PLC通信协议的转化

news2024/12/25 12:29:28

在自动化程序设计中，常常需要对通信协议进行相互转化。例如，某个控制器需要通过PLC控制设备的某个部件的运动，但PLC只支持ModbusTCP协议，而控制器只支持CanOpen通讯协议。这时，就需要一个网关进行通信协议的转化。网关有可编程网关和不可编程网关之分，其中后者只能支持简单的转化，如将一句Modbus的报文完整转换为CanOpen，但无法实现将Modbus报文的第一字节转换为CanOpen的第三个PDO的第四个字节等这样的复杂逻辑。所以，如需要对不同的通信协议的报文内容进行任意的拼接组合，则需要使用可编程网关。

本文介绍一下使用有Codesys运行环境的可编程网关进行ModbusTCP和CanOpen通信协议相互转化的程序。这里以广成科技的GCAN-410产品的Codesys版本为例[3]，说明如何令该可编程网关同时做CanOpen的从站和ModbusTCP的主站，从而让做CanOpen主站的控制器和做ModbusTCP从站的PLC通过该网关进行通信。其它的协议互转的思路也类似。

一、Codesys简介

首先，Codesys是一种国际通用的工业自动化领域的编程系统，支持IEC 61131-3标准的PLC编程语言[1]。这里主要使用ST语言进行可编程网关的通信协议转换程序设计。例如，可编程网关可以通过Modbus得到PLC的一些变量的值，然后将这些值嵌套在通过CanOpen发出的PDO报文中的规定位置，使得CanOpen主站的控制器可以得到PLC里的数据信息；当然，可编程网关也可通过CanOpen接收到控制器发出的报文，从收到的PDO中提取出数值，并将数值通过Modbus传递给PLC。

二、Modbus简介

Modbus是一种工业通信协议的标准，是一项应用层报文传输协议，包括ASCII、RTU、TCP三种报文类型[2]。这里使用ModbusTCP。简单地说，在Modbus通信中，通信设备有主站也有从站，主站主动发送消息，从站被动回复消息。Modbus的消息分为读取离散输入，读/写线圈，读取输入寄存器，读/写保持寄存器这几种。当主站发出"读取地址从A到B的离散输入"后，从站会将地址在A和B之间的离散输入回复给主站；输入寄存器同理，区别在于离散输入是布尔量，输入寄存器是16位的数值变量；而主站发出"写地址A的线圈为某值"后，从站会把自己的内部的Modbus地址为A的变量写成该值，并返回"写成功"的消息；保存寄存器同理。

Modbus从站中可以设置，或已经内置了每个Modbus地址和PLC内部变量地址的对应关系，如数字输入1对应Modbus的离散输入的地址1，数字输出1对应Modbus的线圈地址1，内部只读变量x对应Modbus的输入寄存器地址10000，内部可读可写变量y对应Modbus的保持寄存器地址20000。所以，Modbus主站通过Modbus报文，可以读取PLC的变量，也可以对PLC的变量进行修改。

三、CanOpen简介

CanOpen是一种基于CAN，在工业自动化中广泛应用的通信协议[4]。一般来说，CanOpen的主站和从站都会发送4个PDO报文，每个PDO报文长度不超过8字节。设备刚启动时，主站会通过NMT报文对从站进行初始化，确保通信能正常进行。控制器，或PLC，都可以设置或已经内置PDO报文里的每一个字节对应的系统内部变量。发出的PDO值里的各字节是PLC内置的各变量的值，而当收到PDO时，里面的字节内容会被用于更新PLC内置的变量值。

四、可编程网关的程序设计

广成科技的GCAN-410产品有一些内置的函数，可以把要通过Modbus和CanOpen发送的报文的数据保存在数组型变量里，同时又有数组型变量存放收到的报文中的数据。

在这里通过调用一些函数，得到这些报文携带的数据。

CanOpenSend(arTPDO_Data := DataCanTransmit, arRPDO_Data => DataCanReceive);
ModbusVariable(arReadBufDiscreteInput => DataModbusReceiveDiscrete, arReadBufInputRegister => DataModbusReceiveAnalog,
	arWriteBufCoil := DataModbusTransmitDiscrete, arWriteBufHolding := DataModbusTransmitAnalog);

在以上代码中，CanOpenSend是将该网关需要发送和接收的CanOpen报文数据与网关内部的变量绑定在一起的函数。该函数的实现方式随PLC品牌的不同而不同，此处不赘述。该可编程网关要发送的CanOpen的PDO保存在变量DataCanTransmit中，而接受到的PDO保存在变量DataCanReceive中。这两个变量数组均为2维数组，即包含4个8字节数组的大数组。所以，DataCanReceive[1][4]代表接收到的PDO2的第5字节（ST语言中，数组下标从0开始）。发送同理。函数ModbusVariable也类似，但只是1维数组，且在网关中已经设置了Modbus读写的地址范围。

（一）字节变量的转换

例如，我要将网关通过CanOpen收到的PDO2的第8字节对应到Modbus从站的PLC的地址为10的保持寄存器对应的变量，又假定我在ModbusVariable函数中已经设定了网关对Modbus保持寄存器的写动作作用地址为10，则代码如下

DataModbusTransmitAnalog[0] := DataCanReceive[1][7];

DataModbusTransmitAnalog[0]即为写给保持寄存器的地址10的第1字节的数据（注意Modbus的寄存器的一个地址对应2个字节）。

（二）二进制比特的提取和转换

另外，如果在CanOpen收到的PDO3的第3字节是控制器的8个数字输入（一个数字输入占据一个二进制比特），而我希望把第1和第2个数字输入传到PLC的Modbus的第1和第7线圈，如何实现？

DataModbusTransmitDiscrete[0] := DataCanReceive[2][2] AND 16#1;
DataModbusTransmitDiscrete[6] := DataCanReceive[2][2] AND 16#2;

上述代码实现了该功能。DataCanReceive[2][2]是收到的整个字节，而通过将其和16#1及16#2（16#在PLC的ST语言中代表16进制，所以它们用二进制表示则为00000001和00000010）进行AND运算，故只有第1位会进入DataModbusTransmitDiscrete[0]即第1线圈，第2位会进入DataModbusTransmitDiscrete[6]即第7线圈，其它位均被屏蔽。

如果是反过来，要通过读取多个Modbus的离散输入，并将这些比特输入并排形成一个字节传入CanOpen，如何实现？

DataCanTransmit[0][2] := DataModbusReceiveDiscrete[6] AND 16#1;
DataCanTransmit[0][2] := DataCanTransmit[0][2] + (DataModbusReceiveDiscrete[7] AND 16#1) * 2;

在这里，DataModbusReceiveDiscrete[6]是Modbus PLC的地址为6的离散输入，DataModbusReceiveDiscrete[7]是Modbus PLC的地址为7的离散输入，该代码将前者用作PDO1的第3字节的第1比特，后者用作PDO1的第3字节的第2比特。

第一行，将第1比特赋予了地址为6的离散输入的值。第二行，对于地址为7的离散输入的值，在DataModbusReceiveDiscrete[7]中同样处于第1比特。所以要让它移位到第2比特，即提升1个比特，需要用数学运算进行，这里的运算即为* 2。对一个数值乘以 $2^n$ ，相当于把该数值的所有2进制位提升了 $n$ 位[5]；当然，整除 $2^n$ 也相当于把该数值的所有二进制位下降了 $n$ 位。