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泗博自動(dòng)化CANopen轉(zhuǎn)PROFIBUS DP網(wǎng)關(guān)在石油機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用
——將HAWE閥用可編程控制器PLVC接入西門子S7-300PLC系統(tǒng)
關(guān)鍵詞：CANopen轉(zhuǎn)PROFIBUS DP CAN轉(zhuǎn)PROFIBUS DP CANopen PROFIBUS DP 石油機(jī)械
一、引言
進(jìn)入本世紀(jì)以來，世界能源供應(yīng)逐步緊張，石油價(jià)格高漲。中國(guó)和世界范圍內(nèi)能源制造業(yè)的大發(fā)展，促進(jìn)了石油機(jī)械行業(yè)的大發(fā)展。當(dāng)前，各種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已廣泛應(yīng)用到這一行業(yè)中，為這一行業(yè)的發(fā)展提供了有利條件。本文就某大型石油機(jī)械項(xiàng)目中，西門子S7-300PLC通過對(duì)PLVC（閥用可編程控制器）的監(jiān)控實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)比例閥的動(dòng)作控制。在整個(gè)控制系統(tǒng)中，泗博自動(dòng)化的CANopen轉(zhuǎn)PROFIBUS DP網(wǎng)關(guān)PCO-150S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)
本系統(tǒng)構(gòu)成如圖1，其中略去了西門子S7-300PLC之外的其它現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制設(shè)備。西門子S7-300PLC的主要任務(wù)之一是實(shí)現(xiàn)對(duì)PLVC（閥用可編程控制器）的監(jiān)控來控制現(xiàn)場(chǎng)比例閥的動(dòng)作。西門子S7-300PLC（CPU型號(hào)：CPU313C-2DP）采用PROFIBUS DP主站協(xié)議；PLVC（閥用可編程控制器）采用的是汽車行業(yè)普遍使用的CAN總線技術(shù)，它作為CANopen主站，控制現(xiàn)場(chǎng)比例閥的動(dòng)作。在該項(xiàng)目中，為了實(shí)現(xiàn)西門子S7-300PLC和HAWE的PLVC的數(shù)據(jù)雙向傳輸，采用了泗博自動(dòng)化的高性能的CANopen從站轉(zhuǎn)PROFIBUS DP從站網(wǎng)關(guān)PCO-150S：
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
PCO-150S在CANopen側(cè)做CANopen從站，在PROFIBUS DP側(cè)做從站。用戶通過在配置軟件PC-123中設(shè)置相關(guān)的命令下載到網(wǎng)關(guān)中，并且在西門子PLC的組態(tài)軟件中設(shè)置實(shí)際需要的輸入、輸出字節(jié)數(shù)，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：
- 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。
- 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。
- 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。
- 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 CANopen協(xié)議簡(jiǎn)介
CANopen協(xié)議是CAN-in-Automation(CiA)定義的標(biāo)準(zhǔn)之一，并且在發(fā)布后不久就獲得了廣泛的承認(rèn)。尤其是在歐洲，CANopen協(xié)議被認(rèn)為是在基于CAN的工業(yè)系統(tǒng)中占領(lǐng)導(dǎo)地位的標(biāo)準(zhǔn)。大多數(shù)重要的設(shè)備類型，例如數(shù)字和模擬的輸入輸出模塊、驅(qū)動(dòng)設(shè)備、操作設(shè)備、控制器、可編程控制器或編碼器，都在稱為"設(shè)備描述"的協(xié)議中進(jìn)行描述；"設(shè)備描述"定義了不同類型的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備及其相應(yīng)的功能。依靠CANopen協(xié)議的支持，可以對(duì)不同廠商的設(shè)備通過總線進(jìn)行配置。
在CANopen網(wǎng)絡(luò)中的通信信息以對(duì)象來進(jìn)行描述的。CANopen通信模型定義了4種報(bào)文（通信對(duì)象）：網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文（NMT）、服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象（SDO）、過程數(shù)據(jù)對(duì)象（PDO）和特殊功能對(duì)象。
SDO通過使用索引和子索引（在CAN報(bào)文的前幾個(gè)字節(jié)），SDO采用客戶機(jī)服務(wù)器模式。SDO客戶機(jī)能夠訪問設(shè)備（服務(wù)器）對(duì)象字典中的條目或項(xiàng)（對(duì)象）。 SDO通過CAL中多元域的CMS（CAN-based Message Specification）對(duì)象來實(shí)現(xiàn)，允許傳送任何長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)（當(dāng)數(shù)據(jù)超過4個(gè)字節(jié)時(shí)分拆成幾個(gè)報(bào)文）。SDO協(xié)議是確認(rèn)服務(wù)類型。服務(wù)器為每個(gè)消息生成一個(gè)應(yīng)答（一個(gè)SDO需要兩個(gè)ID）。SDO請(qǐng)求和應(yīng)答報(bào)文總是包含8個(gè)字節(jié)（沒有意義的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度在第一個(gè)字節(jié)中表示，第一個(gè)字節(jié)攜帶協(xié)議信息）。
PDO對(duì)象用來傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，PDO對(duì)象采用生產(chǎn)者消費(fèi)者模式。數(shù)據(jù)從一個(gè)生產(chǎn)者傳到一個(gè)或多個(gè)消費(fèi)者。數(shù)據(jù)傳送限制在1到8個(gè)字節(jié)（例如，一個(gè)PDO可以傳輸最多64個(gè)數(shù)字I/O值，或者4個(gè)16位的AD值）。PDO通訊沒有額外的協(xié)議規(guī)定。PDO由兩種類型的使用：數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收。它們以TPDO和RPDO區(qū)分。
PDO可以有多種傳輸方式，其中，同步傳輸是指為了使設(shè)備同步，又一個(gè)同步應(yīng)用程序周期性地發(fā)送一個(gè)同步對(duì)象（SYNC對(duì)象）。異步傳輸是由遠(yuǎn)程幀觸發(fā)傳送或由設(shè)備子協(xié)議中規(guī)定的對(duì)象特定事件觸發(fā)傳送。
三、 CANopen轉(zhuǎn)PROFIBUS DP網(wǎng)關(guān)PCO-150S的配置
PCO-150S是實(shí)現(xiàn)CANopen主站和PROFIBUS DP主站通信的的協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，PCO-150S采用映射式數(shù)據(jù)交換方式，來實(shí)現(xiàn)2種網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換，即僅僅把有效的數(shù)據(jù)傳遞給對(duì)方。（在網(wǎng)關(guān)RAM中實(shí)現(xiàn)了CANopen到PROFIBUS DP的數(shù)據(jù)映射區(qū)）。凡具有CAN接口的設(shè)備（實(shí)現(xiàn)CANopen主站功能）都可以通過PCO-150S與現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS DP互聯(lián)。其中PCO-150S在與PROFIBUS DP主站設(shè)備通訊是作為PROFIBUS DP從站，PCO-150S在與CANopen主站設(shè)備通信時(shí)，作為CANopen從站。泗博自動(dòng)化也提供CANopen從站設(shè)備（如變頻器等）與PROFIBUS DP主站設(shè)備通訊的網(wǎng)關(guān)PCO-150。通過在西門子STEP7中注冊(cè)網(wǎng)關(guān)PCO-150S的GSD文件，即可在該編程軟件中對(duì)該網(wǎng)關(guān)進(jìn)行相關(guān)硬件和軟件配置，完成相應(yīng)的通訊功能。請(qǐng)見如下詳細(xì)的硬件和軟件配置方法：
1、 CANopen轉(zhuǎn)PROFIBUS DP網(wǎng)關(guān)PCO-150S的硬件配置
PCO-150S的PROFIBUS DP從站地址可以通過網(wǎng)關(guān)的配置按鈕來設(shè)置。可通過設(shè)置PCO-150S的撥碼開關(guān)狀態(tài)使PCO-150S處于正常運(yùn)行狀態(tài)、配置狀態(tài)或者調(diào)試狀態(tài)。當(dāng)PCO-150S處于配置狀態(tài)時(shí)，用戶可以通過配套配置軟件設(shè)置相關(guān)讀寫命令和參數(shù)。當(dāng)PCO-150S處于調(diào)試狀態(tài)時(shí)，用戶可在配套配置軟件中查看網(wǎng)關(guān)輸入、輸出緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳送情況。
PCO-150S自帶標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS DP接口，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。
PCO-150S提供1路CAN接口，支持CAN2.0A協(xié)議，作為CANopen從站，1KV光電隔離。
2、CANopen轉(zhuǎn)PROFIBUS DP網(wǎng)關(guān)PCO-150S的軟件配置
1) 使用配套軟件PC-123設(shè)置PCO-150S的現(xiàn)場(chǎng)總線相關(guān)參數(shù)和命令
通過撥碼開關(guān)將PCO-150S設(shè)置為配置狀態(tài)，打開安裝的配置軟件（產(chǎn)品光盤或者訪問http://www.sibotech.net/DownLoad01.asp ）。
配置軟件界面如下圖所示：
點(diǎn)擊“PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)”，根據(jù)連接的固件版本號(hào)設(shè)置通訊的輸入輸出字節(jié)數(shù)。PCO-150S支持最大的輸入輸出字節(jié)數(shù)分別是244字節(jié)。
點(diǎn)擊“CANopen從站”，設(shè)置PCO-150S作為CANopen從站的通訊波特率、節(jié)點(diǎn)地址等參數(shù)。用戶設(shè)置的CANopen通訊波特率需和CANopen總線波特率參數(shù)一致（PLVC的CANopen通訊波特率）。
圖3 PCO-150S的軟件配置界面
在CANopen從站下增加需要的TPDO以及RPDO的命令，并設(shè)置的命令的COBID、字節(jié)數(shù)，使用軟件自動(dòng)計(jì)算內(nèi)存映射地址等：
圖4 TPDO命令的配置界面
用戶根據(jù)需要添加命令后，將配置下載到網(wǎng)關(guān)即可。此時(shí)，PCO-150S的軟件配置基本完成。
2) 在STEP7中對(duì)網(wǎng)關(guān)PCO-150S進(jìn)行組態(tài)設(shè)置
在STEP7的硬件組態(tài)界面，導(dǎo)入PCO-150S對(duì)應(yīng)的GSD文件，把PCO-150S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：Catalaog>PROFIBUS DP->Additional Field Devices->General->CONVERTER->PCO-150S。
圖5 STEP7組態(tài)界面
將PCO-150S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。PCO-150S提供如下數(shù)據(jù)塊：
圖6 PCO-150S支持的輸入輸出數(shù)據(jù)塊
當(dāng)在配置軟件中，“PROFIBUS輸入輸出字節(jié)數(shù)”選擇固定輸入輸出字節(jié)數(shù)(112/48/16/8)時(shí)，則必須選擇數(shù)據(jù)塊：
圖7 PCO-150S支持的固定輸入和輸出數(shù)據(jù)塊
當(dāng)在配置軟件中，“PROFIBUS輸入輸出字節(jié)數(shù)”選擇“由PROFIBUS DP主站組態(tài)軟件設(shè)置時(shí)”，需選用圖7所列之外的輸入輸出數(shù)據(jù)塊。
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“8Words Input，8Words Output”拖動(dòng)到PROFIBUS DP從站地址為5的PCO-150S的槽位中，此時(shí)，對(duì)應(yīng)的映射區(qū)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8 PLC分配的映射區(qū)地址
四、西門子PLC數(shù)據(jù)讀寫
1、PLC輸出數(shù)據(jù)控制現(xiàn)場(chǎng)比例閥的動(dòng)作
PLC將計(jì)算得出的驅(qū)動(dòng)比例閥的設(shè)置值，通過PCO-150S發(fā)送CANopen TPDO指令到PLVC，PLVC根據(jù)設(shè)定值產(chǎn)生相應(yīng)的設(shè)定電流來驅(qū)動(dòng)比例閥動(dòng)作。假如在PC-123中做了如下設(shè)置：
表1 PC-123的下設(shè)置
| PCO-150S站地址 |
命令 |
COB-ID |
映射地址（軟件自動(dòng)計(jì)算） |
| 1 |
Transmit PDO（TPDO） |
385（0181H） |
0 |
| 1 |
Transmit PDO（TPDO） |
641（0281H） |
8 |
則PLC映射區(qū)起始地址和網(wǎng)關(guān)內(nèi)存映射起始地址對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：
圖9 PLC輸出數(shù)據(jù)地址對(duì)應(yīng)關(guān)系
2、PLC讀取現(xiàn)場(chǎng)比例閥的電氣狀態(tài)
PLVC根據(jù)反饋機(jī)制可以診斷到比例閥的電氣狀態(tài)，比如正常被驅(qū)動(dòng),還是開路, 或有短路, 并發(fā)送RPDO給PCO-150S，經(jīng)過PCO-150S轉(zhuǎn)發(fā)給S7-300PLC，即可在PLC讀取到比例閥的電氣狀態(tài)等參數(shù)。假如在PC-123中做了如下設(shè)置：
表2 PC-123的下設(shè)置
| PCO-150S站地址 |
命令 |
COB-ID |
映射地址（軟件自動(dòng)計(jì)算） |
| 1 |
Receive PDO（RPDO） |
513（0201H） |
0 |
| 1 |
Receive PDO（RPDO） |
769（0301H） |
8 |
則PLC映射區(qū)起始地址和網(wǎng)關(guān)內(nèi)存映射起始地址對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：
圖9 PLC輸出數(shù)據(jù)地址對(duì)應(yīng)關(guān)系
五、結(jié)束語(yǔ)
在該P(yáng)LC控制系統(tǒng)中，PCO-150S作為西門子S7-300PLC和HAWE閥控可編程控制器PLVC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)比例閥的動(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PCO-150S表現(xiàn)了其穩(wěn)定、可靠的性能，大大方便了石油機(jī)械行業(yè)各種現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用。
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