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泗博自动化CAN转PROFIBUS DP网关在港机控制系统的应用
——将桥吊控制器接入西门子S7-400PLC系统
关键词：CAN转PROFIBUS DP 网关 PROFIBUS DP CAN总线 泗博自动化 港机控制
一、引言
运输集装箱化是国际航运史上一个令人瞩目的变革它不仅改善了运输效率，而且带来了新的更为经济的运输模式，这极大促进了国际贸易的便利和全球化的实现。各种现场总线特别是CAN以及PROFIBUS技术的发展，为港机控制的发展提供了有利条件。本文就香港国际货柜码头某大型起重机电气控制系统中，西门子S7-400PLC通过对桥吊控制器的控制实现对现场集装箱进行控制，介绍如何实现这两种不同的现场总线之间的数据通信。在整个控制系统中，泗博自动化的CAN转PROFIBUS DP网关PCA-100表现出了其稳定、可靠的优点。
二、系统组成
1、系统结构
在整个控制系统中，各个调速装置与PLC、主PLC和司机室远程PLC之间、以及PLC与可显示工作状态和故障情况的大屏幕监控系统之间采用PROFIBUS通讯连接。在图1的系统构成中，略去了西门子S7-400PLC之外的其它现场级控制设备。西门子S7-400PLC的主要任务之一是实现对桥吊控制器的控制。西门子S7-400PLC采用PROFIBUS DP主站协议；桥吊控制器采用的是汽车行业普遍使用的CAN总线技术，控制现场集装箱的动作。在该项目中，为了实现西门子S7-400PLC对桥吊控制器的控制，采用了泗博自动化的高性能的CAN转PROFIBUS DP网关PCA-100：
图1 系统结构
PCA-100做西门子PLC的PROFIBUS DP从站。用户通过在网关面板上的拨码开关设置网关输入输出字节数、CAN通讯方式及波特率，并且在西门子PLC的组态软件中进行组态，即可实现不同总线数据的双向传输。
2、通信网络组成
2.1、PROFIBUS协议简介
PROFIBUS 是目前国际上通用的现场总线标准之一，以其独特的技术特点、严格的认证 规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，已成为最重要的和应用最广泛的 现场总线标准。PROFIBUS 现场总线通讯协议包括三个主要部分：
- PROFIBUS DP：主站和从站之间采用轮循的通讯方式，主要应用于自动化系统中单元级和现场级通信。
- PROFIBUS PA：电源和通信数据通过总线并行传输，主要用于面向过程自动化系统中单元级和现场级通讯。
- 支持CANopen协议的最多8个字节的TPDO、最多8个字节的RPDO、最多4个字节快速Download SDO和最多4个字节快速Upload SDO。
- PROFIBUS FMS：定义了主站和主站之间的通讯模型，主要用于自动化系统中系统级和车间级的过程数据交换。
其中，PROFIBUS DP 是高速网络，通讯速率达到12M。PROFIBUS DP 可以连接远程I/O、执 行机构、智能马达控制器、人机界面HMI、阀门定位器、变频器等智能设备， 一条PROFIBUS DP 总线可以最多连接123 个从站设备。PROFIBUS DP 的拓扑结构可以是总线型、星型和树型，通讯介质可以是屏蔽双绞线、光纤，也支持红外传输，采用双绞线时，不加中继器最远通讯距离可达1.2 公里，最多可以采用9 个中继器，最远通讯距离可达9 公里。采用光纤时，最远通讯距离可达100 公里以上，其中采用多膜光纤，两点间最远距离可达3 公里，采用单膜光纤时，两点间最远距离可达3 公里。
PROFIBUS DP支持的总线型拓扑如下：
图2 总线型拓扑
2.2 CAN协议简介
CAN全称为Controller Area Network，即控制器局域网，由德国Bosch公司最先提出，是国际上应用最广泛的现场总线之一。最初CAN 被设计作为汽车环境中的通讯，在汽车电子控制装置之间交换信息形成汽车电子控制网络。由于其卓越的性能、极高的可靠性和低廉的价格现已广泛应用于工业现场控制、医疗仪器等众多领域。
CAN协议是建立在OSI7层开放互连参考模型基础之上的。但CAN协议只定义了模型的最下面两层:数据链路层和物理层，仅保证了节点间无差错的数据传输。CAN的应用层协议必须由CAN 用户自行定义，或采用一些国际组织制订的标准协议。应用最为广泛的是DeviceNet和CANopen，分别广泛应用于过程控制和机电控制领域。但此类协议一般结构比较复杂，更适合复杂大型系统的应用。
CAN 是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率、抗电磁干扰性，而且要能够检测出总线的任何错误。当信号传输距离达10km时,CAN仍可提供高达50kbps 的数据传输速率。
CAN协议支持两种帧格式，它们只是在确认区存在差异，一种被称为CAN标准帧，在CAN2.0协议的Part A进行定义，标准帧支持11bit的确认区长度，；另一种称为CAN扩展帧，在CAN2.0协议的Part B进行定义，支持29bit的确认区。
三、 CAN转PROFIBUS DP网关PCA-100的配置
泗博自动化PCA-100网关支持CAN接口的设备（包括CAN2.0A和CAN2.0B）连接到PROFIBUS DP总线，级将CAN总线网络设备转换为PROFIBUS DP总线网络设备，PCA-100在PROFIBUS DP接口为从站。用户可通过设置PCA-100的拨码开关状态设置网关CAN通讯方式、波特率等，在西门子STEP7中注册网关PCA-100的GSD文件，即可在该编程软件中对该网关进行输入输出字节数选择和映射设置，完成相应的通讯功能。请见如下详细的硬件和软件组态方法：
1、 CAN转PROFIBUS DP网关PCA-100的硬件配置
PCA-100的PROFIBUS DP从站地址可以通过网关的配置按钮来设置。PCA-100提供8位拨码开关，可分别设置输入输出字节数（16字节、15字节可选）、CAN工作方式（CAN2.0A、CAN2.0B可选）以及CAN波特率（10K～1Mbps可选）。如下图所示：
图3 PCA-100硬件配置拨码开关
PCA-100自带标准PROFIBUS DP接口，2.5KV隔离。用户可使用标准PROFIBUS DP连接头和标准的PROFIBUS DP电缆将其连接至PROFIBUS DP现场总线中。
PCA-100提供1路CAN接口，2.5KV光电隔离，支持CAN2.0A./CAN2.0B协议。
PCA-100支持冗余电源接口。
2、在STEP7组态配置CAN转PROFIBUS DP网关PCA-100
在STEP7的硬件组态界面，导入PCA-100对应的GSD文件，把PCA-100的配置文件添加到STEP7的设备配置库中。用户可以在硬件组态界面找到注册的设备：Catalog>PROFIBUS DP->Additional Field Devices->General->CONVERTER->PCA-100。
图4 STEP7组态界面
将PCA-100添加到STEP7的组态界面后，可以插入相应的数据块进行映像区地址映射。PA-100提供如下数据块：
图5 PCA-100支持的输入输出数据块
注意：在STEP7中选择的PROFIBUS DP输入、输出字节数必须与网关相应拨码开关的状态一致。
拖动需要的输入和输出数据块到网关对应的槽位。如下图所示，将数据块“16Words Input & Output”拖动到PROFIBUS DP从站地址为6的PCA-100的槽位中，此时，对应的映射区起始地址分别为0，PLC程序需通过PIW0（PIB0）或者PQW0（PQB0）对相应的数据进行寻址访问。
图6 PLC分配的映射区地址
四、西门子S7-400 PLC对CAN设备进行数据读写
图7 PCA-100工作原理
PCA-100在PROFIBUS DP端的数据一致性采用“Total length”方式，因此在STEP7编程时须采用打包式发送与接收。打包式发送与接收主要用到SFC15（打包发送）和SFC14（打包接收）。
图 8 系统功能SFC14/SFC1
其中，“LADDR”参数为输入、输出数据块对应的PLC地址（十六进制），即与图6中的映射区地址一致。“RECKRD”是用户定义的用户读写对应输入、输出数据的数据块。
例如：PLC输出数据控制集装箱的动作
PLC将计算得出的控制命令值，通过PCA-100发送到桥吊控制器，桥吊控制器根据收到的命令产生相应的动作指令来控制桥吊。
PLC映射区输出数据和网关内存输出数据对应关系如下：
图9 PLC输出数据对应关
其中：
控制方式：1个字节数据，表示PLC发送数据的方式，0表示单次发送，非0表示周期性发送；
数据个数：1个字节数据，表示CAN帧数据个数
事务号：单次发送时，发送数据控制方式，加1，则PLC认为是一帧新的单次发送数据。
CAN帧头及CAN数据：分别表示CAN帧头（4字节）和CAN数据（8字节）。
五、结束语
在该PLC控制系统中，PCA-100作为西门子S7-400PLC和桥吊控制器之间的桥梁，能够使这两种完全不同的现场总线设备实现正常数据通信，使西门子PLC控制现场桥吊的动作及读取其电气状态成为可能。在整个系统中，泗博自动化的PCA-100表现了其稳定、可靠的性能，大大方便了港机控制特别是桥吊控制系统的应用。
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