基于西門(mén)子PCS7的多現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)通訊

平國(guó)楠，王 琦，關(guān)燕鵬，孫竹梅

（山西大學(xué) 自動(dòng)化系，太原 030013）

現(xiàn)場(chǎng)總線具有特別強(qiáng)的開(kāi)放性和分布式結(jié)構(gòu)，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用十分廣泛?，F(xiàn)場(chǎng)總線具有許多優(yōu)點(diǎn)，如互用性和互可操作性強(qiáng)、系統(tǒng)協(xié)議開(kāi)放性高、智能化水平高和較好的功能自治性、系統(tǒng)高度分散性以及具有特別強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性[1-3]。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，過(guò)程控制系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)字化和智能化程度逐步增強(qiáng)，生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)與控制的點(diǎn)數(shù)與精度以及可靠性方面的要求越來(lái)越高，現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表與主控系統(tǒng)間的通信愈加重要。

當(dāng)主控系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信協(xié)議不同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議控制系統(tǒng)通訊不兼容問(wèn)題。對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和過(guò)程控制造成嚴(yán)重影響。本文通過(guò)試驗(yàn)平臺(tái)，以西門(mén)子PCS7為主控系統(tǒng)，施耐德PLC及歐姆龍PLC為第三方設(shè)備，實(shí)現(xiàn)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)、Modbus網(wǎng)絡(luò)、Devicenet網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，旨在解決多現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議控制系統(tǒng)通訊問(wèn)題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主控系統(tǒng)選取西門(mén)子PCS7，遠(yuǎn)程設(shè)備分別選取使用Modbus協(xié)議的Modicon M340 PLC和使用DeviceNet協(xié)議的歐姆龍PLC。以Modicon M340 PLC水箱液位控制系統(tǒng)和歐姆龍PLC制冷系統(tǒng)作為現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)，PCS7主控系統(tǒng)作為監(jiān)控級(jí)。通過(guò)實(shí)現(xiàn)水箱液位和冷卻水的現(xiàn)場(chǎng)控制和遠(yuǎn)程監(jiān)視控制，表明西門(mén)子PCS7與Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議控制系統(tǒng)及DeviceNet總線協(xié)議控制系統(tǒng)通訊成功。

硬件系統(tǒng)包括西門(mén)子DCS、歐姆龍PLC、Modicon M340 PLC和通信網(wǎng)關(guān)組成。集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

1.1 西門(mén)子PCS7系統(tǒng)

西門(mén)子PCS7系統(tǒng)是先進(jìn)的過(guò)程控制系統(tǒng)，主要包括 Step7、CFC、SFC、Simatic Net和 WinCC 以及PDM等軟件，硬件選用S7-400高端CPU。本文使用1臺(tái)PC機(jī)同時(shí)作為DCS服務(wù)器、操作員站、工程師站，完成數(shù)據(jù)采集、信息交互、DCS組態(tài)和維護(hù)。自動(dòng)化站與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)Profibus-DP端口通訊，與服務(wù)器和工程師站通過(guò)CP443-1模塊通過(guò)Ethernet實(shí)現(xiàn)通訊。硬件型號(hào)如表1所示。

1.2 Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中大量設(shè)備使用Modbus協(xié)議進(jìn)行通信，應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)采集和過(guò)程監(jiān)控[4]。Modbus網(wǎng)絡(luò)只有1個(gè)主機(jī)，支持247個(gè)從站。由于Modbus協(xié)議完全公開(kāi)且免費(fèi)，具有較好的開(kāi)放性和經(jīng)濟(jì)性，成為了通用的現(xiàn)場(chǎng)總線，多數(shù)變頻器、二次儀表和各個(gè)品牌的PLC都支持Modbus協(xié)議。本文通訊系統(tǒng)選用Modbus設(shè)備型號(hào)如表2所示。

表1 西門(mén)子PCS7硬件型號(hào)表Tab.1 Hardware model of Siemens PCS7

表2 Modbus設(shè)備型號(hào)表Tab.2 Hardware model of Modbus device

1.3 DevcieNet現(xiàn)場(chǎng)總線

DeviceNet協(xié)議具有成本低、開(kāi)放性好的優(yōu)點(diǎn)，主要用于設(shè)備層通訊，現(xiàn)已經(jīng)成為IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)總線之一。它最多支持64個(gè)節(jié)點(diǎn)，通信速率為125 kb/s～500 kb/s，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，多主或主/從通信?？蓭щ姼鼡Q網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，也能在線修改網(wǎng)絡(luò)配置。采用CAN物理層和數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)約，支持選通、輪詢、循環(huán)、狀態(tài)變化和應(yīng)用觸發(fā)的數(shù)據(jù)傳送。既適用于連接低端工業(yè)設(shè)備，又能連接變頻器、操作終端這樣的復(fù)雜設(shè)備。本文以歐姆龍PLC作為DeviceNet主站，DeviceNet/Profibus-DP連接器同時(shí)作為DeviceNet網(wǎng)絡(luò)和Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)從站實(shí)現(xiàn)信息傳輸。

表3 DeviceNet通訊設(shè)備選型列表Tab.3 Hardware model of DeviceNet device

2 硬件連接及通信

系統(tǒng)通訊過(guò)程如圖2所示，Modbus網(wǎng)絡(luò)和DeviceNet網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分別通過(guò)Serial/Profibus-DP網(wǎng)關(guān)和DeviceNet/Profibus-DP網(wǎng)關(guān)傳輸至西門(mén)子DCS，通過(guò)設(shè)定掃描方式和掃描時(shí)間保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝浴?/p>

圖2 工作原理Fig.2 Working principle of system

DeviceNet與Profibus-DP通過(guò)映射關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，網(wǎng)關(guān)PD-100S中有Profibus網(wǎng)絡(luò)輸入緩沖區(qū)和Profibus網(wǎng)絡(luò)輸出緩沖區(qū)。網(wǎng)關(guān)讀入的數(shù)據(jù)存入網(wǎng)絡(luò)輸入緩沖區(qū)，供Profibus讀取。網(wǎng)關(guān)同時(shí)從網(wǎng)絡(luò)輸出緩存區(qū)取數(shù)據(jù)通過(guò)寫(xiě)命令輸出到相應(yīng)DeviceNet設(shè)備。PD-100S同時(shí)作為Profibus網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和DeviceNet網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，需占用兩邊網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置。DeviceNet網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行通信首先要建立設(shè)備連接。將歐姆龍PLC DeviceNet主站模塊連接器端子與Devicenet/Profibus-DP網(wǎng)關(guān)端子連接，管腳1和管腳5接24 V供電。

現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備采用施耐德PLC Modicon M340，通過(guò)網(wǎng)關(guān)PM-160與控制級(jí)西門(mén)子DCS的控制器S7-400進(jìn)行通信。Modicon M340 PLC能夠?qū)ιa(chǎn)過(guò)程的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。將采集到的參數(shù)設(shè)定相應(yīng)變量，在特定的寄存器中進(jìn)行存儲(chǔ)。通過(guò)PLC中的變量表讀出每個(gè)變量寄存器地址，能夠明確知道該變量存儲(chǔ)位置。網(wǎng)關(guān)設(shè)備中有Modbus PLC地址對(duì)應(yīng)關(guān)系，在網(wǎng)關(guān)配置軟件中，可以根據(jù)Modbus從站所讀取數(shù)據(jù)的地址自動(dòng)生成網(wǎng)關(guān)對(duì)應(yīng)地址。網(wǎng)關(guān)從Modbus PLC側(cè)讀取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至對(duì)應(yīng)位置，再將數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)位置發(fā)送至西門(mén)子DCS。西門(mén)子DCS通過(guò)PCS7完成組態(tài)，在組態(tài)中通過(guò)導(dǎo)入網(wǎng)關(guān)PM-160的GSD文件，將網(wǎng)關(guān)組態(tài)至Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)上。通過(guò)編寫(xiě)相應(yīng)程序，完成數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)，及實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3 系統(tǒng)組態(tài)及程序設(shè)計(jì)

3.1 DeviceNet系統(tǒng)組態(tài)

通過(guò)對(duì)網(wǎng)關(guān)PD-100S的設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)DeviceNet和Profibus-DP的數(shù)據(jù)通信，即可連接具有DeviceNet接口的主站設(shè)備到Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)帶Profibus-DP接口的PLC與DeviceNet接口的PLC之間的數(shù)據(jù)交換。主要設(shè)置如下：

配置DeviceNet PLC通過(guò)調(diào)試軟件CX-Pro grammer Ver.8.1與PLC進(jìn)行連接，對(duì)PLC進(jìn)行編程和監(jiān)控。修改計(jì)算機(jī)的IP地址與PLC的IP地址在同一網(wǎng)段。在軟件CX-Programmer中進(jìn)行硬件配置。

配置DeviceNet/Profibus-DP網(wǎng)關(guān)通過(guò)旋碼開(kāi)關(guān)與撥碼開(kāi)關(guān)的設(shè)置硬件地址，通過(guò)超級(jí)終端配置輸入輸出字節(jié)長(zhǎng)度、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)字、數(shù)據(jù)交換方式以及工作方式。

為了能夠更加直觀地觀察變量變化情況，使用組態(tài)王軟件對(duì)歐姆龍PLC進(jìn)行畫(huà)面組態(tài)。

3.2 Modbus系統(tǒng)組態(tài)

Modbus系統(tǒng)組態(tài)主要分為Modbus PLC組態(tài)和網(wǎng)關(guān)組態(tài)兩部分。

通過(guò)RS485連接計(jì)算機(jī)與Modbus PLC，使用串口通信軟件Modbus Poll測(cè)試Modicon M340 PLC與計(jì)算機(jī)通信情況。測(cè)試通信正常后，使用Unity Pro軟件對(duì)PLC進(jìn)行配置。首先，根據(jù)設(shè)備實(shí)際型號(hào)在編輯器中配置機(jī)架、電源、CPU等模塊。然后進(jìn)行CPU通訊設(shè)置，設(shè)置PLC為Modbus從站，且參數(shù)與網(wǎng)關(guān)參數(shù)對(duì)應(yīng)。最后編寫(xiě)程序進(jìn)行調(diào)試。

使用軟件PM-123配置PM-160，對(duì)Modbus和Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的相關(guān)參數(shù)和命令進(jìn)行設(shè)置。PM-123主要用于對(duì)子網(wǎng)即Modbus側(cè)參數(shù)進(jìn)行配置，包括協(xié)議類(lèi)型、通信波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)方式、通訊傳輸模式等?？蓪?duì)子網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行配置，增加節(jié)點(diǎn)并對(duì)節(jié)點(diǎn)地址進(jìn)行設(shè)置，地址范圍為0～247，增加命令對(duì)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行設(shè)置。

從地址默認(rèn)為增加節(jié)點(diǎn)時(shí)設(shè)置的節(jié)點(diǎn)地址，功能碼默認(rèn)為本條命令的功能碼。校驗(yàn)類(lèi)別默認(rèn)為CRC，字/字節(jié)映射方式為全字。這幾項(xiàng)為不可修改項(xiàng)。內(nèi)存映射起始地址為軟件根據(jù)所填入的Modbus寄存器起始地址自動(dòng)映射地址。

同樣，為了能夠更加直觀地顯示出變量變化情況進(jìn)行了畫(huà)面組態(tài)。

3.3 PCS7系統(tǒng)組態(tài)

如圖3所示，首先組態(tài)自動(dòng)化站。根據(jù)設(shè)備實(shí)際型號(hào)插入機(jī)架、電源模塊、CPU、通信模塊。將PD-100S網(wǎng)關(guān)和PM-160網(wǎng)關(guān)作為DP網(wǎng)絡(luò)的子站組態(tài)在DP網(wǎng)絡(luò)中。并分別在其中插入相應(yīng)的I/O模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。其次組態(tài)工程師站，通過(guò)CFC編寫(xiě)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)，并在OS站中組態(tài)相應(yīng)畫(huà)面。

圖3 PCS7硬件組態(tài)Fig.3 Hardware configuration of PCS7

4 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果

首先，實(shí)現(xiàn) Serial/Profibus-DP網(wǎng)關(guān)與施耐德 PLC的Modbus通信。網(wǎng)關(guān)能夠?qū)κ┠偷翽LC中的數(shù)值進(jìn)行讀取和寫(xiě)入。其次，完成了西門(mén)子DCS通過(guò)網(wǎng)關(guān)與施耐德PLC的通信[5]。之后，實(shí)現(xiàn)DeviceNet/Profibus-DP與歐姆龍PLC的通信。最終，實(shí)現(xiàn)西門(mén)子DCS與歐姆龍PLC通信并進(jìn)行整體通信測(cè)試。通過(guò)PCS7組態(tài)畫(huà)面能夠反映Modbus PLC和歐姆龍PLC中數(shù)值變化情況，同時(shí)，Modbus PLC和歐姆龍PLC也能夠根據(jù)西門(mén)子DCS指令進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，說(shuō)明通信成功。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)多現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的通信不兼容問(wèn)題，提出使用硬件集成Serial/Profibus-DP網(wǎng)關(guān)和DeviceNet/Profibus-DP網(wǎng)關(guān)的通信方案。通過(guò)西門(mén)子PCS7實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)視及控制，達(dá)到Modbus網(wǎng)絡(luò)、DeviceNet網(wǎng)絡(luò)和Profibus網(wǎng)路數(shù)據(jù)互通，實(shí)現(xiàn)了基于西門(mén)子PCS7的多現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的通信。可以在電廠的擴(kuò)建和改造過(guò)程中，保留電廠原有的西門(mén)子監(jiān)控級(jí)設(shè)備或使用Modbus協(xié)議和DeviceNet協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線儀表，降低電廠的擴(kuò)改成本，并縮短電廠的擴(kuò)改工期。擴(kuò)展了西門(mén)子系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的兼容性，對(duì)促進(jìn)自動(dòng)控制系統(tǒng)全廠一體化和現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。

[1]印江，馮江濤.電廠分散控制系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2006.

[2]潘新民，王燕芳.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[3]廖常初.S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[4]孫竹梅，平國(guó)楠，王琦，等.西門(mén)子DCS與Modbus PLC的異構(gòu)集成[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2016（12）：47-49.

[5]王琦，程晨，孫竹梅，等.Profibus-DP與Modbus協(xié)議通信兼容設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2016（6）：53-56.