彭竹，吳勝昔，向國海，顧幸生

（1.華東理工大學(xué) 自動(dòng)化研究所，上海200237；2.上?；蹠r(shí)軟件有限公司，上海200233）

智能化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化是工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展方向，當(dāng)前多種工業(yè)現(xiàn)場總線產(chǎn)品共存的現(xiàn)狀阻礙了工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化集成。通過網(wǎng)關(guān)將具有標(biāo)準(zhǔn)總線接口的產(chǎn)品集成到現(xiàn)有控制系統(tǒng)，是提高系統(tǒng)的性能并擴(kuò)展其應(yīng)用范圍的有效途徑［1］。Anybus網(wǎng)關(guān)主要解決系統(tǒng)集成過程中眾多標(biāo)準(zhǔn)從站產(chǎn)品的接入問題。該網(wǎng)關(guān)作為具有獨(dú)立功能的子系統(tǒng)，通過原網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與控制系統(tǒng)進(jìn)行通信［2－3］。

本文詳細(xì)介紹了利用網(wǎng)關(guān)作為PLC的Profibus DP從站以及作為現(xiàn)場設(shè)備的Modbus主站在某一生產(chǎn)過程系統(tǒng)中的作用以及如何配置來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、通信組成設(shè)計(jì)，并研究了網(wǎng)關(guān)的工作原理、內(nèi)部寄存器輸入輸出區(qū)以及它的配置工作ABC Config Tool［2］。最后概述了采用網(wǎng)關(guān)在數(shù)據(jù)采集中的優(yōu)勢，以及網(wǎng)關(guān)本身的特點(diǎn)和在工業(yè)現(xiàn)場多種通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換所起的作用［4－6］。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

筆者論述的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)應(yīng)用于某一大型生產(chǎn)流程的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)要求控制器讀取Modbus協(xié)議的變頻器和儀表數(shù)據(jù)，讀取時(shí)需要在PLC中加入讀取Modbus協(xié)議指令，而采用網(wǎng)關(guān)可以直接以讀取Profibus－DP從站的形式將儀表數(shù)據(jù)打包為一個(gè)數(shù)據(jù)塊送入控制器，無需復(fù)雜的編程。文中采用的是HMS公司的Anybus網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，用戶可以從EMS系統(tǒng)中瀏覽實(shí)時(shí)的能耗數(shù)據(jù)、運(yùn)行記錄、交接班記錄、實(shí)時(shí)和歷史趨勢、報(bào)警等信息［1］。

系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，系統(tǒng)上位機(jī)采用Intouch監(jiān)控軟件［7］，Historian歷史數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)流程的數(shù)據(jù)采集。下位機(jī)采用S7400系列PLC，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場各種智能儀表，包括變頻器、DIRIS儀表、軟啟動(dòng)器的信息采集等操作。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2 通信網(wǎng)絡(luò)組成

該項(xiàng)目采用S7400PLC作為Profibus主站，Anybus Communicator X－gateway（ABC）－AB7000作為Profibus從站，ABC下面連接現(xiàn)場設(shè)備，如變頻器，網(wǎng)絡(luò)儀表等，這些設(shè)備作為ABC的Modbus從站，對(duì)它們來說，ABC是 Modbus主站。在這里，ABC相當(dāng)于一個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換器，可以將Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)傳送給Profibus協(xié)議，也相當(dāng)于一個(gè)通信接口，供不同的通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。Anybus接單點(diǎn)串行子網(wǎng)和多點(diǎn)串行子網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。筆者在設(shè)計(jì)方案中，由于變頻器和儀表數(shù)量比較多，采用多點(diǎn)串行子網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

一個(gè)Anybus可以最多連接31個(gè)節(jié)點(diǎn)，即最多31個(gè) Modbus從站，并支持 RS－232，RS－422，RS－485［3］標(biāo)準(zhǔn)。Profibus接口支持所有普通的波特率，最高可達(dá)12Mbit／s，每個(gè)方向最多可傳輸244Byte的輸入輸出數(shù)據(jù)［4］。

3 網(wǎng)關(guān)工作原理

Anybus屬于第三方工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接產(chǎn)品，提供了簡單和靈活的方式將自動(dòng)化設(shè)備或系統(tǒng)接入多種現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)的解決方案［8］。ABC相當(dāng)于一個(gè)硬件平臺(tái)，而ABC Config Tool是其軟件，該配置軟件可從www.anybus.com下載。ABC被設(shè)計(jì)用來在串行子網(wǎng)和上層網(wǎng)絡(luò)之間交換數(shù)據(jù)，和其他大多數(shù)網(wǎng)關(guān)設(shè)備不同的是：它對(duì)子網(wǎng)沒有固定的協(xié)議，可以被配置成幾乎任意一種串行通信模式［9］。ABC可以以三種模式收發(fā)串行電報(bào)：循環(huán)的、根據(jù)狀態(tài)變化的、根據(jù)上層控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的觸發(fā)事件，還可以監(jiān)視下層子網(wǎng)的某些通信狀態(tài)，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生變化的時(shí)候通知上層網(wǎng)絡(luò)。ABC所包含的一個(gè)重要的部分就是ABC Config Tool，它給ABC提供下層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的描述，無需編程，相反，一個(gè)可視化的協(xié)議描述可以說明串行通信的不同部分［10］。

圖2 網(wǎng)關(guān)子網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意

PLC通過內(nèi)部緩存區(qū)和作為其DP從站的ABC交換數(shù)據(jù)。其中Profibus網(wǎng)絡(luò)：ABC的輸入數(shù)據(jù)區(qū)域的數(shù)據(jù)復(fù)制到PLC的輸入內(nèi)存區(qū)，PLC將數(shù)據(jù)復(fù)制到ABC的輸出數(shù)據(jù)區(qū)域。Modbus網(wǎng)絡(luò)：ABC將變頻器的輸入寄存器的數(shù)據(jù)復(fù)制到自己的輸入數(shù)據(jù)區(qū)域，并將來自PLC的數(shù)據(jù)復(fù)制到變頻器的輸出寄存器。

網(wǎng)關(guān)采用的子網(wǎng)協(xié)議有以下幾種：

a）Master Mode。該 模 式 下，ABC 作 為Modbus主站，和串行子網(wǎng)之間的通信通過Query－Response的形式進(jìn)行，在子網(wǎng)上的節(jié)點(diǎn)即從站必須被ABC定義了地址后才可以發(fā)布信息。當(dāng)ABC發(fā)布一個(gè)Query（查詢）到子網(wǎng)上時(shí)，被定義地址的節(jié)點(diǎn)就發(fā)布一個(gè)Response來回應(yīng)這個(gè)Query，節(jié)點(diǎn)在沒有收到Query時(shí)是不允許即時(shí)發(fā)布Response的。在這種模式下，ABC可以通過Broadcast（廣播）向所有的節(jié)點(diǎn)發(fā)送Query。ABC Config Tool自帶有經(jīng)常用到的Modbus RTU commands向?qū)?，可以方便地通過這個(gè)向?qū)砼渲谩?/p>

b）Generic Data Mode。該模式下，ABC和下層子網(wǎng)上的節(jié)點(diǎn)之間沒有主從站之分，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)包括ABC本身，都可以即時(shí)的產(chǎn)生和消費(fèi)信息，通信是以Produce－Consume的形式發(fā)生。節(jié)點(diǎn)不需要發(fā)布Response來回應(yīng)ABC，也不需要等待ABC發(fā)布Query后才可以發(fā)布信息。ABC通過Produce向節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而節(jié)點(diǎn)通過Consume來接收。同樣的，節(jié)點(diǎn)通過Produce向ABC發(fā)送信息，ABC通過Consume來接收。

4 網(wǎng)關(guān)應(yīng)用實(shí)例

4.1 網(wǎng)關(guān)子網(wǎng)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)通信

筆者設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)應(yīng)用，上層網(wǎng)絡(luò)代表的是S7400PLC，下層網(wǎng)絡(luò)為測量現(xiàn)場電機(jī)參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)儀表和變頻器。網(wǎng)關(guān)內(nèi)部緩沖區(qū)包含三個(gè)部分：輸入數(shù)據(jù)區(qū)域、輸出數(shù)據(jù)區(qū)域和通用數(shù)據(jù)區(qū)域。輸入數(shù)據(jù)區(qū)域的數(shù)據(jù)是來自下層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)關(guān)將其傳送至上層網(wǎng)絡(luò)；輸出數(shù)據(jù)區(qū)域的數(shù)據(jù)是由上層網(wǎng)絡(luò)向下層網(wǎng)絡(luò)寫的數(shù)據(jù)，輸入和輸出區(qū)域都最多可以傳送244Byte的數(shù)據(jù)；通用數(shù)據(jù)區(qū)域的數(shù)據(jù)不能傳送至上層網(wǎng)絡(luò)，它是下層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間傳遞的數(shù)據(jù)，也可以作為內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖區(qū)暫時(shí)保存下層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，這片數(shù)據(jù)區(qū)域的真實(shí)大小取決于下層網(wǎng)絡(luò)之間傳遞的數(shù)據(jù)數(shù)量。ABC可以處理多達(dá)1 024Byte的通用數(shù)據(jù)［7］。

ABC Config Tool是通過建立通信協(xié)議塊來描述下層子網(wǎng)之間的通信的。首先建立節(jié)點(diǎn)Node，它代表子網(wǎng)上的設(shè)備；然后是Transaction，它代表一個(gè)完整的串行電報(bào)，由幾個(gè)框架對(duì)象（Frame Objects）組成。一個(gè)Frame Objects可以是一個(gè)常數(shù)、限定的值或者數(shù)據(jù)塊等。

當(dāng)用配置軟件ABC Config Tool對(duì)下層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置時(shí)，不同的數(shù)據(jù)區(qū)域在ABC的內(nèi)部緩存區(qū)域映射的地址分別為輸入?yún)^(qū)域是十六進(jìn)制的0X000—0X0F3；輸出區(qū)域是十六進(jìn)制的0X200—0X2F3；通用區(qū)域是0X400—0X？？？（通用區(qū)域的大小是由實(shí)際的下層網(wǎng)絡(luò)之間傳遞的數(shù)量決定）。

4.2 網(wǎng)關(guān)設(shè)置

該系統(tǒng)需要采集5棟大樓里的數(shù)據(jù)，每棟大樓里的采集系統(tǒng)都是相同的，都有一個(gè)S7400PLC作為Profibus主站，若干個(gè)網(wǎng)關(guān)AB7000作為Profibus DP從站，每個(gè)網(wǎng)關(guān)下面又接若干個(gè)變頻器或網(wǎng)絡(luò)儀表作為其Modbus從站。文中以其中一棟大樓里的1個(gè)網(wǎng)關(guān)與其下面的設(shè)備為例來介紹網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)采集和配置過程。某個(gè)網(wǎng)關(guān)下面接有3臺(tái)變頻器，每臺(tái)變頻器采集的數(shù)據(jù)有輸出頻率、輸出電流、輸出電壓、輸出功率、輸出功率因數(shù)以及變頻器故障代碼。每臺(tái)變頻器上插有1塊Modbus采集卡，每塊采集卡有A，B，C，D 4個(gè)雙輸入雙輸出通道，每個(gè)方向最多可傳輸8個(gè)數(shù)據(jù)，它 們 分 別 為 DATALINKA 1，DATALINKA 2，DATALINKB 1，DATALINKB 2，DATALINKC 1，DATALINKC 2，DATALINKD 1，DATALINKD 2，一共8個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域，由于本采集卡每個(gè)通道為32位，即每個(gè)DATALINK區(qū)域是32位的。因?yàn)槊颗_(tái)變頻器采集的數(shù)據(jù)共有6個(gè)，只需A，B，C 3個(gè)通道就可以了，故在DRIVERTOOLS里面把采集卡的通道數(shù)設(shè)置為15。每個(gè)變頻器采集的參數(shù)都是16位的，每個(gè)DATALINK的高16位是用不到的，即DATALINKA2，DATALINKB2，DATALINKC2的數(shù)據(jù)均為零，并不需要將其在上位機(jī)中顯示，就不需要讀入控制器，這樣在配置ABC時(shí)用Modbus向?qū)нM(jìn)行配置時(shí)就不需要將這些高16位的數(shù)據(jù)讀出來。具體配置：打開ABC配置工具，新建一個(gè)文件，有 Wizard－Modbus RTU Master，Wizard－CompactComExtLink和空白配置三種模式可供選擇，選擇第一種模式在向?qū)У囊龑?dǎo)下按下列步驟完成：

a）連接到網(wǎng)關(guān)的現(xiàn)場總線類型——選擇Profibus DP。

b）物理標(biāo)準(zhǔn)為RS－485，波特率為9 600bits／s，奇偶校驗(yàn)為None，數(shù)據(jù)位為8個(gè)，停止位為1個(gè)。

c）設(shè)備名稱：AB7000－1。添加參數(shù)：添加6個(gè)參數(shù)，第1個(gè)參數(shù)命名為output frequency，數(shù)據(jù)方向選擇為“讀”，寄存器地址設(shè)為30012，長度為1個(gè)字，Modbus命令為04－讀輸入寄存器；第2個(gè)參數(shù)命名為output current，寄存器地址設(shè)為30014，其他與第1個(gè)參數(shù)相同；第3個(gè)參數(shù)到第6個(gè)參數(shù)的名稱依次為output voltage，output power，output power factor，PF fault，地址依次為30016，30018，30020，30022。

d）單擊添加節(jié)點(diǎn)，添加3個(gè)節(jié)點(diǎn)依次命名為PF700－1，PF700－2，PF700－3，子網(wǎng)地址分別設(shè)置的與實(shí)際相應(yīng)的變頻器的物理地址相一致，設(shè)備類型全選為AB70001。

e）分別在3個(gè)節(jié)點(diǎn)下添加第三步里面的6個(gè)參數(shù)，退出向?qū)А?/p>

f）打開剛配置好的文件，打開子網(wǎng)監(jiān)視器，可以看到輸入?yún)^(qū)域有36Byte的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

該設(shè)計(jì)中，Modbus轉(zhuǎn)Profibus DP中，網(wǎng)關(guān)AB7000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）。自該系統(tǒng)運(yùn)行以來，有效保證了整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的正常運(yùn)行。使用AB7000的Anybus網(wǎng)關(guān)將Modbus轉(zhuǎn)成Profibus DP協(xié)議，可以方便自動(dòng)化工業(yè)現(xiàn)場的控制和操作。

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