時(shí)代的開(kāi)始，并對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生重要的影響。由于現(xiàn)場(chǎng)總線適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向的發(fā)展，導(dǎo)致目前生產(chǎn)的自動(dòng)化儀表、集散控制系統(tǒng)（DCS）、可編程控制器（PLC）在產(chǎn)品的體系結(jié)構(gòu)、功能結(jié)構(gòu)方面的較大變革。傳統(tǒng)的模擬儀表將逐步讓位于智能化數(shù)字儀表，并具備數(shù)字通信功能，出現(xiàn)了一批集檢測(cè)、運(yùn)算、控制功能于一體的控制器。

由于CAN總線有傳輸距離遠(yuǎn)、速度快、自動(dòng)重發(fā)功能、解決總線競(jìng)爭(zhēng)功能、總線仲裁技術(shù)、自動(dòng)檢查錯(cuò)誤、短幀結(jié)構(gòu)受干擾能力強(qiáng)以及具有優(yōu)先權(quán)進(jìn)行訪問(wèn)總線的機(jī)制等優(yōu)點(diǎn)，常用于工業(yè)控制系統(tǒng)中，用于控制器之間通信、智能儀表與控制器通信。

1　CAN總線

CAN總線是局域網(wǎng)控制器的簡(jiǎn)稱，由德國(guó)Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車(chē)中眾多控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交互而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，執(zhí)行一種二線傳輸?shù)拇袇f(xié)議。通信媒介可以是雙絞線、同軸電纜、通信速率最高可以達(dá)到1 Mbps，通信距離可達(dá)10 km。CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)幀進(jìn)行編碼，使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制。由于CAN總線具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，支持差分收發(fā)，因而適合高干擾環(huán)境，并具有較遠(yuǎn)的傳輸距離。

CAN的數(shù)據(jù)格式有標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式兩種，其主要區(qū)別在于標(biāo)識(shí)符（ID）的長(zhǎng)度不同。標(biāo)準(zhǔn)格式CAN的標(biāo)識(shí)符長(zhǎng)度是11位，而擴(kuò)展格式CAN標(biāo)識(shí)符長(zhǎng)度可達(dá)29位。CAN協(xié)議分為2.0A版本和2.0B版本，2.0A版本規(guī)定CAN控制器必須有一個(gè)11位的標(biāo)識(shí)符。同時(shí)，CAN2.0B版本規(guī)定CAN控制器的標(biāo)識(shí)符長(zhǎng)度可以是11位或者29位。遵循2.0B協(xié)議的CAN控制器可以發(fā)送和接收11位標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)或29位標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展格式數(shù)據(jù)。如果禁止CAN2.0B，則CAN控制器只能發(fā)送和接收11位標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)，而忽略擴(kuò)展格式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。值得注意的是，只要沒(méi)有用到擴(kuò)展格式，那么，根據(jù)2.0A設(shè)計(jì)的儀器可以和根據(jù)2.0B設(shè)計(jì)的儀器相互進(jìn)行通信。

CAN總線有兩類(lèi)數(shù)據(jù)幀本質(zhì)的不同在于ID的長(zhǎng)度，如圖1為CAN2.0A的數(shù)據(jù)幀格式，也是CAN數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)格式，它包含44位到108位，其中：起始位1位，仲裁場(chǎng)包含11位標(biāo)識(shí)符+RTR，控制場(chǎng)6位，數(shù)據(jù)場(chǎng)0到8字節(jié)數(shù)據(jù)（0-64位），CRC校驗(yàn)場(chǎng)16位，應(yīng)答場(chǎng)2位，幀結(jié)束7位。

圖1　CAN標(biāo)準(zhǔn)幀格式

圖2　CAN擴(kuò)展幀格式

如圖2為CAN2.0B的數(shù)據(jù)幀格式，又叫做擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀格式，它有29位標(biāo)識(shí)符，前11位與CAN2.0A數(shù)據(jù)幀的標(biāo)識(shí)符完全一樣，后18位專用于標(biāo)記CAN2.0B的數(shù)據(jù)幀。CAN擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀包含64位到128位，其中：起始位1位，仲裁場(chǎng)包含29位標(biāo)識(shí)符+SRR位+IDE位+RTR，控制場(chǎng)6位，數(shù)據(jù)場(chǎng)0到8字節(jié)數(shù)據(jù)（0-64位），CRC校驗(yàn)場(chǎng)16位，應(yīng)答場(chǎng)2位，幀結(jié)束7位。

2　CAN總線設(shè)備

2.1 CAN300PRO模塊硬件

西門(mén)子PLC300系列產(chǎn)品本身不支持CAN總線通信，控制系統(tǒng)中需要將CAN總線通信轉(zhuǎn)換成PLC300能接受的通信協(xié)議，這就需要第三方產(chǎn)品支持。Helmholz公司的CAN 300 PRO模塊主要針對(duì)西門(mén)子PLC300產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的第三方產(chǎn)品，如圖3所示，它的硬件結(jié)構(gòu)和安裝方式與PLC S7-300的功能模塊相同，可以安裝中央機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)架上，并且支持CAN 2.0A、CAN 2.0B、CANOpen、SAE J1939協(xié)議。

CAN總線接口方式支持DB9接口，引腳定義如表1所示。

CAN300 PRO模塊硬件支持DIP選擇開(kāi)關(guān)，可以通過(guò)10個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)選擇本CAN模塊的設(shè)備節(jié)點(diǎn)和波特率，也可以通過(guò)軟件設(shè)置。表2為硬件10個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)的定義及相應(yīng)的解析，表3是波特率譯碼對(duì)應(yīng)的固定值。

圖3　CAN 300 PRO外形

2.2CAN300 PRO軟件

CAN300 PRO模塊主要針對(duì)西門(mén)子PLC300產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的第三方產(chǎn)品，存在第三方軟件CANParam v4，通過(guò)軟件建立相應(yīng)的工程，如圖4所示，如CAN300，CAN300 PRO Layer，CANPRO CANopen等支持具體CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的工程，選擇標(biāo)準(zhǔn)幀（11bit）還是擴(kuò)展幀（29bit）。通過(guò)相關(guān)程序機(jī)制，在上電、啟動(dòng)、停止不同的階段編寫(xiě)不同的需求程序，編譯好工程文件，通過(guò)串口下載到CAN300硬件中。

表1　DB9引腳定義

表2　10-fold DIP定義

表3　波特率對(duì)于表

圖4　CANParam v4工程界面

2.3PLC 300 中的設(shè)置軟件

CAN通信在PLC300程序中是占用串口資源，PLC資源配置時(shí)選擇串口模塊，在名稱中更該成CAN300 PRO，同時(shí)添加更新模塊自帶的軟件資源，如選擇基于Layer 2協(xié)議通信中，F(xiàn)C65 CANSEND—CAN消息幀發(fā)送，F(xiàn)C66 CANRCV—CAN消息幀接收，F(xiàn)C67 CANCTRL—CAN功能管理，具體定義見(jiàn)表4、表5、表6，標(biāo)識(shí)符ID的定義見(jiàn)表7、表8定義了標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀的位置。

3　CAN總線通信在PLC系統(tǒng)中應(yīng)用

本控制系統(tǒng)CAN總線網(wǎng)絡(luò)如圖5，PLC1和PLC2通過(guò)CAN300 PRO與CAN網(wǎng)絡(luò)相連，DSP控制器1和DSP控制器2通過(guò)自帶CAN接口與CAN總線相連。

表4　FC65 CANSEND模塊參數(shù)定義

3.1CAN300 PRO模塊軟件設(shè)計(jì)

在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中約定CAN通信數(shù)據(jù)幀采用擴(kuò)展的形式，即29位CAN2.0B標(biāo)識(shí)符；設(shè)定網(wǎng)絡(luò)通訊速率為250 Kbps，每個(gè)消息幀的最大時(shí)間128*1/250000=0.52 m s；為系統(tǒng)有足夠的時(shí)間將整理完的數(shù)據(jù)發(fā)送出來(lái)及考慮工程實(shí)際需要，采用定時(shí)器發(fā)送的形式，大約500 s發(fā)送一次。如圖4。

表5　FC65 CANRCV模塊參數(shù)定義

3.2PLC軟件設(shè)計(jì)

在PLC S7 300中，軟件資源組態(tài)配置HW-Config 時(shí)，調(diào)用CAN 300 PRO功能時(shí)，用CP340功能模塊代替，即CP340 RS 232C（6ES7 340-1AH00-0AE0），本項(xiàng)目中將CP340 RS23 2C插入中央機(jī)架0，第5號(hào)插槽中，在屬性中將名稱更改位CAN 300 PRO，并記住設(shè)備開(kāi)始地址256，以備編程時(shí)用。

表6　FC 67 CANCTRL模塊參數(shù)定義

表7　消息幀ID號(hào)低字節(jié)

表8　消息幀ID號(hào)高字節(jié)

圖5　基于CAN總線的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

4　結(jié)束語(yǔ)

CAN總線通信的開(kāi)發(fā)是本項(xiàng)目PLC系統(tǒng)通信的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本項(xiàng)目利用CAN300 PRO產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)CAN總線通信，將PLC系統(tǒng)、DSP控制系統(tǒng)等都連接在相同的CAN總線網(wǎng)路。該CAN總線通信方案在實(shí)驗(yàn)室裝備中得到充分應(yīng)用，可靠性比較高，通信運(yùn)行平穩(wěn)，數(shù)據(jù)傳輸誤碼率低，傳輸效率高，具有實(shí)用價(jià)值。

［1］ 羅峰，孫澤昌. 汽車(chē)CAN總線系統(tǒng)原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［2］ 張小鳴. DSP控制器原理及應(yīng)用［M］. 北京：清華大學(xué)出版社，2008.

［3］ 顧衛(wèi)鋼.手把手教你學(xué)DSP：基于TMS320X281X［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

［4］ CAN300 PRO Manual. 2009.

［5］ 陳忠平.西門(mén)子S7-300/400系列PLC自學(xué)手冊(cè)［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

［6］ 柳春生.電器控制與PLC［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

Application of CAN Bus Communication to PLC System

Yu Shuiying1，F(xiàn)u Zhichao1，2， Zhou Yan1，2
（1. Hubei Greatsea new power technology Co.，Ltd，Wuhan 430064，China；2.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064，China）

This paper introduces advantages and influence of the field bus technology in industry control, especially focuses on the characteristics of CAN bus technology and the hardware and software of the CAN300 PRO module. It presents the application of CAN bus in PLC system, and details the implementation of CAN bus communication in SIEMENS PLC300 products.

industrial control; CAN bus; PLC system

TP319

A

1003-4862（2015）09-0072-04

2015-07-09

于水英（1981-），女，碩士研究生，工程師。研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)。