杜惠明,胡康杰,赵 昊

（武汉电力设备厂,湖北 武汉 430064）

0 引言

CAN总线具有配置灵活、高可靠性、高速性、非破坏性总线仲裁技术、自动判断数据错误、高效的短帧结构抗干扰能力强、自动重发功能、解决总线竞争功能以及具有报文优先权进行总线访问机制等优点，广泛应用于交通工具、自动控制、机械工业、建筑以及航空航天等领域。

可编程控制器（PLC）是以微处理器为根基的通用工业控制装置，自1969年诞生以来，已成为现代工业生产自动控制的支柱设备。但由于功能需求、价格等因素，应用在一般的中小型控制系统中的可编程控制器往往只提供传统的RS485或RS232串口通讯接口，具有一定的局限性。本文介绍了普遍运用于中小型控制系统中的西门子SMART 200系列PLC作为控制单元与现场总线控制系统的CAN总线控制器的通讯方法及实现。

1 CAN总线

CAN属于现场总线的范畴，是一种高可靠性、高性能、易开发和低成本的多主方式的串行数据通信协议。电气传输介质方式包括以下使用方式：单线总线、两线总线、共用一条线传输信号和供电。在实际应用中，普遍采用的传输方式为两线总线式，该方式可以抑制共模误差，保证信号在非常低的信号电平下可靠传输，传输介质为高抗干扰能力的双绞线。

CAN的数据格式依据标识符（ID）长度分为标准格式和扩展格式两种格式：具有11位标识符的称为标准帧，而具有11位基本标识符和18位扩展标识符的则称为扩展帧。如图1所示，数据帧由帧起始、仲裁域、控制域、数据域、CRC校验域、应答域和帧结束7个不同的部分组成。其中在标准消息格式帧中，帧起始1位，11位标识符和1位远程发送请求组成仲裁域，控制域6位，数据域0-8个字节（每个字节8位），15位的CRC序列和1位CRC界定符组成CRC校验域，应答域为1位应答位和1位应答界定位组成，帧结束7位。在扩展消息格式帧中，与标准消息格式帧唯一不同的是仲裁域，其仲裁域由11位基本标识符、代替远程请求位、标识符扩展位、18位扩展标识符、远程发送请求位组成，其他与标准格式相同。

图1 数据帧格式Fig.1 Data frame format

2 CANCOM-100IE智能转换器及丹弗斯MC系列控制器

2.1 CANCOM-100IE智能转换器硬件

西门子 SMART 200系列PLC产品本身不支持CAN总线通讯协议，但其支持自由串口协议，控制系统中需要第三方设备将PLC能接受的通讯协议转换成CAN总线通讯协议。CANCOM-100IE智能协议转换器可以快速地实现RS-232/485/422通讯设备与CAN-bus现场总线设备双向数据通讯。转换器串口通讯速率在600-230 400 bps之间可以设定，CAN-bus通讯速率设置范围为5 Kbps—1 Mbps。转换器提供透明转换、透明带标识转换、格式转换三种数据转换模式。可以根据实际运用情景，通过转换器配套的配置软件灵活设置其运行参数，产品外观如图2所示。

图2CANCOM-100IE外观Fig.2 The appearance of CANCOM-100IE

CANCOM-100IE智能转换器具有两类用户接口：一类是CAN-bus通讯接口；一类是串口通讯接口：2线制RS-485通讯接口、3线制RS-232通讯接口、4线制RS-422通讯接口，其引脚接口定义如表1所示。

表1 CAN接口引脚定义Tab.1 The pin definition of the CAN interface

2.2 CANCOM-100IE智能转换器软件

通过软件进行参数配置前，需将智能转换器拨码至配置“CFG”模式，配置参数类型主要为3大类，分别为转换参数、串口参数、CAN参数。转换参数主要有转换模式、转换方向参数设置；串口参数包括波特率、串口校验方式；CAN参数由波特率、帧类型、滤波等参数组成。在系统中，应根据实际情况来适当配置相关参数,其配置界面如图3所示。

2.3 丹弗斯MC系列控制器

丹弗斯MC系列控制器采用ARM处理器，具有超大内存空间和较强的数字处理能力。12位A/D分辨率，与传统控制器相比具有更高的精度。通讯接口为CAN总线，其通过PLUS+1 GUIDE软件（图形用户集成开发环境）开发程序，类似Autocad绘图软件界面，使电气工程师能轻松上手，PLUS+1 GUIDE开发程序界面如图4所示。

图3 CANCOM-100IE转换器配置工具Fig.3 The configuration tool of CANCOM-100IE converter

图4 PLUS+1 GUIDE开发程序界面Fig.4 The interface of development software

3 控制系统实现

整套系统硬件架构如图5所示，由控制器、I/O模块、上位机及各个传感器、执行器构成。控制器模块采用西门子S7-200 SMART系列可编程逻辑控制器和丹弗斯MC050-010控制器，I/O模块分别由若干个数字量输入模块（DI）、数字量输出模块（DO）、模拟量输入模块（AI）组成，传感器及执行器包含所有设备运行所需要的各类信号、执行机构等等。S7-200 SMART控制器与上位机通过无线局域网方式通讯，进行数据交互及处理。其中西门子控制器发送的自由串口数据经适配器CANCOM-100IE转换为CAN标准帧数据，丹弗斯控制器接受转换成功的特定CAN标准帧数据，从而控制相应的执行器；另一方面，丹弗斯控制器发送的CAN数据经适配器转换为串口数据，PLC接受该数据从而读出CAN控制器中相关参数，其控制系统原理图如图5所示。

图5 控制系统硬件架构Fig.5 the hardware architecture of the control system

在该控制系统中，利用西门子SMART 200系列PLC支持的自由端口协议发送可自由定义的自由串口数据，该串口数据流无奇偶校验，每个字符8位，波特率位9 600 bps，串口数据发送主要程序如图6所示。

图6 PLC发送串口数据主要程序段Fig.6 PLC sends the main program section of the serial data

为最大限度地提高智能转换器CANCOM-100IE缓冲区的利用率以及转换器的传输速度，转换方式设为透明转换——转换器一收到一端总线的数据立即转换发送至另一端总线，此外转换的帧类型为标准帧格式。CAN总线控制器接受转换成功的CAN数据主要程序段如图7所示。

此时上位机通过无线网络可同时控制两种不同通讯类型协议的控制器，一定程度上扩展了控制系统的应用范围，并共用一套上位机操作系统，提高了控制系统的实用性和可操作性。应用中通过调节串口数据大小，从而控制CAN总线控制器输出波形。CAN总线控制器其中一输出波形变化情况如图8所示。

4 结语

CAN总线通讯是本项目PLC系统的关键环节。本项目利用CANCOM-100IE智能转换器将支持不同通信协议的PLC设备、CAN总线控制系统设备连接在相同的控制系统中，实现数据交互，提高了控制系统的扩展性和兼容性。该控制通讯方案在现有设备中得到充分应用，运行高效稳定，具有一定的使用价值。

图7 CAN总线控制器接受转换的CAN数据Fig.7 The CAN bus controller accepts converted CAN data

图8 CAN总线控制器输出波形变化图Fig.8 A waveform change chart issued by the controller