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泗博自動化CAN轉PROFIBUS DP網關在港機控制系統的應用
——將橋吊控制器接入西門子S7-400PLC系統
關鍵詞：CAN轉PROFIBUS DP 網關 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，而且帶來了新的更為經濟的運輸模式，這極大促進了國際貿易的便利和全球化的實現。各種現場總線特別是CAN以及PROFIBUS技術的發展，為港機控制的發展提供了有利條件。本文就香港國際貨柜碼頭某大型起重機電氣控制系統中，西門子S7-400PLC通過對橋吊控制器的控制實現對現場集裝箱進行控制，介紹如何實現這兩種不同的現場總線之間的數據通信。在整個控制系統中，泗博自動化的CAN轉PROFIBUS DP網關PCA-100表現出了其穩定、可靠的優點。
二、系統組成
1、系統結構
在整個控制系統中，各個調速裝置與PLC、主PLC和司機室遠程PLC之間、以及PLC與可顯示工作狀態和故障情況的大屏幕監控系統之間采用PROFIBUS通訊連接。在圖1的系統構成中，略去了西門子S7-400PLC之外的其它現場級控制設備。西門子S7-400PLC的主要任務之一是實現對橋吊控制器的控制。西門子S7-400PLC采用PROFIBUS DP主站協議；橋吊控制器采用的是汽車行業普遍使用的CAN總線技術，控制現場集裝箱的動作。在該項目中，為了實現西門子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網關PCA-100：
圖1 系統結構
PCA-100做西門子PLC的PROFIBUS DP從站。用戶通過在網關面板上的撥碼開關設置網關輸入輸出字節數、CAN通訊方式及波特率，并且在西門子PLC的組態軟件中進行組態，即可實現不同總線數據的雙向傳輸。
2、通信網絡組成
2.1、PROFIBUS協議簡介
PROFIBUS 是目前國際上通用的現場總線標準之一，以其獨特的技術特點、嚴格的認證 規范、開放的標準、眾多廠商的支持和不斷發展的應用行規，已成為最重要的和應用最廣泛的 現場總線標準。PROFIBUS 現場總線通訊協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中單元級和現場級通信。
- PROFIBUS PA：電源和通信數據通過總線并行傳輸，主要用于面向過程自動化系統中單元級和現場級通訊。
- 支持CANopen協議的最多8個字節的TPDO、最多8個字節的RPDO、最多4個字節快速Download SDO和最多4個字節快速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中系統級和車間級的過程數據交換。
其中，PROFIBUS DP 是高速網絡，通訊速率達到12M。PROFIBUS DP 可以連接遠程I/O、執 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協議簡介
CAN全稱為Controller Area Network，即控制器局域網，由德國Bosch公司最先提出，是國際上應用最廣泛的現場總線之一。最初CAN 被設計作為汽車環境中的通訊，在汽車電子控制裝置之間交換信息形成汽車電子控制網絡。由于其卓越的性能、極高的可靠性和低廉的價格現已廣泛應用于工業現場控制、醫療儀器等眾多領域。
CAN協議是建立在OSI7層開放互連參考模型基礎之上的。但CAN協議只定義了模型的最下面兩層:數據鏈路層和物理層，僅保證了節點間無差錯的數據傳輸。CAN的應用層協議必須由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。但此類協議一般結構比較復雜，更適合復雜大型系統的應用。
CAN 是一種多主方式的串行通訊總線，基本設計規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 的數據傳輸速率。
CAN協議支持兩種幀格式，它們只是在確認區存在差異，一種被稱為CAN標準幀，在CAN2.0協議的Part A進行定義，標準幀支持11bit的確認區長度，；另一種稱為CAN擴展幀，在CAN2.0協議的Part B進行定義，支持29bit的確認區。
三、 CAN轉PROFIBUS DP網關PCA-100的配置
泗博自動化PCA-100網關支持CAN接口的設備（包括CAN2.0A和CAN2.0B）連接到PROFIBUS DP總線，級將CAN總線網絡設備轉換為PROFIBUS DP總線網絡設備，PCA-100在PROFIBUS DP接口為從站。用戶可通過設置PCA-100的撥碼開關狀態設置網關CAN通訊方式、波特率等，在西門子STEP7中注冊網關PCA-100的GSD文件，即可在該編程軟件中對該網關進行輸入輸出字節數選擇和映射設置，完成相應的通訊功能。請見如下詳細的硬件和軟件組態方法：
1、 CAN轉PROFIBUS DP網關PCA-100的硬件配置
PCA-100的PROFIBUS DP從站地址可以通過網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數（16字節、15字節可選）、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協議。
PCA-100支持冗余電源接口。
2、在STEP7組態配置CAN轉PROFIBUS DP網關PCA-100
在STEP7的硬件組態界面，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界面找到注冊的設備：Catalog>PROFIBUS DP->Additional Field Devices->General->CONVERTER->PCA-100。
圖4 STEP7組態界面
將PCA-100添加到STEP7的組態界面后，可以插入相應的數據塊進行映像區地址映射。PA-100提供如下數據塊：
圖5 PCA-100支持的輸入輸出數據塊
注意：在STEP7中選擇的PROFIBUS DP輸入、輸出字節數必須與網關相應撥碼開關的狀態一致。
拖動需要的輸入和輸出數據塊到網關對應的槽位。如下圖所示，將數據塊“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）對相應的數據進行尋址訪問。
圖6 PLC分配的映射區地址
四、西門子S7-400 PLC對CAN設備進行數據讀寫
圖7 PCA-100工作原理
PCA-100在PROFIBUS DP端的數據一致性采用“Total length”方式，因此在STEP7編程時須采用打包式發送與接收。打包式發送與接收主要用到SFC15（打包發送）和SFC14（打包接收）。
圖 8 系統功能SFC14/SFC1
其中，“LADDR”參數為輸入、輸出數據塊對應的PLC地址（十六進制），即與圖6中的映射區地址一致。“RECKRD”是用戶定義的用戶讀寫對應輸入、輸出數據的數據塊。
例如：PLC輸出數據控制集裝箱的動作
PLC將計算得出的控制命令值，通過PCA-100發送到橋吊控制器，橋吊控制器根據收到的命令產生相應的動作指令來控制橋吊。
PLC映射區輸出數據和網關內存輸出數據對應關系如下：
圖9 PLC輸出數據對應關
其中：
控制方式：1個字節數據，表示PLC發送數據的方式，0表示單次發送，非0表示周期性發送；
數據個數：1個字節數據，表示CAN幀數據個數
事務號：單次發送時，發送數據控制方式，加1，則PLC認為是一幀新的單次發送數據。
CAN幀頭及CAN數據：分別表示CAN幀頭（4字節）和CAN數據（8字節）。
五、結束語
在該PLC控制系統中，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場總線設備實現正常數據通信，使西門子PLC控制現場橋吊的動作及讀取其電氣狀態成為可能。在整個系統中，泗博自動化的PCA-100表現了其穩定、可靠的性能，大大方便了港機控制特別是橋吊控制系統的應用。
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