如何實現(xiàn)西門子S7-300 PLC與DCS控制系統(tǒng)通信
一、 引言
現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展,不斷促進著自動化控制技術及設備通信技術創(chuàng)新的發(fā)展。當前,PLC、DCS、智能儀表等已廣泛應用到現(xiàn)場生產(chǎn)控制系統(tǒng)中,并發(fā)展到由上述設備相互協(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)場總線通信技術至關重要。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Profibus-DP協(xié)議網(wǎng)關設備的應用。
二、系統(tǒng)組成
1、系統(tǒng)結構
本系統(tǒng)構成如圖1,其中略去了西門子S7-300PLC之外的其它現(xiàn)場級控制設備。系統(tǒng)上位機采用橫河CS3000型DCS集散控制系統(tǒng),實現(xiàn)對整個水利項目進行集中監(jiān)控。下位機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、智能開關、變頻器、傳感器等執(zhí)行、檢測設備的啟??刂?、信息采集等操作。
圖1 系統(tǒng)結構
在上圖所示系統(tǒng)結構中,現(xiàn)場各種智能儀表(采用的是Modbus協(xié)議或者各種非標協(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Profibus-DP網(wǎng)關PM-160連接到西門子S7-300PLC。此時,網(wǎng)關PM-160在串口側的協(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Profibus-DP網(wǎng)關PM-160,此時,網(wǎng)關PM-160在串口側的協(xié)議類型為Modbus從站。
2、通信網(wǎng)絡組成
2.1 Profibus協(xié)議簡介
PROFIBUS 是目前國際上通用的現(xiàn)場總線標準之一,以其獨特的技術特點、嚴格的認證規(guī)范、開放的標準、眾多廠商的支持和不斷發(fā)展的應用行規(guī),已成為最重要的和應用最廣泛的現(xiàn)場總線標準。
PROFIBUS 現(xiàn)場總線通訊協(xié)議包括三個主要部分:
PROFIBUS DP:主站和從站之間采用輪循的通訊方式,主要應用于自動化系統(tǒng)中單元級和現(xiàn)場級通信。
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。
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,通訊速率達到12M。PROFIBUS-DP 可以連接遠程I/O、執(zhí)行機構、智能馬達控制器、人機界面HMI、閥門定位器、變頻器等智能設備, 一條PROFIBUS-DP 總線可以最多連接123 個從站設備。PROFIBUS-DP 的拓撲結構可以是總線型、星型和樹型,通訊介質可以是屏蔽雙絞線、光纖,也支持紅外傳輸,采用雙絞線時,不加中繼器最遠通訊距離可達1.2 公里,最多可以采用9 個中繼器,最遠通訊距離可達9 公里。采用光纖時,最遠通訊距離可達100 公里以上,其中采用多膜光纖,兩點間最遠距離可達3 公里,采用單膜光纖時,兩點間最遠距離可達3 公里。
2.2 Modbus協(xié)議簡介
Modbus協(xié)議是一種適用于工業(yè)控制領域的主從式串口通訊協(xié)議,它采用查詢通訊方式進行主從設備的信息傳輸,可尋址1-247個設備地址范圍。協(xié)議包括廣播查詢和單獨設備查詢兩種方式,二者區(qū)別就是廣播查詢不需要從設備回應信息,主、從設備查詢通訊過程見圖2:
圖2 Modbus主、從設備查詢響應
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束標志。信息幀所有字符位由16進制字符0-9、A-F組成。 Modbus RTU通訊協(xié)議幀結構:
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:主設備查詢。
圖6 主設備查詢格式
Modbus RTU方式主站讀取從站寄存器數(shù)據(jù)示例:從設備響應。
圖7 從設備響應格式
2.3 網(wǎng)絡構成及硬件介紹
如圖1所示,在該系統(tǒng)設計中有兩個網(wǎng)絡使用了上海泗博自動化的Modbus轉Profibus-DP網(wǎng)關PM-160。網(wǎng)關在這兩個網(wǎng)絡中的作用不一樣,其中:在上層網(wǎng)絡中(建立西門子S7-300PLC和橫河DCS連接通信),Modbus轉Profibus-DP網(wǎng)關PM-160在Modbus側做Modbus從站,在Profibus-DP側做從站,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)關配置軟件對PM-160進行相關配置,將DCS的讀、寫指令及數(shù)據(jù)做相應轉換、存儲,并映射到西門子PLC的輸入、輸出映像區(qū),以實現(xiàn)對上下位機控制信息的實時傳輸。
在下層網(wǎng)絡中(建立西門子S7-300PLC和現(xiàn)場智能儀表的連接通信),Modbus轉Profibus-DP網(wǎng)關PM-160在Modbus側做Modbus主站,在Profibus-DP側做從站,建立Modbus從站(現(xiàn)場各種智能儀表(現(xiàn)場電機、智能開關、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(現(xiàn)場智能儀表)設備接口為RS485或者RS232,它們都可以通過上海泗博自動化的Modbus轉Profibus-DP網(wǎng)關PM-160實現(xiàn)與西門子S7-300PLC的連接通信。其中,通過使用網(wǎng)關的配套配置軟件對PM-160進行相關配置,將需要采集的從站設備信息通過網(wǎng)關讀、寫命令及數(shù)據(jù)轉換、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Profibus-DP網(wǎng)關PM-160的配置
PM-160是通用型Modbus/RS485/RS422/RS232到Profibus-DP的協(xié)議轉換網(wǎng)關,在網(wǎng)關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)議轉換和數(shù)據(jù)交換。凡具有RS485/422/232接口的設備(Modbus協(xié)議或者非標協(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在與串口設備通信時,可以作Modbus主站、Modbus從站,也支持與非標串口設備實現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸。通過在西門子STEP7中注冊網(wǎng)關PM-160的GSD文件,即可在該編程軟件中對該網(wǎng)關進行相關硬件和軟件配置,完成相應的通訊功能。請見如下詳細的硬件和軟件配置方法:
1、Modbus轉Profibus-DP網(wǎng)關PM-160的硬件配置
PM-160的Profibus-DP從站地址可以通過網(wǎng)關的硬件旋碼開關或者配置按鈕來設置。旋碼開關有兩位,左側位設置地址高位(十位),右側位設置地址低位(個位)。通過撥碼開關可設置網(wǎng)關PM-160處于正常運行狀態(tài)或者配置狀態(tài)。當PM-160處于配置狀態(tài)時,用戶可通過配套配置軟件設置相關讀寫命令和參數(shù)。
PM-160自帶標準Profibus-DP接口,用戶可使用標準Profibus-DP連接頭和標準的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、主站設備以及用戶非標串口設備可以通過這三種接口實現(xiàn)與網(wǎng)關PM-160的連接通訊。PM-160沒有內(nèi)置終端電阻,在進行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Profibus-DP網(wǎng)關PM-160的軟件配置
1) 使用配套軟件設置PM-160的現(xiàn)場總新和子網(wǎng)相關參數(shù)和命令
通過撥碼開關將PM-160設置為配置狀態(tài),打開安裝的配置軟件。當實現(xiàn)PLC與DCS通信時,子網(wǎng)協(xié)議類型設置為Modbus從站,并設置串口通信波特率、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、停止位的設置應該和所連接的Modbus主站設備(DCS)一致;
圖8 PM-160在Modbus側作Modbus從站(連接PLC和DCS)
當實現(xiàn)PLC與Modbus設備通信時,子網(wǎng)協(xié)議類型設置為Modbus主站,并設置串口通信參數(shù)、通訊傳輸模式、通信接口等。其中,串口通信參數(shù)的設置應該和所連接的Modbus從站設備一致:
圖9 PM-160在Modbus側作Modbus主站(連接PLC和Modbus從站)
其中,圖9中的“節(jié)點-1”表示連接的從站設備地址為1,配置了“讀保持寄存器”和“預置多個寄存器”兩條命令,表示網(wǎng)關讀取了從站對應地址的數(shù)據(jù),并且能夠輸出數(shù)據(jù)到Modbus從站設備,命令配置方法如下:
圖10 PM-160在Modbus側作Modbus主站(命令配置)
Modbus寄存器起始地址:用戶輸入目標采集數(shù)據(jù)的Modbus寄存器起始地址
數(shù)據(jù)個數(shù):目標數(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從站設備數(shù)據(jù)的對應內(nèi)存緩沖區(qū)地址。
當實現(xiàn)PLC與非標協(xié)議設備通信時,子網(wǎng)協(xié)議類型設置為通用模式,并設置串口通信參數(shù)、控制方式、通信接口等。其中,串口通信參數(shù)的設置應該和所連接的非標串口設備(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
2) 在STEP7中對網(wǎng)關M-160進行組態(tài)設置
在STEP7的硬件組態(tài)界面,導入PM-160對應的GSD文件,把PM-160的配置文件添加到STEP7的設備配置庫中。用戶可在硬件組態(tài)界面找到注冊的設備: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,可以插入相應的數(shù)據(jù)塊進行映像區(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)關對應的槽位。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)對相應的數(shù)據(jù)進行尋址訪問。
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)場串口設備數(shù)據(jù)。映像區(qū)起始地址和網(wǎng)關內(nèi)存映射起始地址對應關系如下:以圖14中的配置為例。
圖15 PLC通過PM-160讀寫Modbus從站設備數(shù)據(jù)地址對應關系
2) PLC讀寫非標串口設備數(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)長度和事務序列號,其它為接收到的數(shù)據(jù)。事務序列號變化,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)長度和事務序列號,其它為要發(fā)送的串口數(shù)據(jù)。事務序列號變化,PLC發(fā)送相應長度的串口數(shù)據(jù)。
五、 結束語
在該系統(tǒng)中,Modbus轉Profibus-DP網(wǎng)關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);建議非標串口設備和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Profibus-DP網(wǎng)關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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