基于CAN总线的PLC通信研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 1.44MB 58 页 15积分
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摘 要
现场总线被誉为自动化领域的计算机局域网，是当今自动化领域技术发展的
热点之一。现场总线的出现标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始，并将
对该领域的发展产生重要影响。自80年代末以来，现场总线技术得到了迅猛的发
展，形成了基金会现场总线、Lonwork、PROFIBUS、CAN、HART等几种有影
响的现场总线。其中，CAN总线以其极高的性能、可靠性及其独特的设计越来
越受到人们的重视。
可编程控制器（PLC）发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列
化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。PLC由于简单易懂、操作方便、可
靠性高，在各个行业的自动化控制领域得到了广泛的使用，特别是小型PLC，随
着自动化程度的不断提高，应用领域比以前更为广泛。但小型PLC的网络功能较
弱，通信模块是由各PLC厂家按照自己的标准开发出来的，互相之间不能通信。
不同品牌的PLC具有各自不同的通讯协议，如Hostlink，CC-Link，Modbus等，
目前，只有少量型号的PLC集成有CAN通讯接口，价格也较贵，通常，工控PC
与单台PLC通过1个串口连接通讯，实现各种扩展功能。但串口的通讯距离、节
点数量都受到了串口本身的性能限制。当系统中采用不同品牌的PLC时，他们互
相之间不能通信，由上位机监控和维护时也较为复杂，但是，随着应用技术的发
展，经常会出现一些应用场合，在面积较大的范围内，需要多台PLC协同完成一
个系统的综合控制。许多制造业用户特别是大型企业，为了避免过分依赖一家系
统提供商，通常会采用几家不同厂商的控制系统。PLC之间的通信格式不兼容，
给企业内部的系统集成、集中管理和升级带来了极大的困难。
本文提出了一种基于CAN总线的PLC网络通信方案，该方案通过将各厂家不
同的通信协议转化为统一的CAN网络通信，从而实现了较好的互相连通性以及
统一的上位机监控能力。本文主要做了以下工作：
（1）通过比较各厂家PLC的通信协议，设计了一种通用的CAN应用层协议。
（2）编写了欧姆龙和三菱PLC以及翠欧运动控制器与CAN协议的互相转化
的程序。
（3）编程实现了PLC主动发起对其它PLC的读写操作。
（4）通信实验成功实现了不同类型PLC同时与上位机通信及互相通信。
（5）设计了上位机监控软件，实现了对不同类型PLC的统一监控。
关键词：PLC 通信 CAN总线 现场总线
ABSTRACT
Field bus is an industrial data bus, developing rapidly within recently years. It
mainly realizes digital communication between field devices and resolves the problems
of information transfer between field control devices and high control system.The
emergence of fieldbus technology, industrial control marks another beginning of a new
era, and in the field have an important impact on development.Since the late 80's the
fieldbus technology has been rapid development, forming a Foundation Fieldbus,
Lonwork, PROFIBUS, CAN, HART, etc. Fieldbus several influential.Of which, CAN
bus with its high performance, reliability and unique design is receiving increasing
attention.
PLC developed to today, has already formed a large, medium and small size of the
serialization of products, can be used for industrial control of all sizes occasions.PLC as
a result of simple, convenient operation, high reliability in all areas of automation and
control industry has been widely used, especially small PLC, along with the increasing
degree of automation applications broader than ever before.However, small PLC
network function is weak, communication module by the PLC in accordance with the
manufacturers developed their own standards, and should not communication between
each other.Different brands of PLC with different communication protocols, such as the
Hostlink, CC-Link, Modbus, etc.Currently, very few models have integrated CAN
communications PLC interface, the prices is expensive.Typically, industrial PC with a
single PLC through a serial connection communication, to achieve a variety of
extensions.However, serial communication distance, the number of nodes are affected
by the serial port itself, the performance limit.When the system using different brands of
PLC, they should not communication between each other.By the host computer to
monitor and maintain is also complex.However, with the application of technological
development, often involve some applications, in the larger context, the need for
multiple collaborative PLC completed a comprehensive control system.Many users,
especially large-scale manufacturing enterprises, in order to avoid over-reliance on a
system provider, usually use several different manufacturers of control
systems.Communication between the PLC format is not compatible to the enterprise
system integration, centralized management and upgrading of the greatest difficulties.
Therefore, the paper presents a kind of PLC network communication scheme based
on CAN bus. The scheme is to construct PLC communication network by equipping
RS232-CAN gateways on the host PC and each PLC. Aimed at the scheme, in the paper,
main works are as follow:
(1)By comparing the various manufacturers of PLC communication protocol,
design a common application layer protocol of the CAN.
(2)Prepared Omron and Mitsubishi PLC and Trio protocol controller CAN protocol
transform procedures.
(3)Design the program that one PLC can read and write other PLCs
Spontaneously .
(4)Communication experiment successfully realize the different types of PLC with
PC communication and mutual communication.
(5)Designed PC monitoring software, to realize the unification of different types of
PLC monitoring.
Key Word: PLC, communication, CAN bus, Field bus
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ............................................................................................................... 1
§1.1 课题来源 .................................................................................................... 1
§1.2 研究方案的提出 ........................................................................................ 2
§1.3 现场总线概述 ............................................................................................. 3
§1.3.1 现场总线的特点 .............................................................................. 3
§1.3.2 现有的现场总线 .............................................................................. 4
§1.3.3 CAN 的应用及发展 ......................................................................... 5
§1.4 PLC 通信协议及发展 ................................................................................. 6
§1.4.1 可编程控制器简介 ......................................................................... 6
§1.4.2 可编程控制器常用通信方式 ......................................................... 7
§1.4.3 可编程控制器发展趋势 ................................................................. 7
§1.5 本文的组织与创新点 ................................................................................. 8
第二章 CAN 总线及 PLC 通信协议 .........................................................................10
§2.1 CAN 总线特点 .......................................................................................... 10
§2.2 CAN 总线仲裁技术 .................................................................................. 11
§2.2.1 常用的总线仲裁技术 ....................................................................11
§2.2.2 CAN 总线 CSMA/CA 仲裁技术 ................................................... 11
§2.3 CAN 分层结构及功能 .............................................................................. 12
§2.4 CAN 报文的帧结构 .................................................................................. 14
§2.5 CAN 控制芯片 SJA1000 .......................................................................... 15
§2.6 Modbus 协议 ............................................................................................. 16
§2.6.1 Modbus 协议规范 .......................................................................... 16
§2.6.2 RTU 传输模式 ................................................................................17
§2.7 欧姆龙 Hostlink 协议 ...............................................................................19
§2.8 三菱 PLC 通信协议 ................................................................................. 20
第三章 CAN 应用层协议设计 .................................................................................. 21
§3.1 现有 CAN 应用层协议 ............................................................................ 21
§3.2 CAN 应用层设计 ...................................................................................... 22
§3.2.1 目前常用的 CAN 标识符分配方法 ............................................. 22
§3.2.2 CAN 标识符动态分配方法研究 ................................................... 23
§3.2.3 CAN 通信命令设计 ....................................................................... 24
第四章 PLC 通信协议与 CAN 协议的互相转换 .....................................................27
§4.1 转换程序框架 .......................................................................................... 27
§4.1.1 串口初始化 ................................................................................... 28
§4.1.2 SJA1000 芯片初始化 .....................................................................30
§4.2 欧姆龙通信协议与 CAN 协议互相转换 ................................................ 32
§4.3 三菱通信协议与 CAN 协议互相转换 .................................................... 34
§4.4 MODBUS 通信协议与 CAN 协议互相转换 ...........................................35
§4.5 不同类型 PLC 互相通信 ......................................................................... 37
§4.5.1 欧姆龙 PLC 主动发起写操作 ...................................................... 37
§4.5.2 欧姆龙 PLC 主动发起读操作 ...................................................... 38
§4.5.3 三菱 PLC 主动发起读写操作 ...................................................... 39
第五章 通信实验和上位机监控 ............................................................................... 41
§5.1 研究所用设备 .......................................................................................... 41
§5.1.1 DP51+仿真器 ................................................................................. 41
§5.1.2 USB-CAN 双路智能 CAN 接口 ................................................... 42
§5.1.3 翠欧运动控制器 ........................................................................... 43
§5.2 实验准备 .................................................................................................. 44
§5.3 通信实验 .................................................................................................. 45
§5.3.1 上位机统一监控实验 ................................................................... 45
§5.3.2 PLC 主动发起读写操作实验 ........................................................ 46
§5.4 上位机监控软件 ...................................................................................... 47
第六章 结论与建议 ................................................................................................... 49
§6.1 结论 .......................................................................................................... 49
§6.2 建议 .......................................................................................................... 49
参考文献 ..................................................................................................................... 51
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ......................................... 54
致谢 ............................................................................................................................. 55
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
本章简要介绍了课题的背景、来源及意义，对 PLC 网络通信和现场总线技
术进行了概述，最后对本课题研究的主要内容进行了说明。
§1.1 课题来源
可编程控制器（PLC）发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列
化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代 PLC
大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。PLC 由于简单易懂、
操作方便、可靠性高，在各个行业的自动化控制领域得到了广泛的使用。特别是
小型 PLC，随着自动化程度的不断提高，应用领域比以前更为广泛[5]。但是随着
应用领域越来越广泛，PLC 也暴露出自身的一些缺点。
小型 PLC 的网络功能较弱，通常，工控 PC 与单台 PLC 通过一个串口连接
通讯，实现各种控制功能。但串口的通讯距离、节点数量都受到了串口本身的性
能限制。比如，RS-232 标准只可以实现“点-点”通讯，RS-485/422 标准能够实
现32 个节点以内的通讯，但通讯距离、抗干扰能力都比较弱，并不能够满足实
际工业现场多台 PLC 联网应用的需求。
通信模块是由各 PLC 厂家按照自己的标准开发出来的，通信协议之间互相
并不兼容。不同品牌的 PLC 具有各自不同的通讯协议，如 Hostlink，CC-Link 和
Modbus 等，当系统中采用不同品牌的 PLC 时，他们互相之间不能通信，由上位
机统一监控和维护时也较为复杂。
目前，出于成本的考虑，大部分的小型 PLC 并没有集成 CAN 通信接口，部
分大型 PLC 集成有 CAN 通讯接口，但价格较贵。
随着应用技术的发展，经常会出现一些应用场合，在面积较大的范围内，需
要多台 PLC 协同完成一个系统的综合控制。许多制造业用户特别是大型企业，
为了避免过分依赖一家系统提供商，通常会采用几家不同厂商的控制系统。PLC
之间的通信格式不兼容，给企业内部的系统集成、集中管理和升级带来了极大的
困难。
因此，研究一种统一的通信协议，以使不同品牌的 PLC 可以统一监控和互
相自由通信具有重要的现实意义。
摘要：

摘要现场总线被誉为自动化领域的计算机局域网，是当今自动化领域技术发展的热点之一。现场总线的出现标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始，并将对该领域的发展产生重要影响。自80年代末以来，现场总线技术得到了迅猛的发展，形成了基金会现场总线、Lonwork、PROFIBUS、CAN、HART等几种有影响的现场总线。其中，CAN总线以其极高的性能、可靠性及其独特的设计越来越受到人们的重视。可编程控制器（PLC）发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。PLC由于简单易懂、操作方便、可靠性高，在各个行业的自动化控制领域得到了广泛的使用，特别是小型PLC，随着...

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