西門子開放式IE通訊在水電站監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、    西門子開放式IE通訊在水電站監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用摘要：本文介紹了水電站監(jiān)控系統(tǒng)、西門子PLC集成PROFINET接口的CPU315-2PN/DP模塊的開放式IE通訊和Modbus/TCP協(xié)議，并詳細講述了使用開放式IE通訊編程實現(xiàn)Modbus/TCP協(xié)議的方法，說明了采用面向?qū)ο缶幊痰脑O(shè)計思想和軟件編程。在湖南銅信溪水電站中應(yīng)用證明通過開放式IE通訊實現(xiàn)Modbus/TCP協(xié)議與上位機系統(tǒng)通訊時穩(wěn)定可靠，不需要采用西門子公司OPC、能有效降低整個水電站監(jiān)控系統(tǒng)成本。關(guān)鍵詞：水電站，PLC，PROFINET，開放式IE通  

2、0; 摘要：本文介紹了水電站監(jiān)控系統(tǒng)、西門子PLC集成PROFINET接口的CPU315-2PN/DP模塊的開放式IE通訊和Modbus/TCP協(xié)議，并詳細講述了使用開放式IE通訊編程實現(xiàn)Modbus/TCP協(xié)議的方法，說明了采用面向?qū)ο缶幊痰脑O(shè)計思想和軟件編程。在湖南銅信溪水電站中應(yīng)用證明通過開放式IE通訊實現(xiàn)Modbus/TCP協(xié)議與上位機系統(tǒng)通訊時穩(wěn)定可靠，不需要采用西門子公司OPC、能有效降低整個水電站監(jiān)控系統(tǒng)成本。    關(guān)鍵詞：水電站，PLC，PROFINET，開放式IE通訊，Modbus/TCP，面向?qū)ο?，OPC1 &#

3、160;引言    目前國內(nèi)的水電站從最初的“集中控制、功能分散方式”到當(dāng)今流行的“全分層分布開放式運行方式”，已全部采用計算機控制系統(tǒng)取代過去以繼電器常規(guī)控制方式，可實現(xiàn)“無人值班”（少人值守），大大提高了水電站的自動化水平。一般整個水電站監(jiān)控系統(tǒng)在物理上分為兩層：電站控制層和現(xiàn)地控制層。電站控制層（或稱上位機系統(tǒng)）主要用于監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)、維護,水電站運行的監(jiān)視、操作、信息管理、遠動和優(yōu)化控制等.現(xiàn)地控制層按控制對象分散方式一般設(shè)置為機組現(xiàn)地控制單元（LCU）、開關(guān)站及公用現(xiàn)地控制單元（LCU）和閘門現(xiàn)地控制單元（LCU），現(xiàn)地控制單元（LCU）主要采

4、用PLC完成控制對象的數(shù)據(jù)采集與處理、控制與調(diào)節(jié)、安全運行監(jiān)視、事件順序記錄（SOE）、數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)通訊等。2  項目簡介    湖南銅信溪水電站裝設(shè)三臺10MW水輪發(fā)電機組，整個監(jiān)控系統(tǒng)采用“全分層分布開放式運行方式”,上位機系統(tǒng)設(shè)置二套操作員工作站、一套工程師工作站和一套通訊工作站,現(xiàn)地控制層設(shè)置三套機組LCU、一套開關(guān)站及公用LCU和一套閘門LCU。LCU主要采用西門子S7-300集成PROFINET接口的CPU315-2PN/DP模塊，通過編程實現(xiàn)Modbus/TCP協(xié)議與上位機系統(tǒng)通訊；同時配置相應(yīng)的數(shù)字量輸入/輸出模塊和模擬

5、量輸入模塊，完成機組、開關(guān)站、公用和閘門等設(shè)備的控制與調(diào)節(jié)。具體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 湖南銅信溪水電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3  CPU315-2PN/DP模塊及Modbus/TCP協(xié)議    CPU315-2PN/DP是西門子2004年底推出的一款高性價比S7-300 CPU.通過集成的通信接口（MPI/DP，PN）,該CPU可直接連接MPI網(wǎng)絡(luò)、Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)、開放式工業(yè)以太網(wǎng),以及基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的新一代現(xiàn)場總線PROFINET。該CPU的推出,進一步增強了S7-300 PLC的通信功能,使S7

6、-300連接以太網(wǎng)的成本大大降低,并為PROFINET技術(shù)的普及提供了強有力支持。集成的IE/PROFINET接口支持多種通訊服務(wù)：基于PROFINET的開放通訊 （PROFINET IO, PROFINET CBA）、S7 通訊、開放式IE通訊、SIMATIC NET OPC Server和PG/OP通訊。本項目就是采用開放式IE通訊編程實現(xiàn)Modbus/TCP協(xié)議與水電站上位機系統(tǒng)通訊。軟硬件版本為V2.3.0 或更高、帶有集成PROFINET接口的CPU，均支持開放式IE 通訊,其具有不占

7、用CPU連接資源、最多可建立八個TCP/IP連接，完全基于開放式TCP/IP協(xié)議、可與第三方設(shè)備在以太網(wǎng)上進行通訊等優(yōu)點。    Modbus/TCP協(xié)議是簡單的、中立廠商的用于管理和控制自動化設(shè)備的Modbus系列通訊協(xié)議的派生產(chǎn)品。Modbus/TCP協(xié)議是一種面向TCP連接的協(xié)議，只有在建立了TCP連接后，才能以半雙工的方式進行數(shù)據(jù)交換。Modbus/TCP協(xié)議結(jié)構(gòu)要求請求和響應(yīng)帶有六個字節(jié)的前綴，具體結(jié)構(gòu)如下：    byte 0: 事務(wù)處理標識符 通常為 0

8、0;   byte 1: 事務(wù)處理標識符 通常為 0    byte 2: 協(xié)議標識符= 0    byte 3: 協(xié)議標識符= 0    byte 4: 長度字段 （上半部分字節(jié)） = 0 （所有的消息長度小于256）    byte 5

9、: 長度字段 （下半部分字節(jié)） = 后面字節(jié)的數(shù)量    byte 6: 單元標識符 （原“從站地址”）    byte 7: MODBUS 功能代碼    byte 8:寄存器地址（高字節(jié)）    byte 9:寄存器地址（低字節(jié)）    byte 10:寄存器數(shù)量（

10、高字節(jié)，固定為0）    byte 11:寄存器數(shù)量（低字節(jié)）    byte 12:后面數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)量-寫寄存器時有效    byte 13:寄數(shù)據(jù)1（高字節(jié)）-寫寄存器時有效    byte 14:寄數(shù)據(jù)1（低字節(jié)）-寫寄存器時有效    需要注意的是Modbus/TCP協(xié)議所有的請求都是通過端口號502發(fā)送的，而CPU315-2PN/DP模塊的端口號只能

11、設(shè)置為2000至5000。4  軟件實現(xiàn)    4.1    編程指令說明    在CPU315-2PN/DP這一邊，不是通過NetPro設(shè)置通訊連接，而是通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)。為了能通過用戶程序和其它與TCP/IP兼容的通訊伙伴通過開放式IE通訊實現(xiàn)交換數(shù)據(jù)，STEP7（V5.3+SP1或以上）提供了四個功能塊（FB）和一個用戶定義數(shù)據(jù)類型（UDT）用于組態(tài)連接和數(shù)據(jù)交換：    1）   

12、;    FB63“TSEND”：用于發(fā)送數(shù)據(jù)    2）       FB64“TRCV”：用于接收數(shù)據(jù)    3）       FB65“TCON”：用于建立連接    4）       FB66“TDISCON”：用于斷開連

13、接    5）       UDT65“TCON_PAR”：包括組態(tài)連接屬性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)    以上功能塊（FB）包含在Standard Library > Communication Blocks庫中。    開放式IE通訊只能通過TCP/IP 建立以太網(wǎng)連接，通訊是面向連接的，只有與通訊伙伴建立了連接后才能傳送數(shù)據(jù)。   

14、; 要編程建立連接,需要創(chuàng)建一個包含UDT65“TCON_PAR”數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)快（DB）。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含建立連接所需的所有參數(shù)，需要為每個連接創(chuàng)建一個這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一個連接建立之后，將受到 CPU 的監(jiān)控，如果中間發(fā)生了中斷，則自動嘗試重新建立連接。    4.2    程序執(zhí)行過程    整個以太網(wǎng)通訊程序分成以下五個部分：    1）  初始化   

15、 初始化程序在OB100中執(zhí)行，主要設(shè)置連接ID、CPU315-2PN/DP端口號、上位機系統(tǒng)中操作員工作站IP地址和開始等待建立連接標志（FB65_REQ=1）。    2）  建立連接    由開始等待建立連接標志（FB65_REQ=1）調(diào)用FB65等待上位機系統(tǒng)中操作員工作站請求建立連接。如果上位機系統(tǒng)中操作員工作站請求建立了連接，且FB65被無錯誤執(zhí)行建立了連接（FB65_DONE=1），設(shè)置開始接收數(shù)據(jù)標志（FB64_EN_R=1）和復(fù)位開始等待建立連接標志（FB65_REQ

16、=0）。如果上位機系統(tǒng)中操作員工作站沒有請求建立連接或請求建立了連接FB65執(zhí)行后有錯誤發(fā)生，則程序不做任何處理，還是等待建立連接。    3） 接收數(shù)據(jù)    由開始接收數(shù)據(jù)標志（FB64_EN_R=1）調(diào)用FB64開始接收數(shù)據(jù)。如果上位機系統(tǒng)中操作員工作站發(fā)送了數(shù)據(jù)，且被FB64被無錯誤接收后（FB64_BDR=1），則調(diào)用Modbus/TCP協(xié)議處理程序（FB74）對接收到的數(shù)據(jù)進行判斷和處理。如果上位機系統(tǒng)中操作員工作站沒有發(fā)送數(shù)據(jù)或發(fā)生了數(shù)據(jù)FB64執(zhí)行后有錯誤發(fā)生，則程序不做任何處理，還是等待

17、接收數(shù)據(jù)。    4）Modbus/TCP協(xié)議處理    首先判斷接收數(shù)據(jù)數(shù)量、寄存器地址和功能碼是否正確。如果正確，則進行讀/寫數(shù)據(jù)處理，并準備正確響應(yīng)所需數(shù)據(jù)。如果錯誤，則設(shè)置非法數(shù)據(jù)地址或非法功能碼標志,并準備錯誤響應(yīng)所需數(shù)據(jù)。程序執(zhí)行完成后設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)標志（FB63_REQ=1）和復(fù)位開始接收數(shù)據(jù)標志（FB64_EN_R=0）。    5） 發(fā)送數(shù)據(jù)    由開始發(fā)送數(shù)據(jù)標志（FB63_REQ=1）調(diào)用FB63開始發(fā)送

18、數(shù)據(jù)。不管發(fā)送完成是否正確，只要發(fā)送數(shù)據(jù)完成了就設(shè)置開始接收數(shù)據(jù)標志（FB64_EN_R=1）和復(fù)位發(fā)送數(shù)據(jù)標志（FB63_REQ=0），然后開始等待接收數(shù)據(jù)。    4.3    程序塊    為了實現(xiàn)CPU315-2PN/DP與水電站上位機系統(tǒng)中操作員工作站的數(shù)據(jù)交換，PLC需要下表1所示程序塊：表1 PLC所需程序塊    為了正確組態(tài)連接參數(shù)，必須了解連接結(jié)構(gòu)（UDT65）中每個參數(shù)的含義。連接結(jié)構(gòu)（UDT65）的說明

19、如下表2所示：表2 連接結(jié)構(gòu)（UDT65）說明4.4   以太網(wǎng)通訊控制程序        以太網(wǎng)通訊控制程序采用面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)化編程方法，在一個功能塊（FB73）中封裝了以太網(wǎng)通訊的建立連接、接收數(shù)據(jù)、調(diào)用Modbus/TCP協(xié)議處理程序和發(fā)送數(shù)據(jù)等過程。為此必須聲明用于以太網(wǎng)通訊控制程序（FB73）輸入、輸出和輸入/輸出參數(shù)。具體聲明的參數(shù)如下表3所示：表3 FB73聲明的參數(shù)    通過FB73封裝了以太網(wǎng)通訊控制程序，

20、當(dāng)需要與計算機建立一個連接時只需在OB1調(diào)用一次FB73，當(dāng)需要建立多個連接時多次調(diào)用FB73即可。注意：CPU315-2PN/DP最多可建立八個TCP/IP連接。    4.5    Modbus/TCP協(xié)議處理程序    Modbus/TCP協(xié)議處理程序采用面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)化編程方法,在一個功能塊（FB74）中封裝了數(shù)據(jù)數(shù)量、數(shù)據(jù)地址和功能碼判斷，處理并準備上傳所需數(shù)據(jù)等全部過程。為此必須聲明用于Modbus/TCP協(xié)議處理程序（FB74）輸入、輸出和輸入/輸出參數(shù)。具體聲明的參數(shù)如下表4所示：    地址 聲明 名稱 類型