謝華鋒，胡平平，宋林章，唐　杰（北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司，北京　　100007）

PLC可擴(kuò)展功能的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法

謝華鋒，胡平平，宋林章，唐杰（北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司，北京100007）

1　引言

PLC（Programmable Logic Controller）因其簡明的編程語言、良好的通用性、低廉的維護(hù)成本和穩(wěn)定的性能得到了各行各業(yè)的認(rèn)可，目前PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保等各個(gè)行業(yè)。然而，行業(yè)中對(duì)PLC控制能力需求的增加，一方面增加了對(duì)PLC I/O點(diǎn)數(shù)的需求，另一方面也對(duì)單體PLC的性能提出了更高的要求。本文針對(duì)以上兩各方面的需求提出了兩種PLC控制器I/O可擴(kuò)展方案的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。

2　PLC控制器的系統(tǒng)概述

PLC控制器由硬件驅(qū)動(dòng)層、軟件驅(qū)動(dòng)層、操作系統(tǒng)層和PLC內(nèi)核應(yīng)用層組成。硬件驅(qū)動(dòng)層為軟件驅(qū)動(dòng)層提供外部硬件的操作接口，包括現(xiàn)場I/O擴(kuò)展模塊的采集驅(qū)動(dòng)、通用RS485通信接口、RS232通信接口、以及2路以太網(wǎng)通信口接口和CAN通信接口。軟件驅(qū)動(dòng)層為嵌入式LINUX內(nèi)核提供標(biāo)準(zhǔn)的控制接口，通過軟件驅(qū)動(dòng)層，操作系統(tǒng)層對(duì)硬件驅(qū)動(dòng)層設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的管理、控制。PLC內(nèi)核應(yīng)用層，包括PLC內(nèi)核、MODBUS協(xié)議簇、DNP3.0、IEC60870-5-104、 CAN自定義 CAN-I/O BUS協(xié)議和ETH-I/O BUS協(xié)議。

3　PLC控制器的硬件實(shí)現(xiàn)方法

可擴(kuò)展的PLC控制器硬件由核心板和基板兩部分組成。CPU、內(nèi)存、NANDFLASH、FRAM、獨(dú)立看門狗等控制核心集中在核心板上，外部數(shù)據(jù)接口和通信接口集中在底板上。如圖1所示。這種硬件結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了核心接口電路與外圍接口電路在物理上的分離，降低了設(shè)計(jì)難度，加快研發(fā)設(shè)計(jì)速度，提高了核心電路的技術(shù)復(fù)用率且便于產(chǎn)品生產(chǎn)和升級(jí)。

圖1?。╝）PLC主控板核心板原理框圖

圖1　（b）PLC主控板基板原理框圖

由圖1（a）可知PLC控制器CPU采用ATMEL的32位ARM9工業(yè)級(jí)處理器；內(nèi)存系統(tǒng)采用256MB NAND FLASH、128MB SDRAM；16KB SPI FRAM保證系統(tǒng)在掉電情況下仍可保存數(shù)據(jù)；WATCH DOG確保了系統(tǒng)運(yùn)行的絕對(duì)安全。

圖1（b）所示基板集成了3路RS485通信接口（端子）、1路RS232通信接口（RJ45）、2路以太網(wǎng)通信接口（RJ45），和1路CAN總線接口（接插件）。電源采用獨(dú)立的DC/DC隔離電源模塊，隔離電壓可達(dá)2kVDC，支持反接保護(hù)和短路保護(hù)。

通信接口電路設(shè)計(jì)采用光耦隔離方式。由于光耦合器輸入/輸出間互相隔離且電信號(hào)傳輸具有單向性特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣和抗干擾能力。另外，光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，具有很強(qiáng)的共模抑制能力，因此在長線信息傳輸中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。

3.1CAN總線接口電路

CAN總線接口電路主要包含控制器部分、收發(fā)器部分、隔離部分、外圍電路部分及供電電源部分，分別如圖2所示。

圖2?。╝）CAN供電電路

圖2　（b）CAN收發(fā)指示電路

圖3　以太網(wǎng)硬件電路

圖2?。╟）CAN控制、收發(fā)、隔離電路

CAN總線通信的核心是CAN總線控制器，本設(shè)計(jì)采用CPU片上集成CAN控制器實(shí)現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層功能。物理層功能通過CAN總線收發(fā)器芯片PCA82C250T實(shí)現(xiàn)。

3.2以太網(wǎng)總線接口電路

以太網(wǎng)總線接口電路主要包含以太網(wǎng)控制器部分、收發(fā)器部分、隔離部分、外圍電路部分及供電電源部分，如圖3所示。

以太網(wǎng)總線通信的核心是以太網(wǎng)總線收發(fā)控制器，本文采用CPU片上集成控制器實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層功能，物理層功能通過以太網(wǎng)總線收發(fā)器芯片DM9162BI實(shí)現(xiàn)。

4　PLC控制器的軟件實(shí)現(xiàn)方法

可擴(kuò)展的PLC控制器的軟件實(shí)現(xiàn)方法包括自定義CAN-I/O BUS協(xié)議和ETH-I/O BUS協(xié)議。針對(duì)不同的應(yīng)用場合，需要對(duì)PLC控制器的性能、I/O點(diǎn)數(shù)需求進(jìn)行綜合評(píng)估。

4.1CAN-I/O BUS協(xié)議擴(kuò)展功能軟件實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)PLC擴(kuò)展模塊CAN鏈路緊湊互連，結(jié)構(gòu)上通過，采用20PIN標(biāo)準(zhǔn)接插件，將PLC與I/O擴(kuò)展模塊鏈接在一起，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的緊湊和一體化。軟件上采用CAN-I/O BUS協(xié)議實(shí)現(xiàn)與I/O擴(kuò)展模塊雙向通信。CAN-I/O BUS總線協(xié)議基于CAN2.0B串行通信協(xié)議，采用應(yīng)答傳輸機(jī)制。CAN協(xié)議涵蓋了ISO規(guī)定的OSI基本參照模型中的傳輸層、數(shù)據(jù)鏈路層及物理層，如圖4所示。

圖4　ISO/ISO基本參數(shù)模型和CAN協(xié)議

圖4所示的物理層定義了信號(hào)實(shí)際的發(fā)送方式、位時(shí)序、位的編碼方式及同步的步驟。數(shù)據(jù)鏈路層分為MAC子層和LLC子層，MAC子層是CAN協(xié)議的核心部分。數(shù)據(jù)鏈路層的功能是將物理層收到的信號(hào)組織成有意義的消息，并提供傳送錯(cuò)誤控制等傳輸控制的流程。具體地說，就是消息的幀化、仲裁、應(yīng)答、錯(cuò)誤的檢測或報(bào)告。

CAN2.0 B協(xié)議數(shù)據(jù)幀由包括幀起始、仲裁段、控制段、數(shù)據(jù)段、CRC段、ACK段和幀結(jié)束7個(gè)段構(gòu)成。幀起始表示數(shù)據(jù)幀開始的段；仲裁段表示數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)；控制段由6位構(gòu)成，表示數(shù)據(jù)段的字節(jié)數(shù)；數(shù)據(jù)段可包含0～8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，從MSB（最高位）開始輸出；CRC段由15位的CRC順序和1位的CRC界定符構(gòu)成，用于檢查幀的傳輸錯(cuò)誤；ACK段用來確認(rèn)是否正常接收，由ACK槽和ACK界定符2位構(gòu)成；幀結(jié)束由7位隱性位構(gòu)成，表示數(shù)據(jù)幀結(jié)束。我們?cè)贑AN2.0 B協(xié)議格式封裝上進(jìn)行了擴(kuò)展，形成了自定義的報(bào)文格式，如圖5所示。

圖5　CAN-I/O BUS報(bào)文格式

圖5所示的報(bào)文格式中，SRR和IDE為1，RTR為0。協(xié)議的數(shù)據(jù)區(qū)為固定8字節(jié)長度，主從節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)把DLC恒定設(shè)置為1000。另外，仲裁區(qū)包含方向標(biāo)識(shí)、從節(jié)點(diǎn)號(hào)、協(xié)議號(hào)、總包號(hào)、包序號(hào)和板卡類型等信息。

4.2ETH-I/O BUS協(xié)議擴(kuò)展功能軟件實(shí)現(xiàn)

PLC對(duì)I/O點(diǎn)狀態(tài)控制與監(jiān)測，采用掃描方式。隨著I/O點(diǎn)數(shù)需求的增多，通過CAN通訊進(jìn)行I/O點(diǎn)數(shù)擴(kuò)展的方式，必然會(huì)導(dǎo)致掃描周期增長，進(jìn)而降低PLC的實(shí)時(shí)性。為了在提升I/O點(diǎn)數(shù)的同時(shí)，不會(huì)降低PLC的性能，在PLC的CAN鏈路基礎(chǔ)上，軟件采用ETH-I/O BUS協(xié)議實(shí)現(xiàn)PLC從節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展（PLC主控作為主節(jié)點(diǎn)）。從節(jié)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)上與主節(jié)點(diǎn)采用相同的方式，使用CAN鏈路進(jìn)行I/O擴(kuò)展模塊鏈接。該部分?jǐn)?shù)據(jù)處理交由從節(jié)點(diǎn)全權(quán)處理，而主節(jié)點(diǎn)只需要通過以太網(wǎng)與從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，就從理論上實(shí)現(xiàn)PLC的I/O擴(kuò)展模塊的無極限擴(kuò)展。ETH-I/O BUS總線協(xié)議基于以太網(wǎng)通信，采用應(yīng)答傳輸機(jī)制。

圖6（a）所示的請(qǐng)求數(shù)據(jù)報(bào)文格式中，請(qǐng)求報(bào)文中包括I/O點(diǎn)數(shù)狀態(tài)信息設(shè)置、I/O點(diǎn)數(shù)狀態(tài)信息采集控制。請(qǐng)求報(bào)文中，還包含協(xié)議類型、從節(jié)點(diǎn)、幀方向、幀發(fā)送時(shí)間、協(xié)議版本信息、I/O擴(kuò)展模塊數(shù)量、I/O擴(kuò)展模塊類型、I/O點(diǎn)地址以及當(dāng)前I/O點(diǎn)狀態(tài)等信息。

圖6（b）所示的響應(yīng)數(shù)據(jù)報(bào)文格式中，響應(yīng)報(bào)文包含協(xié)議類型、從節(jié)點(diǎn)、幀方向、I/O擴(kuò)展模塊數(shù)量、I/O擴(kuò)展模塊類型、I/O點(diǎn)地址以及當(dāng)前I/O點(diǎn)狀態(tài)等信息。

圖6　（a） ETH-I/O BUS請(qǐng)求數(shù)據(jù)報(bào)文格式

圖6?。╞） ETH-I/O BUS響應(yīng)數(shù)據(jù)報(bào)文格式

5　結(jié)論

本文提出的可擴(kuò)展PLC控制器，CAN-I/O BUS結(jié)構(gòu)上可通過20PIN標(biāo)準(zhǔn)接插件與其他I/O擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)一體化連接；ETH-I/O BUS結(jié)構(gòu)上可通過RJ45接口，與其他從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行級(jí)連（可直連或通過交換機(jī)）；電氣上可通過CAN-I/O BUS、ETH-I/O BUS協(xié)議實(shí)現(xiàn)互連、數(shù)據(jù)傳輸；支持多種工控編程語言，方便工程上進(jìn)行二次開發(fā)。另外，合理的硬件/軟件設(shè)計(jì)提供了一套高效率、低成本的I/O擴(kuò)展方案。在提升PLC控制器產(chǎn)品性能的前提下，實(shí)現(xiàn)了PLC控制器的I/O點(diǎn)數(shù)擴(kuò)展。同時(shí)也確保了PLC控制器在極端環(huán)境下也能穩(wěn)定、可靠地正常工作。

[1] 李道霖. 電氣控制與PLC原理及應(yīng)用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004.

[2] 吳曉君, 楊向明. 電氣控制與可編程控制器應(yīng)用[M]. 北京: 中國建材工業(yè)出版社, 2004.

[3] 張志學(xué), 肖志懷, 李朝暉. 以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 2001, (7).

[4] 魏慶福, 現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展與工業(yè)以太網(wǎng)綜述[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 2002, (1).

[5] 陳魯華. 基于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)化PLC技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 南京航空航天大學(xué), 2003.

[6] 馬洪濤, 基于以太網(wǎng)的BA系統(tǒng)可編程序控制器設(shè)計(jì)[D]. 南京工業(yè)大學(xué), 2005.

Software and Hardware Implementation of Extensible Function in PLC

針對(duì)當(dāng)前油氣生產(chǎn)井場站對(duì)PLC的功能需求不斷增強(qiáng)，在保證不降低產(chǎn)品性能的前提下，文檔提出了兩種I/O擴(kuò)展功能的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法，主要研究討論了低速通信接口（CAN總線接口）和高速通訊接口（以太網(wǎng)接口）下，對(duì)PLC的I/O點(diǎn)數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展。

I/O擴(kuò)展；PLC；CAN；以太網(wǎng)

On the premise of stabilizing product performance, and the constantly stable growth of functional requirement for PLC controller at oil and gas production well site stations, this paper proposes two methods for software and hardware implementation of I/O extension function. We mainly study the extension of PLC I/O points based on low-speed communication interface (CAN BUS interface) and high-speed communication interface (Ethernet interface).

I/O extension; Programmable Logic Controller (PLC); Controller area network (CAN); Ethernet

B

1003-0492(2016)11-0088-04

TP342+.3

謝華鋒（1974-），男，河南漯河人，軟件工程師，本科，現(xiàn)就職于北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司，主要研究方向?yàn)榍度胧介_發(fā)。

胡平平（1986-），男，海南?？谌?，自動(dòng)化工程師，本科，現(xiàn)就職于北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司，主要研究方向?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化控制。

宋林章（1987-），男，河南信陽人，軟件工程師，本科，現(xiàn)就職于北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司，主要研究方向?yàn)榍度胧杰浖_發(fā)。

唐杰（1988-），男，河南鄧州人，軟件工程師，本科，現(xiàn)就職于北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司，主要研究方向?yàn)榍度胧杰浖_發(fā)。