基于CAN总线的PLC通信网络的研究及实现

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 2.78MB 70 页 15积分

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基于 CAN 总线的 PLC 通信网络

的研究及实现

摘要

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

广泛的使用。特别是占市场份额60%以上的小型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网络功能较弱，是由PLC厂家各自按自己的

标准开发出来的，互相之间不能互连。虽然最近各厂家都开发了通讯模块，但都

价格昂贵，而且与外界的通讯由于各种原因都未做到完全通畅。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而形成的商业和技术风险，通

常会同时采用几家不同的控制系统。控制系统的不开放和不兼容，给企业内部的

系统集成、系统升级和管理带来了极大的困难。

现场总线是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决现场设备

间的数字通信以及这些现场设备与高级控制系统之间的信息传递问题。控制器局

域网（简称CAN）作为目前较为流行的5种现场总线之一，已成为ISO11898国际

标准，广泛应用于自动控制领域。CAN总线是一种有效支持分布式控制和实时控

制的串行通讯网络，采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰的环

境下工作，具有较高的可靠性。此外， CAN采用非破坏性总线优先级仲裁技术，

可以满足不同的实时要求。目前只有少数PLC集成有CAN总线通信接口。

基于以上原因，本文提出了一种基于CAN总线的PLC网络通信方案。该方案

通过给上位机PC和每台PLC各自配置一个RS232-CAN网关，使上位机PC和PLC拥

有CAN总线通信的能力，从而构建基于CAN总线的PLC通信网络。针对此方案，

本文主要做了以下工作：

（1）进行了基于CAN总线的网关电路设计和制作。

（2）设计了基于CAN总线的PC机与多台PLC通信的网关协议规程。

（3）设计了基于CAN总线的PLC之间直接通信的网关协议规程。

（4）完成了网关协议规程的软件编程。通过该方案构建的PLC网络，不仅可以

实现PC对多台PLC的集中式监控和PLC之间的直接通信，而且具有更高的性价比

和更好的系统扩展能力。

关键词：PLC 通信 CAN 总线现场总线

ABSTRACT

With simple and easy to understand, strong operability and reliability, PLC has

been widely applied in automatic control field. Especially the application of the small-

sized PLCs, which possess market portion of 60%, is more widely applied when the

automaticity level becomes more and more high. But the network function of the small-

sized PLCs, which are developed out by different manufactures and have different

communication protocols, is feeble. Although recently several communication modules,

which are high in price, have been developed by some PLC manufactures, the

communication effect isn’t very good. To avoid the commercial and technical risk of

much depending on only one system provider, many machinery manufacturing

enterprises, especially large enterprises , usually adopt several control systems.

However because these control systems are privacy and non-compatible, it brings

system integration, system upgrade, system management a world of difficult.

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.

Controller Area Bus ,briefly CAN, which is one of the five popular field buses currently

and has been ISO11898 International Standards, has been widely applied in automatic

control field. CAN bus is a kind of serial communication network that supports the

distributed control and the real time control , and has characteristics of good error

detection capability and high reliability in noise environment. In addition, CAN bus

arbitration is non-destructive and it can meets different real time requirements.

Presently, only a few PLCs have CAN bus integrated interface.

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) design and fabrication of hardware electric circuit for the gateway.

(2) design of the protocol regulation for gateway based on CAN bus between the

host PC and PLCs.

(3) design of the protocol regulation for gateway based on CAN bus between

different PLCs in the network.

(4) complete the software programming for the protocol regulations of gateway.

The PLC network based on CAN bus not only has the function of communication

between PC and PLCs, and also can achieve direct communication between different

PLCs. Meanwhile, it has higher performance-price ratio and better system expansibility.

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 基于 CAN 总线的多台 PLC 通信方案的提出和意义..................1
§1.3 可编程控制器网络通信概述....................................3
§1.3.1 可编程控制器网络类型..................................4
§1.3.2 可编程控制器网络通信协议..............................6
§1.3.3 可编程控制器发展趋势..................................9
§1.4 现场总线概述...............................................10
§1.4.1 现场总线的国际标准...................................11
§1.4.2 当前有影响的几种现场总线.............................11
§1.4.3 CAN 总线的应用........................................12
§1.5 课题研究的主要内容.........................................14
第二章 CAN 总线技术..................................................16
§2.1 CAN 总线特点...............................................16
§2.2 CAN 总线上的数值逻辑.......................................17
§2.3 CAN 总线仲裁技术 CSMA/CD-NDBA...............................17
§2.4 CAN 总线的速度与距离关系...................................19
§2.5 CAN 分层结构及功能.........................................20
§2.6 CAN 报文的帧结构...........................................24
第三章 PCB 电路的设计与制作..........................................29
§3.1 硬件方案的确立.............................................29
§3.2 核心元件的选型.............................................29
§3.3 网关 PCB 板电路设计与实现...................................33
§3.3.1 电源电路.............................................33
§3.3.2 Atmega8 和Mcp2515 复位电路............................34
§3.3.3 串口电路.............................................35
§3.3.4 时钟电路.............................................37
§3.3.5 Atmega8 ISP 程序下载电路..............................37
§3.3.6 Mcp2515 与Atmega8 的连接电路..........................38
§3.3.7 Mcp2515 接收状态指示电路..............................39
§3.3.8 Mcp2515 与CAN 驱动器 PCA82C250 的连接电路..............40
§3.3.9 CAN 总线终端负载电阻电路..............................41
§3.3.10 PCA82C250 工作模式的选择.............................41
§3.3.11 网关 PCB 电路........................................42
第四章 网关协议规程设计.............................................43
§4.1 基于 CAN 总线的 PLC 网络通信的概念...........................43
§4.2 OMRON PLC 的上位连接系统通信协议...........................45
§4.3 PC 对多台 PLC 集中式监控的网关协议规程设计...................46
§4.3.1 PC 对多台 PLC 集中式监控的网关协议规程的具体实现.......48

§4.4 基于 CAN 总线的 PLC 之间直接通信的网关协议规程设计...........51
§4.4.1 PLC 之间的写命令通信..................................52
§4.4.2 PLC 之间的读命令通信..................................54
第五章 网关协议规程的软件实现.......................................57
§5.1 PC 网关软件设计流程........................................57
§5.2 PLC 网关软件设计流程.......................................59
第六章 结论与建议...................................................61
§6.1 结论.......................................................61
§6.2 建议.......................................................62
附录一 PC 网关部分代码...............................................63
附录二 PLC 网关部分代码..............................................68
参考文献............................................................79

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

可编程控制器简称PLC（Programmable Logic Controller），是一种数字控制专

用电子计算机，它使用了可修改的程序存储器储存指令，执行诸如逻辑、顺序、计

时、计数与演算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等功能组件，控制各种机械

或工作程序，简单易懂、操作方便、可靠性高。长期以来，PLC一直在各个行业的

自动化控制领域得到广泛的使用，为各种自动化设备提供了非常可靠的控制应用。

许多小型自控场所，比如设备的控制或少量模拟量的控制等小范围的集中式控制环

境，是PLC发挥作用的最佳舞台[5]。但它也有自身的一些缺点：

首先，PLC的数据计算处理和管理能力较弱，不能给用户提供良好的人机界

面，不便于监控等。

其次，各个厂家的PLC之间一般不能实现直接通信。PLC的生产厂家众多，而

各个厂家的PLC具有各自的优点，所以在自控场所往往需要多个厂家的PLC共同完

成对生产过程控制。但是由于各个厂家的PLC具有各自的通信协议，这些PLC之间

并不能实现通信[9]。

再次，在上位连接系统中，即使是同一厂家的PLC使用统一的通信协议，也

不能实现直接通信，它们之间的通信通常是通过上位机PC间接实现的。这种间接

通信既增加了上位机PC的软件复杂性，又使网络的安全性和可靠性下降。因为一

旦上位机PC出现问题，整个PLC通信网络即处于瘫痪状态[9]。

最后，虽然有少量型号的大型PLC集成有现场总线CAN-bus等通讯接口，但由

于价格较昂贵，不利于在小型自控场所普遍推广。而价格较低，在小型自控场所可

以发挥最佳效用的多数中小型PLC并没有随本机集成有可以进行现场总线通信的接

口，不便于组建多台PLC构成的中型控制网络。但是，随着应用技术的发展，经常

会出现一些场合，在面积较大的范围内，需要多台PLC协同完成一个控制过程。此

时，原有的PLC集中式控制方案就显得无可奈何。

因此，网络化和强化通信性能成为PLC发展的一个重要方面。

§1.2 基于CAN总线的多台PLC通信方案的提出和意义

目前，常见的PLC网络—上位连接系统网络、同位连接系统网络，它们都有各

自的不足之处。对于上位连接系统来说，首先，虽然它具有良好的人机界面，可以

实现对各台PLC进行集中式监控，但是系统中的各台PLC之间并不能直接通信，不

易于实现多台PLC协同工作。其次，上位连接系统的可扩展性不是很强。例如当系

统采用RS-232C接口标准，传输介质用普通电缆时，它的最大传输距离只有15米

[1]；即使系统采用RS-422接口标准的1：N连接（即1台PC监控N台PLC，N小于等于

32），其通信距离最远也只有 1200米[1]。这使上位连接系统的PLC网络只能限制

基于 CAN 总线的 PLC 通信网络的研究及实现

在范围有限的小型自控场所，网络的可拓展性受到限制。再次，这种集散式网络通

信系统，上位机PC一旦出现问题，整个网络即处于瘫痪状态。而对于同位连接系

统来说，虽然可以实现PLC之间的通信，但是由于没有上位机PC，无法通过人机

界面对网络中的各台PLC进行系统配置和集中监控，这是它的主要缺陷。

图1-1 上位连接系统和同位连接系统的复合型PLC网络拓扑

图1-1是一个由上位连接系统和同位连接系统组成的复合型PLC网络。在这个

网络中，位于上位连接系统的PLC1或PLC3，无法与同位连接系统中的PLC4、

PLC5和PLC6直接通信。上位连接系统和同位连接系统在一定程度上成了两个自封

闭式系统，它们之间难以实现信息交换，成为了两座“信息孤岛”。这与当今自动

化领域由控制自动化向网络自动化发展的方向是相背离的，大大阻碍了工业现场自

动化的发展。

目前的PLC通信网络的局限性正是现场总线技术的优势。现场总线是应用在生

产现场、在微机化测量控制设备之间的双向串行多节点的数字通信系统，也被称为

开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。它把多个控制测量仪表连接成网络系

统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间，实

现数据传输和信息交换，形成各种适应实际需要的自动化控制系统[2]。

CAN总线由于其具有多主工作方式、各站依据优先权进行总线访问的机制、

无破坏性的总线仲裁技术、短帧结构不易受干扰、自动检错、发送期间若丢失仲裁

或由于出错而遭到破坏的帧可实现自动重发等性能，非常适合组建PLC通信网络。

CAN的直接通信距离最远可达10km（传输速率为5kbit/s），最高通信速率可

达1Mbit/s（传输距离为40m）[3]。

正是由于以上原因，本文提出了通过基于CAN总线的通信网关构建PLC通信网

络的方案。图1-2即为该网络的拓扑结构。在该网络中，PC和每台PLC均有一个属

于自己的通信网关。通过上述方式组建的PLC网络，各台PLC地位平等，任何一台

PLC均可以主动发起与另一台PLC的通信，并且可以通过PC对网络中的PLC进行集

中式监控。在通信过程中，由CAN网关进行硬件自动仲裁，保障每一次通讯的数

据不丢失。

这种方案的意义如下：第一，可以实现PC对多台联网的PLC进行集中式监控

PC 机

上位连接系统

P L C 2 P L C 3

同位连接系统

P L C 1

P L C 4 P L C 5 P L C 6

第一章绪论

第二，实现了网络中不同公司的PLC之间的直接通信；第三，在投入较低硬件成本

的基础上，实现了良好的系统运行性能；第四，可以在面积较大的范围内实现

PLC网络控制，所以具有更加灵活的系统扩展能力。第五，使新的PLC网络同时具

有集散式通信网络和分布式通信网络的优点。这个方案也充分发挥了CAN总线的

通信特点：实时、可靠、高速、远距离、易维护等。

图1-2 基于RS232转CAN网关的 PLC网络

§1.3 可编程控制器网络通信概述

伴随着计算机技术、自动化技术等技术的飞速发展，PLC的网络化已经成为未

来PLC发展的主要方向。现代化的工业企业中，工厂自动化广泛采用PLC，而PLC

的应用往往采用多级网络的形式，这就涉及到PLC的网络类型及网络通信的问题。

本节将对PLC网络进行简要介绍。

§1.3.1 可编程控制器网络类型

1. PLC网络的基本拓扑结构[9]

在PLC网络中，根据网络拓扑结构可分为三种基本形式：星形结构、总线形结

构、环形结构，其网络拓扑如图1-3所示。

（1）星形结构

图1-3（a）是星形结构。这种结构有中心节点，网络上其它节点都与中心节点

相连接。通信由中心节点管理，任何两个节点通信都要通过中心节点转发。这种结

构控制方式简单，但可靠性低，一旦中心节点出现故障，整个系统就会瘫痪，

PLC较少采用。

（2）总线形结构

P C 机RS232转CAN网关0

RS232转CAN网关1RS232转CAN网关2RS232转CAN网关n

P L C1

P L C2

P L Cn

CAN-BUS

RS232

主站

从站

主站

从站

主站

从站

（a）星形结构（b）总线形结构（c）环形结构

图1-3 PLC 的网络结构

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摘要：

基于CAN总线的PLC通信网络的研究及实现摘要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广泛的使用。特别是占市场份额60%以上的小型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网络功能较弱，是由PLC厂家各自按自己的标准开发出来的，互相之间不能互连。虽然最近各厂家都开发了通讯模块，但都价格昂贵，而且与外界的通讯由于各种原因都未做到完全通畅。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而形成的商业和技术风险，通常会同时采用几家不同的控制系统。控制系统的不开放和不兼容，给企业内部的系统集成、系统升级和管理带来了极大的困难。现场总线是...

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