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如何實現(xiàn)西門子S7-300 PLC與DCS控制系統(tǒng)的通信
——上海泗博自動化Modbus轉(zhuǎn)Profibus-DP網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用
摘要：本文就西門子S7-300系列PLC與橫河CS3000型DCS集散控制系統(tǒng)的之間的通信，介紹如何實現(xiàn)Modbus和Profibus-DP協(xié)議設(shè)備的相互通信、上海泗博自動化的Modbus轉(zhuǎn)Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160在其中的應(yīng)用，以及這兩種不同通信協(xié)議的通信方式。
關(guān)鍵詞：Modbus協(xié)議 Profibus-DP協(xié)議 Modbus轉(zhuǎn)Profibus-DP 串口轉(zhuǎn)Profibus-DP 分布式控制系統(tǒng) 通信網(wǎng)絡(luò)
一. 引言
現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，不斷促進(jìn)著自動化控制技術(shù)及設(shè)備通信技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展。當(dāng)前，PLC、DCS、智能儀表等已廣泛應(yīng)用到現(xiàn)場生產(chǎn)控制系統(tǒng)中，并發(fā)展到由上述設(shè)備相互協(xié)同、共同面向整個生產(chǎn)過程的分布式工業(yè)控制系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，現(xiàn)場總線通信技術(shù)至關(guān)重要。本文就某水利站分布式控制系統(tǒng)項目，介紹上海泗博自動化的Modbus轉(zhuǎn)Profibus-DP協(xié)議網(wǎng)關(guān)設(shè)備的應(yīng)用。
二. 系統(tǒng)組成
1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)構(gòu)成如圖1，其中略去了西門子S7-300PLC之外的其它現(xiàn)場級控制設(shè)備。系統(tǒng)上位機(jī)采用橫河CS3000型DCS集散控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個水利項目進(jìn)行集中監(jiān)控。下位機(jī)之一采用的是西門子S7-300系列PLC，實現(xiàn)對現(xiàn)場各種智能儀表，包括現(xiàn)場電機(jī)、智能開關(guān)、變頻器、傳感器等執(zhí)行、檢測設(shè)備的啟�？刂啤⑿畔⒉杉炔僮�。
在上圖所示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，現(xiàn)場各種智能儀表（采用的是Modbus協(xié)議或者各種非標(biāo)協(xié)議，接口為RS485、RS422或者RS232）都能夠通過上海泗博自動化的通用串口（Modbus/RS485/RS422/RS232）轉(zhuǎn)Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160連接到西門子S7-300PLC。此時，網(wǎng)關(guān)PM-160在串口側(cè)的協(xié)議類型為Modbus主站或者通用模式。橫河DCS對西門子S7-300PLC的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控同樣需要使用上海泗博自動化的通用串口（Modbus/RS485/RS422/RS232）轉(zhuǎn)Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160，此時，網(wǎng)關(guān)PM-160在串口側(cè)的協(xié)議類型為Modbus從站。
2、通信網(wǎng)絡(luò)組成
2.1 Profibus協(xié)議簡介
PROFIBUS 是目前國際上通用的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之一，以其獨特的技術(shù)特點、嚴(yán)格的認(rèn)證規(guī)范、開放的標(biāo)準(zhǔn)、眾多廠商的支持和不斷發(fā)展的應(yīng)用行規(guī)，已成為最重要的和應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。
PROFIBUS 現(xiàn)場總線通訊協(xié)議包括三個主要部分：
(1). PROFIBUS DP：主站和從站之間采用輪循的通訊方式，主要應(yīng)用于自動化系統(tǒng)中單元級和現(xiàn)場級通信；
(2). PROFIBUS PA：電源和通信數(shù)據(jù)通過總線并行傳輸，主要用于面向過程自動化系統(tǒng)中單元級和現(xiàn)場級通訊；
(3). PROFIBUS FMS：定義了主站和主站之間的通訊模型，主要用于自動化系統(tǒng)中系統(tǒng)級和車間級的過程數(shù)據(jù)交換；
其中，PROFIBUS-DP 是高速網(wǎng)絡(luò)，通訊速率達(dá)到12M。PROFIBUS-DP 可以連接遠(yuǎn)程I/O、執(zhí)
行機(jī)構(gòu)、智能馬達(dá)控制器、人機(jī)界面HMI、閥門定位器、變頻器等智能設(shè)備， 一條PROFIBUS-DP 總線可以最多連接123 個從站設(shè)備。PROFIBUS-DP 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是總線型、星型和樹型，通訊介質(zhì)可以是屏蔽雙絞線、光纖，也支持紅外傳輸，采用雙絞線時，不加中繼器最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)1.2 公里，最多可以采用9 個中繼器，最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)9 公里。采用光纖時，最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)100 公里以上，其中采用多膜光纖，兩點間最遠(yuǎn)距離可達(dá)3 公里，采用單膜光纖時，兩點間最遠(yuǎn)距離可達(dá)3 公里。
2.2 Modbus協(xié)議簡介
Modbus協(xié)議是一種適用于工業(yè)控制領(lǐng)域的主從式串口通訊協(xié)議，它采用查詢通訊方式進(jìn)行主從設(shè)備的信息傳輸，可尋址1-247個設(shè)備地址范圍。協(xié)議包括廣播查詢和單獨設(shè)備查詢兩種方式，二者區(qū)別就是廣播查詢不需要從設(shè)備回應(yīng)信息，主、從設(shè)備查詢通訊過程見圖2：
Modbus協(xié)議常用功能碼如圖3所示：
圖3 Modbus協(xié)議常用功能碼
Modbus協(xié)議有兩種傳輸模式：ASCII模式和RTU模式。同波特率下，RTU模式較ASCII模式能傳輸更多的數(shù)據(jù)，所以工業(yè)網(wǎng)絡(luò)大都采用RTU模式。RTU模式下的信息傳輸報文格式如圖4：
圖4 Modbus RTU信息報文格式
它沒有起始位和停止位，而是由至少3.5個字符間隔時間作為信息的起始和結(jié)束標(biāo)志。信息幀所有字符位由16進(jìn)制字符0-9、A-F組成。
Modbus RTU通訊協(xié)議幀結(jié)構(gòu)：
圖5 RTU通訊協(xié)議幀格式
Modbus RTU方式主站讀取從站寄存器數(shù)據(jù)示例：主設(shè)備查詢。
圖6 主設(shè)備查詢格式
Modbus RTU方式主站讀取從站寄存器數(shù)據(jù)示例：從設(shè)備響應(yīng)。
圖7 從設(shè)備響應(yīng)格式
2.3 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成及硬件介紹
如圖1所示，在該系統(tǒng)設(shè)計中有兩個網(wǎng)絡(luò)使用了上海泗博自動化的Modbus轉(zhuǎn)Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160。網(wǎng)關(guān)在這兩個網(wǎng)絡(luò)中的作用不一樣，其中：
在上層網(wǎng)絡(luò)中（建立西門子S7-300PLC和橫河DCS連接通信），Modbus轉(zhuǎn)Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160在Modbus側(cè)做Modbus從站，在Profibus-DP側(cè)做從站，建立Profibus-DP主站（西門子S7-300 PLC）和Modbus主站（橫河CS3000）的通信。DCS通信部分采用橫河型號為ALR121的通信模塊，并配套橫河提供的Modbus通信軟件包，該通信模塊最大通信數(shù)據(jù)容量為4000字。通過上海泗博自動化的網(wǎng)關(guān)配置軟件對PM-160進(jìn)行相關(guān)配置，將DCS的讀、寫指令及數(shù)據(jù)做相應(yīng)轉(zhuǎn)換、存儲，并映射到西門子PLC的輸入、輸出映像區(qū)，以實現(xiàn)對上下位機(jī)控制信息的實時傳輸。
在下層網(wǎng)絡(luò)中（建立西門子S7-300PLC和現(xiàn)場智能儀表的連接通信），Modbus轉(zhuǎn)Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160在Modbus側(cè)做Modbus主站，在Profibus-DP側(cè)做從站，建立Modbus從站（現(xiàn)場各種智能儀表（現(xiàn)場電機(jī)、智能開關(guān)、變頻器、傳感器等））與Profibus-DP主站（西門子S7-300PLC）的通信。串口網(wǎng)絡(luò)（現(xiàn)場智能儀表）設(shè)備接口為RS485或者RS232，它們都可以通過上海泗博自動化的Modbus轉(zhuǎn)Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160實現(xiàn)與西門子S7-300PLC的連接通信。其中，通過使用網(wǎng)關(guān)的配套配置軟件對PM-160進(jìn)行相關(guān)配置，將需要采集的從站設(shè)備信息通過網(wǎng)關(guān)讀、寫命令及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、存儲，映射到西門子PLC的輸入、輸出映射區(qū)，以實現(xiàn)PLC對現(xiàn)場智能儀表數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控。
三. Modbus轉(zhuǎn)Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160的配置
PM-160是通用型Modbus/RS485/RS422/RS232到Profibus-DP的協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，在網(wǎng)關(guān)RAM中建立了Modbus/RS485/RS422/RS232到Profibus-DP的映射數(shù)據(jù)區(qū)，由軟件實現(xiàn)Modbus/RS485/RS422/RS232到Profibus-DP的協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)交換。凡具有RS485/422/232接口的設(shè)備（Modbus協(xié)議或者非標(biāo)協(xié)議）都可以通過PM-160與現(xiàn)場總線Profibus-DP互聯(lián)。其中，PM-160在與Profibus-DP通訊是作為Profibus-DP從站，PM-160在與串口設(shè)備通信時，可以作Modbus主站、Modbus從站，也支持與非標(biāo)串口設(shè)備實現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸。通過在西門子STEP7中注冊網(wǎng)關(guān)PM-160的GSD文件，即可在該編程軟件中對該網(wǎng)關(guān)進(jìn)行相關(guān)硬件和軟件配置，完成相應(yīng)的通訊功能。請見如下詳細(xì)的硬件和軟件配置方法：
1、 Modbus轉(zhuǎn)Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160的硬件配置
PM-160的Profibus-DP從站地址可以通過網(wǎng)關(guān)的硬件旋碼開關(guān)或者配置按鈕來設(shè)置。旋碼開關(guān)有兩位，左側(cè)位設(shè)置地址高位（十位），右側(cè)位設(shè)置地址低位（個位）。通過撥碼開關(guān)可設(shè)置網(wǎng)關(guān)PM-160處于正常運行狀態(tài)或者配置狀態(tài)。當(dāng)PM-160處于配置狀態(tài)時，用戶可通過配套配置軟件設(shè)置相關(guān)讀寫命令和參數(shù)。
PM-160自帶標(biāo)準(zhǔn)Profibus-DP接口，用戶可使用標(biāo)準(zhǔn)Profibus-DP連接頭和標(biāo)準(zhǔn)的Profibus-DP電纜將其連接至Profibus-DP現(xiàn)場總線中。
PM-160提供RS485/422/232三種串口，Modbus從站、主站設(shè)備以及用戶非標(biāo)串口設(shè)備可以通過這三種接口實現(xiàn)與網(wǎng)關(guān)PM-160的連接通訊。PM-160沒有內(nèi)置終端電阻，在進(jìn)行RS485通信時，請注意在RS485總線終端各添加一個終端電阻（120歐姆）。
2、Modbus轉(zhuǎn)Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160的軟件配置
1) 使用配套軟件設(shè)置PM-160的現(xiàn)場總新和子網(wǎng)相關(guān)參數(shù)和命令
通過撥碼開關(guān)將PM-160設(shè)置為配置狀態(tài)，打開安裝的配置軟件（產(chǎn)品光盤或者訪問http://www.sibotech.net/DownLoad01.asp ）：
當(dāng)實現(xiàn)PLC與DCS通信時，子網(wǎng)協(xié)議類型設(shè)置為Modbus從站，并設(shè)置串口通信波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位、停止位、PM-160作為Modbus從站的地址、通信接口。其中，串口通信波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位、停止位的設(shè)置應(yīng)該和所連接的Modbus主站設(shè)備（DCS）一致；
圖8 PM-160在Modbus側(cè)作Modbus從站（連接PLC和DCS）
當(dāng)實現(xiàn)PLC與Modbus設(shè)備通信時，子網(wǎng)協(xié)議類型設(shè)置為Modbus主站，并設(shè)置串口通信參數(shù)、通訊傳輸模式、通信接口等。其中，串口通信參數(shù)的設(shè)置應(yīng)該和所連接的Modbus從站設(shè)備一致：
圖9 PM-160在Modbus側(cè)作Modbus主站（連接PLC和Modbus從站）
其中，圖9中的“節(jié)點-1”表示連接的從站設(shè)備地址為1，配置了“讀保持寄存器”和“預(yù)置多個寄存器”兩條命令，表示網(wǎng)關(guān)讀取了從站對應(yīng)地址的數(shù)據(jù)，并且能夠輸出數(shù)據(jù)到Modbus從站設(shè)備，命令配置方法如下：
圖10 PM-160在Modbus側(cè)作Modbus主站（命令配置）
在STEP7中對網(wǎng)關(guān)M-160進(jìn)行組態(tài)設(shè)置；
Modbus寄存器起始地址：用戶輸入目標(biāo)采集數(shù)據(jù)的Modbus寄存器起始地址；
數(shù)據(jù)個數(shù)：目標(biāo)數(shù)據(jù)的寄存器個數(shù)或者線圈條數(shù)；
內(nèi)存映射起始地址：Modbus從站設(shè)備數(shù)據(jù)的對應(yīng)內(nèi)存緩沖區(qū)地址；
當(dāng)實現(xiàn)PLC與非標(biāo)協(xié)議設(shè)備通信時，子網(wǎng)協(xié)議類型設(shè)置為通用模式，并設(shè)置串口通信參數(shù)、控制方式、通信接口等。其中，串口通信參數(shù)的設(shè)置應(yīng)該和所連接的非標(biāo)串口設(shè)備（現(xiàn)場智能儀表）一致：PM-160支持的通用模式即透明傳輸模式，用戶可通過數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)長度和事務(wù)序列號以判斷數(shù)據(jù)完整性和是否是一幀新的數(shù)據(jù)。
圖11 通用模式
在STEP7中對網(wǎng)關(guān)M-160進(jìn)行組態(tài)設(shè)置
在STEP7的硬件組態(tài)界面，導(dǎo)入PM-160對應(yīng)的GSD文件，把PM-160的配置文件添加到STEP7的設(shè)備配置庫中。用戶可在硬件組態(tài)界面找到注冊的設(shè)備：Catalog->PROFIBUS DP->Additional Field Devices->General->CONVERTER->PM-160。
圖12 組態(tài)界面
將PM-160添加到STEP7的組態(tài)頁面后，可以插入相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行映像區(qū)地址映射。PM-160提供的數(shù)據(jù)塊如下：
圖13 PM-160提供的數(shù)據(jù)塊
推動需要的輸入輸出數(shù)據(jù)塊到網(wǎng)關(guān)對應(yīng)的槽位。如下圖所示，將數(shù)據(jù)塊“24Words Input，24Words Output”拖動到Profibus-DP從站地址為3的PM-160的槽位中，此時，對應(yīng)的映射區(qū)地址分別為256，PLC程序需通過PIW256（PIB256）或者PQW256（PQB256）對相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行尋址訪問。
圖14 PLC映像區(qū)起始地址（命令配置）
四. 數(shù)據(jù)讀寫
1、DCS讀寫PLC數(shù)據(jù)
DCS作為Modus主站通過PM-160讀寫PLC數(shù)據(jù)，使用04H功能碼讀數(shù)據(jù)，對應(yīng)的寄存器起始地址為0H（30001H），使用10H（03H）功能碼寫數(shù)據(jù)，對應(yīng)的寄存器起始地址為0H（40001H）。
2、PLC讀寫現(xiàn)場智能儀表數(shù)據(jù)
1) PLC讀寫Modbus從站設(shè)備數(shù)據(jù)
PLC通過PM-160發(fā)送Modbus主站指令讀寫現(xiàn)場串口設(shè)備數(shù)據(jù)。映像區(qū)起始地址和網(wǎng)關(guān)內(nèi)存映射起始地址對應(yīng)關(guān)系如下：以圖14中的配置為例。
圖15 PLC通過PM-160讀寫Modbus從站設(shè)備數(shù)據(jù)地址對應(yīng)關(guān)系
2) PLC讀寫非標(biāo)串口設(shè)備數(shù)據(jù)
PLC的輸入映射區(qū)前兩個字節(jié)分別表示接收的串口數(shù)據(jù)長度和事務(wù)序列號，其它為接收到的數(shù)據(jù)。事務(wù)序列號變化，表示接收到了一幀新的串口數(shù)據(jù)。其中，可通過配置軟件設(shè)置是否開啟串口數(shù)據(jù)長度功能。PLC的輸出映射區(qū)前兩個字節(jié)分別表示發(fā)送的串口數(shù)據(jù)長度和事務(wù)序列號，其它為要發(fā)送的串口數(shù)據(jù)。事務(wù)序列號變化，PLC發(fā)送相應(yīng)長度的串口數(shù)據(jù)。
五. 結(jié)束語
在該系統(tǒng)中，Modbus轉(zhuǎn)Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160扮演了三種角色：建立Modbus主站和Profibus-DP主站之間的連接通信（Modbus主站模式）；建立Modbus從站和Profibus-DP主站之間的連接通信（Modbus從站模式）；建議非標(biāo)串口設(shè)備和Profibus-DP主站之間的連接通信（通用模式）。自本通信系統(tǒng)運行以來，整個系統(tǒng)通訊正常，有效保證了整個水利工程控制系統(tǒng)的正常運行。使用上海泗博自動化的Modbus轉(zhuǎn)Profibus-DP網(wǎng)關(guān)可以極大地方便自動化工業(yè)現(xiàn)場的控制和操作。
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