西門子CP341與UDC3300控制器的Modbus通訊

華環(huán)國際煙草有限公司 胡發(fā)運(yùn) 陳 磊

1.引言

智能控制儀表是工業(yè)控制中最常用的控制器之一，主要針對(duì)某一特定的參數(shù)如壓力、溫度、流量等，采用比較先進(jìn)的控制算法如PID、自適應(yīng)PID、模糊控制等，以求精確控制被控參數(shù)，具有專業(yè)性強(qiáng)、智能化高、控制算法先進(jìn)、使用方便的特點(diǎn)。但各個(gè)生產(chǎn)廠家的智能控制儀表存在通訊協(xié)議不統(tǒng)一、通訊網(wǎng)絡(luò)僅提供簡單的RS485、RS232或RS422等缺點(diǎn)，難以集成到工廠中的HMI系統(tǒng)中。而可編程序控制器（PLC）運(yùn)行可靠、集成度高、可擴(kuò)展性強(qiáng)，在工業(yè)控制中得到廣泛的應(yīng)用，且各生產(chǎn)廠家為PLC提供了多種通訊模塊，如工業(yè)以太網(wǎng)模塊、Profibus DP現(xiàn)場(chǎng)總線模塊、AS-I模塊、點(diǎn)到點(diǎn)串行通訊模塊等，因此可以利用PLC的通訊模塊，讀取或修改智能儀表中的數(shù)據(jù)，以達(dá)到與工廠中的HMI系統(tǒng)完美結(jié)合的目的。

美國普勞克特(WP&S)公司是老牌的復(fù)烤機(jī)生產(chǎn)商，其生產(chǎn)的復(fù)烤機(jī)主要應(yīng)用于煙葉復(fù)烤和食品加工行業(yè)，其控制系統(tǒng)采用西門子S7-300系列PLC，為保證有兩套獨(dú)立的核心控制系統(tǒng)，使用了西門子S7-300PLC和Honeywell公司生產(chǎn)的UDC3300通用數(shù)字控制器，PLC和UDC3300控制器之間采用點(diǎn)到點(diǎn)串行通訊Modbus網(wǎng)連接，以實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、濕度、水份等測(cè)量信號(hào)的顯示與控制。

2.硬件組態(tài)

為使用Modbus通訊，首先在CPU的擴(kuò)展機(jī)架安裝具有通訊功能的CP 341-RS422/485模塊，其訂購號(hào)6ES7 341-1CH01-0AE0，CP341模塊使用Gould-Modbus通訊協(xié)議和UDC3300控制器通訊，使用裝有點(diǎn)到點(diǎn)Modbus通訊軟件的STEP7編程軟件，可以進(jìn)行硬件的組態(tài)并給CP341通訊模塊設(shè)定地址和其它參數(shù)，如圖1。

CP 341-RS422/485 Modbus通訊模塊的地址占用16個(gè)字節(jié)，地址可以采用自動(dòng)選擇或根據(jù)個(gè)人要求選定，分配地址后，必須對(duì)其它基本參數(shù)進(jìn)行檢查，以符合實(shí)際硬件接線要求，例如采用RS485二線制半雙工接線方式。

3.通訊協(xié)議

我公司的復(fù)烤生產(chǎn)線中，要求將16只UDC3300控制器中的設(shè)定值、測(cè)量值、信號(hào)輸出值讀入到PLC中，通過PLC可以修改控制器的設(shè)定值、控制器工作模式(自動(dòng)或手動(dòng))和手動(dòng)狀態(tài)下輸出值，以下對(duì)CP341和UDC3300控制器的通訊協(xié)議做一簡單介紹。

(1)CP341模塊

表一 功能碼含義

CP341是西門子公司提供的點(diǎn)到點(diǎn)連接串行通訊的低成本解決方案，使用Gould-Modbus通訊協(xié)議，該模塊提供了二種不同形式的傳輸接口：a、RS485(二線)；b、RS422(四線)。通過集成在STEP7中的參數(shù)化工具可方便地進(jìn)行參數(shù)化，其設(shè)置主要包括地址分配、通訊方式(波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位數(shù)、奇偶校驗(yàn))、接口方式(RS485或RS422)。

(2)Gould-Modbus通訊協(xié)議簡介

Modbus網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的交換是通過功能碼進(jìn)行的，數(shù)據(jù)在位—位或寄存器—寄存器之間傳送，具體含義見表一和表二。

(3)UDC3300控制器

對(duì)UDC3300控制器，我公司中設(shè)置為波特率19200，數(shù)據(jù)位數(shù)8，停止位數(shù)1，無奇偶校驗(yàn)，RS485半雙工工作方式。

4.軟件實(shí)現(xiàn)方法

要實(shí)現(xiàn)CP341和UDC控制器之間的通訊，PLC程序的設(shè)計(jì)是一個(gè)比較重要的環(huán)節(jié)，主要包括CP341發(fā)送讀取數(shù)據(jù)的命令，CP341發(fā)送寫數(shù)據(jù)的命令，CP341接收數(shù)據(jù)的命令。對(duì)于程序，西門子公司已編寫了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)功能塊FB8(P_SND_RK，發(fā)送功能塊)、FB7(P_RCV_RK，接受功能塊)、FC21(Execute Send Jobs，執(zhí)行發(fā)送)、FC23(Execute Receive Jobs，執(zhí)行接收)，設(shè)計(jì)人員需要做的是在程序中進(jìn)行合適的調(diào)用，并分配相應(yīng)的DB(數(shù)據(jù))塊用于數(shù)據(jù)的發(fā)送與存貯?？紤]到有16只UDC3300控制器，PLC對(duì)控制器數(shù)據(jù)的寫入不是一個(gè)連續(xù)的過程，僅在需要時(shí)PLC發(fā)送相應(yīng)命令，故在程序中采用脈沖調(diào)用的形式，并使發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令、發(fā)送寫數(shù)據(jù)命令相互錯(cuò)開，在每個(gè)掃描周期內(nèi)接收一次數(shù)據(jù)。CP341工作中所需要的DB數(shù)據(jù)塊及作用如表三，另外分配DB44、DB45、DB46用于數(shù)據(jù)的存貯，以使PLC修改控制器的設(shè)定值、工作模式、控制器的輸出，DB42、DB44中數(shù)據(jù)概況如圖2。

表二 使用規(guī)則

表三 DB數(shù)據(jù)塊的作用

圖1 硬件組態(tài)

圖2 DB42、DB44數(shù)據(jù)塊概況

圖3 FC21功能塊

圖4 FC21在OB1中的調(diào)用

(1)發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令和接收數(shù)據(jù)命令的程序

發(fā)送命令的程序FC21如圖3，受篇幅限制，僅顯示部分程序，具體發(fā)送和接收的全部詳細(xì)程序參見西門子公司相關(guān)技術(shù)手冊(cè)和STEP7中標(biāo)準(zhǔn)功能塊。

圖中#DB＿NO、#DBB＿NO為局部變量，分別指數(shù)據(jù)塊號(hào)和字節(jié)號(hào)，在OB1中調(diào)用FC21時(shí)指定具體數(shù)值。

(2)功能塊FC21、FC23在OB1中的調(diào)用

在OB1中調(diào)用了FC21，如圖4，以向控制器發(fā)送相關(guān)命令和數(shù)據(jù)，受篇幅限制，圖中僅顯示了部分程序，其它工作程序基本相同。

MW100的作用是指向DB塊中某一字節(jié)地址，以在發(fā)送命令數(shù)據(jù)時(shí)指定CP341發(fā)送需要的控制器地址、功能代碼、控制器中寄存器地址、需要操作的寄存器個(gè)數(shù)，指定的控制器根據(jù)要求回相關(guān)數(shù)據(jù)。MW106中存貯了CP341在發(fā)送寫入操作命令時(shí)需要的控制器地址、功能代碼、控制器中寄存器地址、需要操作的寄存器個(gè)數(shù)。對(duì)于接收功能塊FC23，只要PLC掃描時(shí)間允許，可以在OB1中任意位置多次調(diào)用，一般情況下每個(gè)掃描周期執(zhí)行FC23一次，以接收控制器回傳的數(shù)據(jù)。

5.結(jié)束語

通過使用點(diǎn)到點(diǎn)串行通訊模塊CP341和UDC3300控制器，使用RS485網(wǎng)絡(luò)和Gould-Modbus通訊協(xié)議進(jìn)行通訊，PLC可以讀取和寫入相關(guān)數(shù)據(jù)，極大方便了現(xiàn)場(chǎng)的控制和操作，并且成本較低。因此，利用CP341模塊來解決西門子PLC與第三方智能儀表的通訊問題是一個(gè)值得推廣的方式，在實(shí)際控制系統(tǒng)中，不僅僅可以解決與UDC3300控制器的通訊問題，對(duì)其它具有RS485或RS422網(wǎng)絡(luò)的智能儀表同樣可以解決與HMI系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的傳送問題。

[1]Simatic Loadable Driver for Point-to-Point CPs Modbus Protocol,S7 is Master,Edition 3.

[2]Simatic CP341 Point-to-Point Communication Installation and Parameter Assignment.

[3]Simatic Configuring Hardware and Communication Connections STEP 7 V5.1.

[4]Simatic Ladder Logic(LAD)for S7-300 and S7-400 Programming.

[5]Simatic Statement List(STL)for S7-300 and S7-400 Programming.

[6]Simatic Programming with STEP 7 V5.1.

[7]UDC3300 Universal Digital Controller Product Manual訂購號(hào):51-52-25-55.

[8]UDC3300 Universal Digital Controller Modbus RTU Serial Communications User Manual訂購號(hào):51-52-25-66K.

[9]Modbus RTU Serial Communications User Manual Configuration Interface for UDC3300訂購號(hào):51-52-25-70C.