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如何實(shí)現(xiàn)西門(mén)子S7-300 PLC與DCS控制系統(tǒng)的通信
——上海泗博自動(dòng)化Modbus轉(zhuǎn)Profibus-DP網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用
摘要：本文就西門(mén)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(shí)現(xiàn)Modbus和Profibus-DP協(xié)議設(shè)備的相互通信、上海泗博自動(dòng)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(dòng)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(chǎng)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(gè)生產(chǎn)過(guò)程的分布式工業(yè)控制系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)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(xiàng)目，介紹上海泗博自動(dòng)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(mén)子S7-300PLC之外的其它現(xiàn)場(chǎng)級(jí)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(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)水利項(xiàng)目進(jìn)行集中監(jiān)控。下位機(jī)之一采用的是西門(mén)子S7-300系列PLC，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種智能儀表，包括現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)、智能開(kāi)關(guān)、變頻器、傳感器等執(zhí)行、檢測(cè)設(shè)備的啟停控制、信息采集等操作。
在上圖所示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，現(xiàn)場(chǎng)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(guò)上海泗博自動(dòng)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(mén)子S7-300PLC。此時(shí)，網(wǎng)關(guān)PM-160在串口側(cè)的協(xié)議類(lèi)型為Modbus主站或者通用模式。橫河DCS對(duì)西門(mén)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(dòng)化的通用串口（Modbus/RS485/RS422/RS232）轉(zhuǎn)Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160，此時(shí)，網(wǎng)關(guān)PM-160在串口側(cè)的協(xié)議類(lèi)型為Modbus從站。
2、通信網(wǎng)絡(luò)組成
2.1 Profibus協(xié)議簡(jiǎn)介
PROFIBUS 是目前國(guó)際上通用的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一，以其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)、嚴(yán)格的認(rèn)證規(guī)范、開(kāi)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(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。
PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線通訊協(xié)議包括三個(gè)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(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信；
(2). PROFIBUS PA：電源和通信數(shù)據(jù)通過(guò)總線并行傳輸，主要用于面向過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)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(dòng)化系統(tǒng)中系統(tǒng)級(jí)和車(chē)間級(jí)的過(guò)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(mén)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(gè)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(shù)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(shí)，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(gè)中繼器，最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)9 公里。采用光纖時(shí)，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(diǎn)間最遠(yuǎn)距離可達(dá)3 公里，采用單膜光纖時(shí)，兩點(diǎn)間最遠(yuǎn)距離可達(dá)3 公里。
2.2 Modbus協(xié)議簡(jiǎn)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(xún)通訊方式進(jìn)行主從設(shè)備的信息傳輸，可尋址1-247個(gè)設(shè)備地址范圍。協(xié)議包括廣播查詢(xún)和單獨(dú)設(shè)備查詢(xún)兩種方式，二者區(qū)別就是廣播查詢(xún)不需要從設(shè)備回應(yīng)信息，主、從設(shè)備查詢(xún)通訊過(guò)程見(jiàn)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(bào)文格式如圖4：
圖4 Modbus RTU信息報(bào)文格式
它沒(méi)有起始位和停止位，而是由至少3.5個(gè)字符間隔時(shí)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(xún)。
圖6 主設(shè)備查詢(xún)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(jì)中有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)使用了上海泗博自動(dòng)化的Modbus轉(zhuǎn)Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160。網(wǎng)關(guān)在這兩個(gè)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(mén)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(mén)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(hào)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(guò)上海泗博自動(dòng)化的網(wǎng)關(guān)配置軟件對(duì)PM-160進(jìn)行相關(guān)配置，將DCS的讀、寫(xiě)指令及數(shù)據(jù)做相應(yīng)轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)，并映射到西門(mén)子PLC的輸入、輸出映像區(qū)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)上下位機(jī)控制信息的實(shí)時(shí)傳輸。
在下層網(wǎng)絡(luò)中（建立西門(mén)子S7-300PLC和現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)各種智能儀表（現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)、智能開(kāi)關(guān)、變頻器、傳感器等））與Profibus-DP主站（西門(mén)子S7-300PLC）的通信。串口網(wǎng)絡(luò)（現(xiàn)場(chǎng)智能儀表）設(shè)備接口為RS485或者RS232，它們都可以通過(guò)上海泗博自動(dòng)化的Modbus轉(zhuǎn)Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160實(shí)現(xiàn)與西門(mén)子S7-300PLC的連接通信。其中，通過(guò)使用網(wǎng)關(guān)的配套配置軟件對(duì)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(guò)網(wǎng)關(guān)讀、寫(xiě)命令及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)，映射到西門(mén)子PLC的輸入、輸出映射區(qū)，以實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(guò)PM-160與現(xiàn)場(chǎng)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(shí)，可以作Modbus主站、Modbus從站，也支持與非標(biāo)串口設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸。通過(guò)在西門(mén)子STEP7中注冊(cè)網(wǎng)關(guān)PM-160的GSD文件，即可在該編程軟件中對(duì)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(qǐng)見(jiàn)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(guò)網(wǎng)關(guān)的硬件旋碼開(kāi)關(guān)或者配置按鈕來(lái)設(shè)置。旋碼開(kāi)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(gè)位）。通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)可設(shè)置網(wǎng)關(guān)PM-160處于正常運(yùn)行狀態(tài)或者配置狀態(tài)。當(dāng)PM-160處于配置狀態(tài)時(shí)，用戶(hù)可通過(guò)配套配置軟件設(shè)置相關(guān)讀寫(xiě)命令和參數(shù)。
PM-160自帶標(biāo)準(zhǔn)Profibus-DP接口，用戶(hù)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(chǎng)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(hù)非標(biāo)串口設(shè)備可以通過(guò)這三種接口實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)關(guān)PM-160的連接通訊。PM-160沒(méi)有內(nèi)置終端電阻，在進(jìn)行RS485通信時(shí)，請(qǐng)注意在RS485總線終端各添加一個(gè)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(chǎng)總新和子網(wǎng)相關(guān)參數(shù)和命令
通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)將PM-160設(shè)置為配置狀態(tài)，打開(kāi)安裝的配置軟件（產(chǎn)品光盤(pán)或者訪問(wèn)http://www.sibotech.net/DownLoad01.asp ）：
當(dāng)實(shí)現(xiàn)PLC與DCS通信時(shí)，子網(wǎng)協(xié)議類(lèi)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(yàn)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(yàn)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(shí)現(xiàn)PLC與Modbus設(shè)備通信時(shí)，子網(wǎng)協(xié)議類(lèi)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(diǎn)-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(gè)寄存器”兩條命令，表示網(wǎng)關(guān)讀取了從站對(duì)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(duì)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(hù)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(gè)數(shù)：目標(biāo)數(shù)據(jù)的寄存器個(gè)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(duì)應(yīng)內(nèi)存緩沖區(qū)地址；
當(dāng)實(shí)現(xiàn)PLC與非標(biāo)協(xié)議設(shè)備通信時(shí)，子網(wǎng)協(xié)議類(lèi)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(chǎng)智能儀表）一致：PM-160支持的通用模式即透明傳輸模式，用戶(hù)可通過(guò)數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和事務(wù)序列號(hào)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(duì)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(duì)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(kù)中。用戶(hù)可在硬件組態(tài)界面找到注冊(cè)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(yè)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(dòng)需要的輸入輸出數(shù)據(jù)塊到網(wǎng)關(guān)對(duì)應(yīng)的槽位。如下圖所示，將數(shù)據(jù)塊“24Words Input，24Words Output”拖動(dòng)到Profibus-DP從站地址為3的PM-160的槽位中，此時(shí)，對(duì)應(yīng)的映射區(qū)地址分別為256，PLC程序需通過(guò)PIW256（PIB256）或者PQW256（PQB256）對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行尋址訪問(wèn)。
圖14 PLC映像區(qū)起始地址（命令配置）
四. 數(shù)據(jù)讀寫(xiě)
1、DCS讀寫(xiě)PLC數(shù)據(jù)
DCS作為Modus主站通過(guò)PM-160讀寫(xiě)PLC數(shù)據(jù)，使用04H功能碼讀數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的寄存器起始地址為0H（30001H），使用10H（03H）功能碼寫(xiě)數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的寄存器起始地址為0H（40001H）。
2、PLC讀寫(xiě)現(xiàn)場(chǎng)智能儀表數(shù)據(jù)
1) PLC讀寫(xiě)Modbus從站設(shè)備數(shù)據(jù)
PLC通過(guò)PM-160發(fā)送Modbus主站指令讀寫(xiě)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)應(yīng)關(guān)系如下：以圖14中的配置為例。
圖15 PLC通過(guò)PM-160讀寫(xiě)Modbus從站設(shè)備數(shù)據(jù)地址對(duì)應(yīng)關(guān)系
2) PLC讀寫(xiě)非標(biāo)串口設(shè)備數(shù)據(jù)
PLC的輸入映射區(qū)前兩個(gè)字節(jié)分別表示接收的串口數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和事務(wù)序列號(hào)，其它為接收到的數(shù)據(jù)。事務(wù)序列號(hào)變化，表示接收到了一幀新的串口數(shù)據(jù)。其中，可通過(guò)配置軟件設(shè)置是否開(kāi)啟串口數(shù)據(jù)長(zhǎng)度功能。PLC的輸出映射區(qū)前兩個(gè)字節(jié)分別表示發(fā)送的串口數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和事務(wù)序列號(hào)，其它為要發(fā)送的串口數(shù)據(jù)。事務(wù)序列號(hào)變化，PLC發(fā)送相應(yīng)長(zhǎng)度的串口數(shù)據(jù)。
五. 結(jié)束語(yǔ)
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(yùn)行以來(lái)，整個(gè)系統(tǒng)通訊正常，有效保證了整個(gè)水利工程控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。使用上海泗博自動(dòng)化的Modbus轉(zhuǎn)Profibus-DP網(wǎng)關(guān)可以極大地方便自動(dòng)化工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制和操作。
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