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如何實現西門子S7-300 PLC與DCS控制系統的通信
——上海泗博自動化Modbus轉Profibus-DP網關的應用
摘要：本文就西門子S7-300系列PLC與橫河CS3000型DCS集散控制系統的之間的通信，介紹如何實現Modbus和Profibus-DP協議設備的相互通信、上海泗博自動化的Modbus轉Profibus-DP網關PM-160在其中的應用，以及這兩種不同通信協議的通信方式。
關鍵詞：Modbus協議 Profibus-DP協議 Modbus轉Profibus-DP 串口轉Profibus-DP 分布式控制系統 通信網絡
一. 引言
現代工業的迅速發展，不斷促進著自動化控制技術及設備通信技術創新的發展。當前，PLC、DCS、智能儀表等已廣泛應用到現場生產控制系統中，并發展到由上述設備相互協同、共同面向整個生產過程的分布式工業控制系統。在此系統中，現場總線通信技術至關重要。本文就某水利站分布式控制系統項目，介紹上海泗博自動化的Modbus轉Profibus-DP協議網關設備的應用。
二. 系統組成
1、系統結構
本系統構成如圖1，其中略去了西門子S7-300PLC之外的其它現場級控制設備。系統上位機采用橫河CS3000型DCS集散控制系統，實現對整個水利項目進行集中監控。下位機之一采用的是西門子S7-300系列PLC，實現對現場各種智能儀表，包括現場電機、智能開關、變頻器、傳感器等執行、檢測設備的啟停控制、信息采集等操作。
在上圖所示系統結構中，現場各種智能儀表（采用的是Modbus協議或者各種非標協議，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網關PM-160連接到西門子S7-300PLC。此時，網關PM-160在串口側的協議類型為Modbus主站或者通用模式。橫河DCS對西門子S7-300PLC的數據采集和監控同樣需要使用上海泗博自動化的通用串口（Modbus/RS485/RS422/RS232）轉Profibus-DP網關PM-160，此時，網關PM-160在串口側的協議類型為Modbus從站。
2、通信網絡組成
2.1 Profibus協議簡介
PROFIBUS 是目前國際上通用的現場總線標準之一，以其獨特的技術特點、嚴格的認證規范、開放的標準、眾多廠商的支持和不斷發展的應用行規，已成為最重要的和應用最廣泛的現場總線標準。
PROFIBUS 現場總線通訊協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中單元級和現場級通信；
(2). PROFIBUS PA：電源和通信數據通過總線并行傳輸，主要用于面向過程自動化系統中單元級和現場級通訊；
(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中系統級和車間級的過程數據交換；
其中，PROFIBUS-DP 是高速網絡，通訊速率達到12M。PROFIBUS-DP 可以連接遠程I/O、執
行機構、智能馬達控制器、人機界面HMI、閥門定位器、變頻器等智能設備， 一條PROFIBUS-DP 總線可以最多連接123 個從站設備。PROFIBUS-DP 的拓撲結構可以是總線型、星型和樹型，通訊介質可以是屏蔽雙絞線、光纖，也支持紅外傳輸，采用雙絞線時，不加中繼器最遠通訊距離可達1.2 公里，最多可以采用9 個中繼器，最遠通訊距離可達9 公里。采用光纖時，最遠通訊距離可達100 公里以上，其中采用多膜光纖，兩點間最遠距離可達3 公里，采用單膜光纖時，兩點間最遠距離可達3 公里。
2.2 Modbus協議簡介
Modbus協議是一種適用于工業控制領域的主從式串口通訊協議，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。協議包括廣播查詢和單獨設備查詢兩種方式，二者區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協議常用功能碼如圖3所示：
圖3 Modbus協議常用功能碼
Modbus協議有兩種傳輸模式：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據，所以工業網絡大都采用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通訊協議幀結構：
圖5 RTU通訊協議幀格式
Modbus RTU方式主站讀取從站寄存器數據示例：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據示例：從設備響應。
圖7 從設備響應格式
2.3 網絡構成及硬件介紹
如圖1所示，在該系統設計中有兩個網絡使用了上海泗博自動化的Modbus轉Profibus-DP網關PM-160。網關在這兩個網絡中的作用不一樣，其中：
在上層網絡中（建立西門子S7-300PLC和橫河DCS連接通信），Modbus轉Profibus-DP網關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，該通信模塊最大通信數據容量為4000字。通過上海泗博自動化的網關配置軟件對PM-160進行相關配置，將DCS的讀、寫指令及數據做相應轉換、存儲，并映射到西門子PLC的輸入、輸出映像區，以實現對上下位機控制信息的實時傳輸。
在下層網絡中（建立西門子S7-300PLC和現場智能儀表的連接通信），Modbus轉Profibus-DP網關PM-160在Modbus側做Modbus主站，在Profibus-DP側做從站，建立Modbus從站（現場各種智能儀表（現場電機、智能開關、變頻器、傳感器等））與Profibus-DP主站（西門子S7-300PLC）的通信。串口網絡（現場智能儀表）設備接口為RS485或者RS232，它們都可以通過上海泗博自動化的Modbus轉Profibus-DP網關PM-160實現與西門子S7-300PLC的連接通信。其中，通過使用網關的配套配置軟件對PM-160進行相關配置，將需要采集的從站設備信息通過網關讀、寫命令及數據轉換、存儲，映射到西門子PLC的輸入、輸出映射區，以實現PLC對現場智能儀表數據的采集和監控。
三. Modbus轉Profibus-DP網關PM-160的配置
PM-160是通用型Modbus/RS485/RS422/RS232到Profibus-DP的協議轉換網關，在網關RAM中建立了Modbus/RS485/RS422/RS232到Profibus-DP的映射數據區，由軟件實現Modbus/RS485/RS422/RS232到Profibus-DP的協議轉換和數據交換。凡具有RS485/422/232接口的設備（Modbus協議或者非標協議）都可以通過PM-160與現場總線Profibus-DP互聯。其中，PM-160在與Profibus-DP通訊是作為Profibus-DP從站，PM-160在與串口設備通信時，可以作Modbus主站、Modbus從站，也支持與非標串口設備實現數據透明傳輸。通過在西門子STEP7中注冊網關PM-160的GSD文件，即可在該編程軟件中對該網關進行相關硬件和軟件配置，完成相應的通訊功能。請見如下詳細的硬件和軟件配置方法：
1、 Modbus轉Profibus-DP網關PM-160的硬件配置
PM-160的Profibus-DP從站地址可以通過網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關PM-160處于正常運行狀態或者配置狀態。當PM-160處于配置狀態時，用戶可通過配套配置軟件設置相關讀寫命令和參數。
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與網關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網關PM-160的軟件配置
1) 使用配套軟件設置PM-160的現場總新和子網相關參數和命令
通過撥碼開關將PM-160設置為配置狀態，打開安裝的配置軟件（產品光盤或者訪問http://www.sibotech.net/DownLoad01.asp ）：
當實現PLC與DCS通信時，子網協議類型設置為Modbus從站，并設置串口通信波特率、數據位、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、數據位、奇偶校驗位、停止位的設置應該和所連接的Modbus主站設備（DCS）一致；
圖8 PM-160在Modbus側作Modbus從站（連接PLC和DCS）
當實現PLC與Modbus設備通信時，子網協議類型設置為Modbus主站，并設置串口通信參數、通訊傳輸模式、通信接口等。其中，串口通信參數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，表示網關讀取了從站對應地址的數據，并且能夠輸出數據到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）
在STEP7中對網關M-160進行組態設置；
Modbus寄存器起始地址：用戶輸入目標采集數據的Modbus寄存器起始地址；
數據個數：目標數據的寄存器個數或者線圈條數；
內存映射起始地址：Modbus從站設備數據的對應內存緩沖區地址；
當實現PLC與非標協議設備通信時，子網協議類型設置為通用模式，并設置串口通信參數、控制方式、通信接口等。其中，串口通信參數的設置應該和所連接的非標串口設備（現場智能儀表）一致：PM-160支持的通用模式即透明傳輸模式，用戶可通過數據中的數據長度和事務序列號以判斷數據完整性和是否是一幀新的數據。
圖11 通用模式
在STEP7中對網關M-160進行組態設置
在STEP7的硬件組態界面，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。用戶可在硬件組態界面找到注冊的設備：Catalog->PROFIBUS DP->Additional Field Devices->General->CONVERTER->PM-160。
圖12 組態界面
將PM-160添加到STEP7的組態頁面后，可以插入相應的數據塊進行映像區地址映射。PM-160提供的數據塊如下：
圖13 PM-160提供的數據塊
推動需要的輸入輸出數據塊到網關對應的槽位。如下圖所示，將數據塊“24Words Input，24Words Output”拖動到Profibus-DP從站地址為3的PM-160的槽位中，此時，對應的映射區地址分別為256，PLC程序需通過PIW256（PIB256）或者PQW256（PQB256）對相應的數據進行尋址訪問。
圖14 PLC映像區起始地址（命令配置）
四. 數據讀寫
1、DCS讀寫PLC數據
DCS作為Modus主站通過PM-160讀寫PLC數據，使用04H功能碼讀數據，對應的寄存器起始地址為0H（30001H），使用10H（03H）功能碼寫數據，對應的寄存器起始地址為0H（40001H）。
2、PLC讀寫現場智能儀表數據
1) PLC讀寫Modbus從站設備數據
PLC通過PM-160發送Modbus主站指令讀寫現場串口設備數據。映像區起始地址和網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從站設備數據地址對應關系
2) PLC讀寫非標串口設備數據
PLC的輸入映射區前兩個字節分別表示接收的串口數據長度和事務序列號，其它為接收到的數據。事務序列號變化，表示接收到了一幀新的串口數據。其中，可通過配置軟件設置是否開啟串口數據長度功能。PLC的輸出映射區前兩個字節分別表示發送的串口數據長度和事務序列號，其它為要發送的串口數據。事務序列號變化，PLC發送相應長度的串口數據。
五. 結束語
在該系統中，Modbus轉Profibus-DP網關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）。自本通信系統運行以來，整個系統通訊正常，有效保證了整個水利工程控制系統的正常運行。使用上海泗博自動化的Modbus轉Profibus-DP網關可以極大地方便自動化工業現場的控制和操作。
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