如何實現(xiàn)西門子S7-300 PLC與DCS控制系統(tǒng)的通信
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(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?。 圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
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: 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,。 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(luò),通訊速率達到12M,。PROFIBUS-DP 可以連接遠(yuǎn)程I/O,、執(zhí) 行
機構(gòu)、智能馬達控制器,、人機界面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1.2
公里,最多可以采用9 個中繼器,,最遠(yuǎn)通訊距離可達9 公里,。采用光纖時,最遠(yuǎn)通訊距離可達100 公里以上,,其中采用多膜光纖,,兩點間最遠(yuǎn)距離可達3
公里,采用單膜光纖時,,兩點間最遠(yuǎn)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(lǐng)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(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:
圖2 Modbus主、從設(shè)備查詢響應(yīng) 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、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./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) 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
2) 在STEP7中對網(wǎng)關(guān)M-160進行組態(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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