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泗博自動化CAN轉PROFIBUS DP網關在港機控製係統的應用
——將橋吊控製器接入西門子S7-400PLC係統
關鍵詞：CAN轉PROFIBUS DP 網關 PROFIBUS DP CAN總線 泗博自動化 港機控製
一、引言
運yun輸shu集ji裝zhuang箱xiang化hua是shi國guo際ji航hang運yun史shi上shang一yi個ge令ling人ren矚zhu目mu的de變bian革ge它ta不bu僅jin改gai善shan了le運yun輸shu效xiao率lv，而er且qie帶dai來lai了le新xin的de更geng為wei經jing濟ji的de運yun輸shu模mo式shi，這zhe極ji大da促cu進jin了le國guo際ji貿mao易yi的de便bian利li和he全quan球qiu化hua的de實shi現xian。各ge種zhong現xian場chang總zong線xian特te別bie是shiCAN以及PROFIBUS技術的發展，為港機控製的發展提供了有利條件。本文就香港國際貨櫃碼頭某大型起重機電氣控製係統中，西門子S7-400PLC通(tong)過(guo)對(dui)橋(qiao)吊(diao)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)控(kong)製(zhi)實(shi)現(xian)對(dui)現(xian)場(chang)集(ji)裝(zhuang)箱(xiang)進(jin)行(xing)控(kong)製(zhi)，介(jie)紹(shao)如(ru)何(he)實(shi)現(xian)這(zhe)兩(liang)種(zhong)不(bu)同(tong)的(de)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)之(zhi)間(jian)的(de)數(shu)據(ju)通(tong)信(xin)。在(zai)整(zheng)個(ge)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)中(zhong)，泗(si)博(bo)自(zi)動(dong)化(hua)的(de)CAN轉PROFIBUS DP網關PCA-100表現出了其穩定、可靠的優點。
二、係統組成
1、係統結構
在整個控製係統中，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係統之間采用PROFIBUS通訊連接。在圖1的係統構成中，略去了西門子S7-400PLC之外的其它現場級控製設備。西門子S7-400PLC的主要任務之一是實現對橋吊控製器的控製。西門子S7-400PLC采用PROFIBUS DP主站協議；橋吊控製器采用的是汽車行業普遍使用的CAN總線技術，控製現場集裝箱的動作。在該項目中，為了實現西門子S7-400PLC對橋吊控製器的控製，采用了泗博自動化的高性能的CAN轉PROFIBUS DP網關PCA-100：
圖1 係統結構
PCA-100做西門子PLC的PROFIBUS DP從站。用戶通過在網關麵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，並且在西門子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 規範、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，主要應用於自動化係統中單元級和現場級通信。
- PROFIBUS PA：電源和通信數據通過總線並行傳輸，主要用於麵向過程自動化係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，主要用於自動化係統中係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、智能馬達控製器、人機界麵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 公裏，最多可以采用9 個中繼器，最遠通訊距離可達9 公裏。采用光纖時，最遠通訊距離可達100 公裏以上，其中采用多膜光纖，兩點間最遠距離可達3 公裏，采用單膜光纖時，兩點間最遠距離可達3 公裏。
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，即控製器局域網，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，在汽車電子控製裝置之間交換信息形成汽車電子控製網絡。由於其卓越的性能、極高的可靠性和低廉的價格現已廣泛應用於工業現場控製、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協議隻定義了模型的最下麵兩層: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製訂的標準協議。應用最為廣泛的是DeviceNet和CANopen，分別廣泛應用於過程控製和機電控製領域。但此類協議一般結構比較複雜，更適合複雜大型係統的應用。
CAN 是一種多主方式的串行通訊總線，基本設計規範要求有高的位速率、抗電磁幹擾性，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，它們隻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支持冗餘電源接口。
2、在STEP7組態配置CAN轉PROFIBUS DP網關PCA-100
在STEP7的硬件組態界麵，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麵找到注冊的設備：Catalog>PROFIBUS DP->Additional Field Devices->General->CONVERTER->PCA-100。
圖4 STEP7組態界麵
將PCA-100添加到STEP7的組態界麵後，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 係統功能SFC14/SFC1
其中，“LADDR”參數為輸入、輸出數據塊對應的PLC地址（十六進製），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輸出數據控製集裝箱的動作
PLC將計算得出的控製命令值，通過PCA-100發送到橋吊控製器，橋吊控製器根據收到的命令產生相應的動作指令來控製橋吊。
PLC映射區輸出數據和網關內存輸出數據對應關係如下：
圖9 PLC輸出數據對應關
其中：
控製方式：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，發送數據控製方式，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控製係統中，PCA-100作為西門子S7-400PLC和橋吊控製器之間的橋梁，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控製現場橋吊的動作及讀取其電氣狀態成為可能。在整個係統中，泗博自動化的PCA-100表現了其穩定、可靠的性能，大大方便了港機控製特別是橋吊控製係統的應用。
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