基于CANopen总线与PLC的液压试验平台控制系统设计

1 引言

    147装置为某空中收放式受油装置，需要没计多个专用液压试验台对该产品的一些性能(如：收放性能、密封性能、强度性能等)进行检测并验证。本文所涉及的液压试验平台控制系统即针对该147装置的液压试验平台所设计。

    该项目需要进行的试验内容较多且耗时，各个试验平台分布于厂房的不同位置，且试验台工作环境比较恶劣(如高低温试验时工作环境温度高温85摄氏度，低温40摄氏度)。各个试验平台与上位机之间基于CANopen总线通讯，其中上位机作为CANopen通讯主站。各个试验台现场采用德国倍福(BECKHOFF)的BX5100系列PLC，该PLC具有CANopen总线接口，实现与上位机的cANopen通讯，并且作为CANopen总线网络的从站。

    BX5100型PLC能够根据实际需要选用用户所需的各个规格的数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块，以及其他一些复杂模块如脉冲输出模块等(主要用于控制步进电机)，能非常灵活的满足实际工程中的各种需求。并且该PLC配备支持MODBUS RTU通讯协议的串口，只要应用一个PLC通讯库文件就能非常方便的与威伦通(Wdn访ew)MT6070iH型人机界面(HMI)通讯，可方便操作人员在试验台现场对液压平台进行操作，无需通过远端的上位机，提供了另一种操作选择。

2 CANopen总线简介

    CAN是Controller Area Network的缩写，是德国BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其高性能、高可靠性、实时性等优点现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。

    CANopen是在CAN的基础上发展起来的，它基于CAN的数据链路层和物理层，对应用层做出了相应的规定，成为欧洲嵌入式网络的主要标准协议(EN50325-4)。

    一个CANopcn设备模型如图1所，分成二个部分:通讯接口、对象词典、应用程序。

    (1)通讯接口提供在总线土发送和接收通讯对象的服务。

    (2)对象词典是CANopen协议中最重要的概念，它描述了所有的数据类型、通讯对象以及设备指定的对象，是连接应用和通讯之间的媒介。通过访问对象词典可以得知各节点的状态、确定网络的通讯,摸式、选抒相应的网络管理，与输入输出端口相接、存储具体应用中的输入输出数据。

    (3)应用程序提供了内部控制功能，也提洪了与硬件连接的接口。

图1 CANopen设备模型

    过积数据对象即PDO(Provess bata Object)主要用来传输实时数据，例如电机速度、位置、I/O值等。实时数据以8个字节封装成个PDO，PD0按照用途分为两种:

    (1)TxPDOs用于实时数据的发送

    (2)RxPDOs用于实时数据的接收

3 试验平台控制系统硬件实现

    本项目控制系统中各个试验平台与上位机之间采用基于CANopen总线通讯。控制系统拓扑结构见图2:

图2 控制系统拓扑结构

    其中上位机通过倍福FC5101型CANopen卡接入CANopen总线网络，并作为CANOpen通讯主站(Master)。[page]

    各个试验平台现场采用倍福BX5100型PLC作为控制核心，该PLC接入CANopen总线并作为CANOpen通讯从站(Slave)。

    各个试验平台的PLC搭配试验平台所需的数字量输入输出模块、模拟量输入输出模块等，来完成现场液压试验台的数据采集及控制操作。

    另外，各试验平台配备威伦通(Weinview)MT6070iH型触摸屏，并用EB8000软件开发出相应的人机界面，方便操作人员现场操作设备。其中PLC与触摸屏之间通讯，基于MODBUS RTU协议。

4．试验平台控制系统软件开发

    试验平台控制系统的软件开发主要包括以下三个部分：

    (1)PLC程序开发

    本项目的PLC程序开发基于倍福TwinCAT PLC软件，该是遵循IEC61131．3标准的编程开发软件，支持指令表(IL)、结构文本(ST)、梯形图(LD)、功能块图(FBD)、顺序流程图(SFC)和连续功能块图(CFC)编程语言：其特点是功能强大、编程方便、系统开放。可以轻松缩短开发周期，极犬提高工作效率。TwinCAT PLC软件和TwinCAT System Manager(系统管理器)相结合，可以支持目前市面上流行的现场总线，包括本项目采用的CANopen总线。

    PLC与上位机之间通讯采用CANopen总线，双方的实时数据交换则是基于上文中所提到的PDO(过程数据对象)，其中上位机CANopen接口卡的RxPDOs则对应下位PLC的TxPDOs，反之依然。这样我们在编写PLC程序时，需要把PLC采集的数据通过PLC的TxPDOs发送CANopen卡的RxPDOs，而CANopen卡的TxPDOs发出的数据则通过PLC的RxPDOs来读取。由于相关试验台数目较多，且各个试验台所实现的功能不同，相应的PLC程序也有差别，篇幅原因这里就不再赘述。

    (2)基于VB的上位机软件界面开发

    倍福TwinCAT软件能按照用户不同需求提供ADS DLL动态库、ADS OCX控件和OPC服务器接口，方便用户顺利实现可视化HMI功能。

    通过TwinCAT System Manager(系统管理器)新建一个I／O Task并添加相关输入输出变量，再将这些变量映射(Mapping)到上文中提剑的CANopen卡相关的RxPDOs与TxPDOs，便可实现上位机与PLC之间实时数据通讯。数据传递的过程见图3：

图3 数据传递的过程

    这样我们在上位机VB软件开发时，可以通过ADS OCX控件中提供的相关函数直接对PLC程序中的变量进行读取与写入操作。上位机界面的开发则要根据相关试验台操作与显示的需求而定。图4为密封试验台的上位机操作界面，其他界面风格与此类似。

图4 操作界面

    (3)触摸解人机交均界面(HMI）开发

5 总结

    本文主要介绍了147装置液压试验台按制系统的设计。上位机通过CANopen总线与PLC实现了实时数据传输，操作人员可以通过上位机的VB程序实现液压测试试验台的自动化控制。同时，操作人员也可以通过试验台现场的触摸屏进行操作。

    目前，该液压试验台已投入使用近半年，使用状况良好．系统实时性强，数据采集准确。无论通过过上位机还是现场触摸屏都能非常方便的进行操作，基本达到了预期要求。