|
1 引言
目前國(guó)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(yùn)行方式”，已全部采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)取代過(guò)去以繼電器常規(guī)控制方式，可實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值班”(少人值守)，大大提高了水電站的自動(dòng)化水平。一般整個(gè)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(jī)系統(tǒng)）主要用于監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)、維護(hù)，水電站運(yùn)行的監(jiān)視、操作、信息管理、遠(yuǎn)動(dòng)和優(yōu)化控制等。現(xiàn)地控制層按控制對(duì)象分散方式一般設(shè)置為機(jī)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）主要采用PLC完成控制對(duì)象的數(shù)據(jù)采集與處理、控制與調(diào)節(jié)、安全運(yùn)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(xiàng)目簡(jiǎn)介
湖南銅信溪水電站裝設(shè)三臺(tái)10MW水輪發(fā)電機(jī)組，整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)采用“全分層分布開放式運(yùn)行方式”，上位機(jī)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(jī)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(guò)編程實(shí)現(xiàn)Modbus/TCP協(xié)議與上位機(jī)系統(tǒng)通訊；同時(shí)配置相應(yīng)的數(shù)字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入模塊，完成機(jī)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(jià)比S7-300 CPU。通過(guò)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(chǎng)總線PROFINET。該CPU的推出，進(jìn)一步增強(qiáng)了S7-300 PLC的通信功能，使S7-300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(qiáng)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(xiàng)目就是采用開放式IE通訊編程實(shí)現(xiàn)Modbus/TCP協(xié)議與水電站上位機(jī)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，其具有不占用CPU連接資源、最多可建立八個(gè)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(jìn)行通訊等優(yōu)點(diǎn)。
Modbus/TCP協(xié)議是簡(jiǎn)單的、中立廠商的用于管理和控制自動(dòng)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(jìn)行數(shù)據(jù)交換。Modbus/TCP協(xié)議結(jié)構(gòu)要求請(qǐng)求和響應(yīng)帶有六個(gè)字節(jié)的前綴，具體結(jié)構(gòu)如下：
byte 0: 事務(wù)處理標(biāo)識(shí)符 –通常為 0
byte 1: 事務(wù)處理標(biāo)識(shí)符 –通常為 0
byte 2: 協(xié)議標(biāo)識(shí)符= 0
byte 3: 協(xié)議標(biāo)識(shí)符= 0
byte 4: 長(zhǎng)度字段 （上半部分字節(jié)） = 0 (所有的消息長(zhǎng)度小于256)
byte 5: 長(zhǎng)度字段 (下半部分字節(jié)) = 后面字節(jié)的數(shù)量
byte 6: 單元標(biāo)識(shí)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（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(shí)有效
byte 13:寄數(shù)據(jù)1（高字節(jié)）-----寫寄存器時(shí)有效
byte 14:寄數(shù)據(jù)1（低字節(jié)）-----寫寄存器時(shí)有效
需要注意的是Modbus/TCP協(xié)議所有的請(qǐng)求都是通過(guò)端口號(hào)502發(fā)送的，而CPU315-2PN/DP模塊的端口號(hào)只能設(shè)置為2000至5000。
4 軟件實(shí)現(xiàn)
4.1 編程指令說(shuō)明
在CPU315-2PN/DP這一邊，不是通過(guò)NetPro設(shè)置通訊連接，而是通過(guò)編寫程序?qū)崿F(xiàn)。為了能通過(guò)用戶程序和其它與TCP/IP兼容的通訊伙伴通過(guò)開放式IE通訊實(shí)現(xiàn)交換數(shù)據(jù)，STEP7（V5.3+SP1或以上）提供了四個(gè)功能塊（FB）和一個(gè)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) 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(kù)中。
開放式IE通訊只能通過(guò)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)。
要編程建立連接，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)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(gè)連接創(chuàng)建一個(gè)這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一個(gè)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(dòng)嘗試重新建立連接。
4.2 程序執(zhí)行過(guò)程
整個(gè)以太網(wǎng)通訊程序分成以下五個(gè)部分：
1) 初始化
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(hào)、上位機(jī)系統(tǒng)中操作員工作站IP地址和開始等待建立連接標(biāo)志（FB65_REQ=1）。
2) 建立連接
由開始等待建立連接標(biāo)志（FB65_REQ=1）調(diào)用FB65等待上位機(jī)系統(tǒng)中操作員工作站請(qǐng)求建立連接。如果上位機(jī)系統(tǒng)中操作員工作站請(qǐng)求建立了連接，且FB65被無(wú)錯(cuò)誤執(zhí)行建立了連接（FB65_DONE=1），設(shè)置開始接收數(shù)據(jù)標(biāo)志（FB64_EN_R=1）和復(fù)位開始等待建立連接標(biāo)志（FB65_REQ=0）。如果上位機(jī)系統(tǒng)中操作員工作站沒有請(qǐng)求建立連接或請(qǐng)求建立了連接FB65執(zhí)行后有錯(cuò)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(biāo)志（FB64_EN_R=1）調(diào)用FB64開始接收數(shù)據(jù)。如果上位機(jī)系統(tǒng)中操作員工作站發(fā)送了數(shù)據(jù)，且被FB64被無(wú)錯(cuò)誤接收后（FB64_BDR=1），則調(diào)用Modbus/TCP協(xié)議處理程序（FB74）對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和處理。如果上位機(jī)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(cuò)誤發(fā)生，則程序不做任何處理，還是等待接收數(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(jìn)行讀/寫數(shù)據(jù)處理，并準(zhǔn)備正確響應(yīng)所需數(shù)據(jù)。如果錯(cuò)誤，則設(shè)置非法數(shù)據(jù)地址或非法功能碼標(biāo)志，并準(zhǔn)備錯(cuò)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(biāo)志（FB63_REQ=1）和復(fù)位開始接收數(shù)據(jù)標(biāo)志（FB64_EN_R=0）。
5) 發(fā)送數(shù)據(jù)
由開始發(fā)送數(shù)據(jù)標(biāo)志（FB63_REQ=1）調(diào)用FB63開始發(fā)送數(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(biāo)志（FB64_EN_R=1）和復(fù)位發(fā)送數(shù)據(jù)標(biāo)志（FB63_REQ=0），然后開始等待接收數(shù)據(jù)。
4.3 程序塊
為了實(shí)現(xiàn)CPU315-2PN/DP與水電站上位機(jī)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：
|
程序塊 |
說(shuō)明 |
|
OB100 |
當(dāng)CPU重新啟動(dòng)時(shí)，OB100被運(yùn)行。在該OB中設(shè)置連接ID、CPU端口號(hào)、操作員工作站IP地址和開始等待建立連接標(biāo)志。 |
|
OB1 |
在每個(gè)周期都運(yùn)行，主要調(diào)用以太網(wǎng)通訊控制程序（FB73）。 |
|
FB63 |
發(fā)送數(shù)據(jù)功能塊，由以太網(wǎng)通訊控制程序（FB73）調(diào)用。 |
|
FB64 |
接收數(shù)據(jù)功能塊，由以太網(wǎng)通訊控制程序（FB73）調(diào)用。 |
|
FB65 |
建立連接功能塊，由以太網(wǎng)通訊控制程序（FB73）調(diào)用。 |
|
FB73 |
以太網(wǎng)通訊控制程序，用于實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的通訊控制。 |
|
FB74 |
Modbus/TCP協(xié)議處理程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷、處理并準(zhǔn)備上傳所需數(shù)據(jù)。 |
|
DB1 |
用于存放遠(yuǎn)方遙控?cái)?shù)據(jù)，從操作員工作站寫入的遙控?cái)?shù)據(jù)保存在該DB中。 |
|
DB2 |
用于存放遠(yuǎn)方遙調(diào)數(shù)據(jù)，從操作員工作站寫入的遙調(diào)數(shù)據(jù)保存在該DB中。 |
|
DB5 |
用于存放遙信數(shù)據(jù)，操作員工作站讀取的遙信數(shù)據(jù)保存在該DB中。 |
|
DB6 |
用于存放遙測(cè)數(shù)據(jù)，操作員工作站讀取的遙測(cè)數(shù)據(jù)保存在該DB中。 |
|
DB7 |
用于存放定值數(shù)據(jù)，操作員工作站讀取/寫入的定值數(shù)據(jù)保存在該DB中。 |
|
DB8 |
用于存放SOE數(shù)據(jù)，操作員工作站讀取的SOE數(shù)據(jù)保存在該DB中。 |
|
DB83 |
FB73與操作員工作站1通訊背景數(shù)據(jù)塊。 |
|
DB84 |
FB73與操作員工作站2通訊背景數(shù)據(jù)塊。 |
|
DB105 |
具有2個(gè)UDT65連接屬性的數(shù)據(jù)塊，該DB封裝了與操作員工作站1、2通訊的參數(shù)。 |
|
DB106 |
具有300個(gè)字節(jié)的字節(jié)數(shù)組的數(shù)據(jù)塊，用于存放與操作員工作站1通訊的臨時(shí)數(shù)據(jù)。 |
|
DB107 |
具有300個(gè)字節(jié)的字節(jié)數(shù)組的數(shù)據(jù)塊，用于存放與操作員工作站2通訊的臨時(shí)數(shù)據(jù)。 |
|
UDT65 |
以太網(wǎng)連接屬性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包含了組態(tài)連接所必須的參數(shù)。 |
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(gè)參數(shù)的含義。連接結(jié)構(gòu)（UDT65）的說(shuō)明如下表2所示：
|
字節(jié) |
參數(shù) |
數(shù)據(jù)
類型 |
初始值 |
說(shuō)明 |
|
0 |
block_length |
WORD |
64 |
本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度（字節(jié)數(shù)），固定為64。 |
|
2 |
id |
WORD |
1 |
連接ID號(hào)（范圍16#0001-16#FFFF），通過(guò)初始化程序設(shè)置。 |
|
4 |
connection_type |
BYTE |
1 |
連接類型，固定為1：兼容的TCP/IP協(xié)議。 |
|
5 |
active_est |
BOOL |
0 |
連接建立方式，0：被動(dòng)，1：主動(dòng)，固定為0，CPU作為服務(wù)器，等待建立連接請(qǐng)求。 |
|
6 |
local_device_id |
BYTE |
2 |
本地設(shè)備ID，固定為2：CPU集成以太網(wǎng)接口。 |
|
7 |
local_tsap_id_len |
BYTE |
2 |
本地站TSAP長(zhǎng)度，固定為2：TSAP為端口號(hào)。 |
|
8 |
rem_subnet_id_len |
BYTE |
0 |
遠(yuǎn)程子網(wǎng)長(zhǎng)度，不相關(guān)。 |
|
9 |
rem_staddr_len |
BYTE |
4 |
遠(yuǎn)程站地址長(zhǎng)度，固定為4：有效的IP地址，IP地址位于rem_staddr4個(gè)字節(jié)。 |
|
10 |
rem_tsap_id_len |
BYTE |
0 |
遠(yuǎn)程站TSAP長(zhǎng)度，不相關(guān)。 |
|
11 |
next_staddr_len |
BYTE |
0 |
下一站地址長(zhǎng)度，不相關(guān)。 |
|
12 |
local_tsap_id
ARRAY[1..16] |
BYTE |
0 |
本地站端口號(hào)（范圍2000-5000） |
|
28 |
rem_subnet_id
ARRAY[1..6] |
BYTE |
0 |
不相關(guān) |
|
34 |
rem_staddr
ARRAY[1..6] |
BYTE |
0 |
遠(yuǎn)程站IP地址，通過(guò)初始化程序設(shè)置。 |
|
40 |
rem_tsap_id
ARRAY[1..16] |
BYTE |
0 |
遠(yuǎn)程站TSAP或端口號(hào)，不相關(guān)。 |
|
56 |
next_staddr |
BYTE |
0 |
不相關(guān) |
|
62 |
spare |
WORD |
0 |
不相關(guān) |
表2：連接結(jié)構(gòu)（UDT65）說(shuō)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(gè)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(guò)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：
|
地址 |
聲明 |
名稱 |
類型 |
初始值 |
說(shuō)明 |
|
0.0 |
IN |
Con_ID |
Word |
0 |
連接ID號(hào) |
|
2.0 |
IN_OUT |
TCON_Start |
Bool |
0 |
開始建立連接 |
|
4.0 |
IN_OUT |
Connect |
Any |
|
連接參數(shù)地址指針 |
|
14.0 |
IN_OUT |
Data |
Any |
|
存放通訊臨時(shí)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊指針 |
|
24.0 |
STAT |
TCON_Done |
Bool |
0 |
建立連接正確完成標(biāo)志 |
|
24.1 |
STAT |
TCON_Busy |
Bool |
0 |
正在建立連接標(biāo)志 |
|
24.2 |
STAT |
TCON_Error |
Bool |
0 |
建立連接錯(cuò)誤完成標(biāo)志 |
|
24.3 |
STAT |
TSEND_Start |
Bool |
0 |
開始發(fā)送數(shù)據(jù)標(biāo)志 |
|
24.4 |
STAT |
TSEND_Done |
Bool |
0 |
發(fā)送數(shù)據(jù)正確完成標(biāo)志 |
|
24.5 |
STAT |
TSEND_Busy |
Bool |
0 |
正在發(fā)送數(shù)據(jù)標(biāo)志 |
|
24.6 |
STAT |
TSEND_Error |
Bool |
0 |
發(fā)送數(shù)據(jù)錯(cuò)誤完成標(biāo)志 |
|
24.7 |
STAT |
TRCV_Start |
Bool |
0 |
開始接收數(shù)據(jù)標(biāo)志 |
|
25.0 |
STAT |
TRCV_Done |
Bool |
0 |
接收數(shù)據(jù)正確完成標(biāo)志 |
|
25.1 |
STAT |
TRCV_Busy |
Bool |
0 |
正在接收數(shù)據(jù) |
|
25.2 |
STAT |
TRCV_Error |
Bool |
0 |
接收數(shù)據(jù)錯(cuò)誤完成標(biāo)志 |
|
26.0 |
STAT |
Rcvd_Len |
Int |
0 |
接收到數(shù)據(jù)的臨時(shí)長(zhǎng)度 |
|
28.0 |
STAT |
Byte_Count |
Int |
0 |
接收到數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度 |
|
30.0 |
STAT |
FB_TSend |
FB 63 |
|
發(fā)送數(shù)據(jù)功能塊多重背景 |
|
52.0 |
STAT |
FB_TRcv |
FB 64 |
|
接收數(shù)據(jù)功能塊多重背景 |
|
76.0 |
STAT |
FB_Tcon |
FB 65 |
|
建立連接功能塊多重背景 |
|
96.0 |
STAT |
FB_ModbusTCP |
FB 74 |
|
Modbus/TCP協(xié)議處理功能塊多重背景 |
表3：FB73聲明的參數(shù)
通過(guò)FB73封裝了以太網(wǎng)通訊控制程序，當(dāng)需要與計(jì)算機(jī)建立一個(gè)連接時(shí)只需在OB1調(diào)用一次FB73，當(dāng)需要建立多個(gè)連接時(shí)多次調(diào)用FB73即可。注意：CPU315-2PN/DP最多可建立八個(gè)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(gè)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(zhǔn)備上傳所需數(shù)據(jù)等全部過(guò)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 |
初始值 |
說(shuō)明 |
|
0.0 |
IN_OUT |
Byte_Count |
Int |
0 |
以太網(wǎng)通訊接收到數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度 |
|
2.0 |
IN_OUT |
Data_DB |
Int |
0 |
存放通訊臨時(shí)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊 |
表4：FB74聲明的參數(shù)
5 結(jié)束語(yǔ)
本程序的難點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)對(duì)不同數(shù)據(jù)塊的讀取和寫入，通過(guò)Modbus/TCP協(xié)議結(jié)構(gòu)中寄存器地址字節(jié)8 （寄存器高字節(jié)）對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)塊號(hào)、寄存器地址字節(jié)9 （寄存器低字節(jié)）對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)塊字節(jié)號(hào)就可解決。
自本系統(tǒng)運(yùn)行以來(lái)，CPU315-2PN/DP與上位機(jī)系統(tǒng)操作員工作站1、2通訊一直正常，從未出現(xiàn)過(guò)通訊中斷現(xiàn)象，有效地保證了湖南銅信溪水電站監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行, 應(yīng)用這種方法不需要采用西門子公司OPC能有效降低整個(gè)水電站監(jiān)控系統(tǒng)成本�？梢�，采用通過(guò)開放式IE通訊與上位機(jī)系統(tǒng)通訊是一種行之有效的方法，實(shí)現(xiàn)了讀取遙信、遙測(cè)、定值、SOE和寫入遙控、遙調(diào)和定值等功能，完全滿足《DL/T578-1995水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基本技術(shù)條件》實(shí)時(shí)性、可靠性和通訊安全性要求。由此看來(lái)，西門子PLC集成PROFINET接口的CPU模塊采用開放式IE通訊與第三方智能設(shè)備通過(guò)以太網(wǎng)交換數(shù)據(jù)是一種值得推廣的方式。
參考文獻(xiàn)
1. 使用STEP7 V5.3編程手冊(cè) 2004.1
2. 用于S7-300和S7-400的語(yǔ)句表編程參考手冊(cè) 2004.1
3. 用于S7-300和S7-400的系統(tǒng)軟件和標(biāo)準(zhǔn)功能參考手冊(cè) 2005.7
|
