西門子S7-300 PLC與DCS控制系統(tǒng)的通信

時間：2020-08-25

一. 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?？刂啤⑿畔⒉杉炔僮?。

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

PROFIBUS 現(xiàn)場總線通訊協(xié)議包括三個主要部分：

(1). PROFIBUS DP：主站和從站之間采用輪循的通訊方式，主要應用于自動化系統(tǒng)中單元級和現(xiàn)場級通信；

(2). 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；

(3). 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；

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：

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

(C) 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，該通信模塊較大通信數(shù)據(jù)容量為4000字。通過網(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。

二. Modbus轉PROFIBUS-DP網(wǎng)關PM-160的配置

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。

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)；

內存映射起始地址：Modbus從站設備數(shù)據(jù)的對應內存緩沖區(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-16**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)。

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）。

自這個通信系統(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 Modbus轉Profibus-DP網(wǎng)關可以較大地方便自動化工業(yè)現(xiàn)場的控制和操作。

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