安利娟，賈 濤，曹永恒，張 維，陳英凱，王富強(qiáng)

(中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

在多數(shù)企業(yè)自動化和信息化項(xiàng)目中，由于各設(shè)備生產(chǎn)廠家開發(fā)平臺不同，不同設(shè)備、系統(tǒng)之間的通訊方式和通訊協(xié)議也不相同，造成各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)共享性差，信息難以及時溝通，易造成控制層、管理層決策上的障礙，因此，網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)顯得越來越重要。工業(yè)網(wǎng)關(guān)為聯(lián)接不同現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)提供了一種解決方案，使用不同的網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，可以聯(lián)接任意兩種現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，簡單地實(shí)現(xiàn)I/O數(shù)據(jù)交換，使不同的網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行聯(lián)接并相互通訊。

陜西某抽黃灌區(qū)泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)泵站內(nèi)所有設(shè)備的本地和遠(yuǎn)程控制操作、主要設(shè)備參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測、故障報警、運(yùn)行過程模擬顯示以及當(dāng)?shù)貓D像監(jiān)視等功能，不同設(shè)備需要與西門子S7-400PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，并將相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時上傳到上位監(jiān)控系統(tǒng)。其中綜合保護(hù)系統(tǒng)、直流控制系統(tǒng)、溫度檢測系統(tǒng)、配電系統(tǒng)設(shè)備等都采用以RS485為接口的ModbusRTU串行通訊方式，中國重型機(jī)械研究院股份公司采用了Anybus Communicator的AB7000網(wǎng)關(guān)將不同設(shè)備通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換為西門子PLC支持的Profibus-DP現(xiàn)場總線協(xié)議，很好地解決了各設(shè)備與PLC間的數(shù)據(jù)交換及通訊。

1 控制系統(tǒng)組成

該泵站的自動化監(jiān)控系統(tǒng)配置了2臺HMI監(jiān)控站、1個PLC主站、1個視頻監(jiān)控站、現(xiàn)場I/O站、多視頻監(jiān)控點(diǎn)、報表打印機(jī)等，控制系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線及串行通信為通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;其中主控制站采用西門子S7-400系列PLC通過以太網(wǎng)交換機(jī)與上層操作監(jiān)控站相連;現(xiàn)場操作站采用西門子Profibus-DP總線作為底層通訊方式，通過此方式將遠(yuǎn)程操作站、儀表等與PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行無縫鏈接，同時由于該總線具有通訊穩(wěn)定、抗干擾強(qiáng)等特點(diǎn)，有效地保證了系統(tǒng)控制的穩(wěn)定與準(zhǔn)確;高壓控制系統(tǒng)的綜合保護(hù)裝置、直流屏、溫度巡檢儀、配電系統(tǒng)等作為從站采用Modbus RTU協(xié)議通過Anybus Communicator的AB700網(wǎng)關(guān)設(shè)備轉(zhuǎn)換為Profibus-DP協(xié)議與PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時采集與交換，并通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到HMI監(jiān)控站進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控與記錄。系統(tǒng)組態(tài)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組態(tài)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of system configuration

2 系統(tǒng)硬件配置

該泵站的自動化監(jiān)控系統(tǒng)主站PLC硬件主要采用了西門子S7-400系列PLC控制器，CPU選用了412-1DP型作為主站，各遠(yuǎn)程控制站選用配有300系列I/O模塊的ET200M作為從站。同時在該項(xiàng)目中采用了Anybus Communicator的AB7000網(wǎng)關(guān)把ModbusRTU協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)為ProfibusDP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，通過AB7000網(wǎng)關(guān)將綜合保護(hù)系統(tǒng)、直流控制系統(tǒng)、溫度檢測系統(tǒng)、配電系統(tǒng)等作為從站設(shè)備將串行數(shù)據(jù)發(fā)至上層網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時采集和交換。

2.1 數(shù)據(jù)交換方式

該系統(tǒng)利用 Anybus Communicator系列的AB7000網(wǎng)關(guān)聯(lián)接非聯(lián)網(wǎng)的、帶有串行接口的自動化設(shè)備(綜合保護(hù)裝置、直流屏、溫度巡檢儀、配電裝置等)到Profibus現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)使用串行協(xié)議的自動化設(shè)備與Profibus現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)之間的智能轉(zhuǎn)換。對于帶有Modbus-RTU接口的自動化設(shè)備，AB7000作為Modbus-RTU主站使用，為Modbus-RTU設(shè)備提供協(xié)議轉(zhuǎn)換。

Profibus現(xiàn)場總線和串行網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換方式是所有數(shù)據(jù)都被儲存在Communicator內(nèi)部的存儲器緩沖區(qū)中，現(xiàn)場總線和自動化設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換使用Communicator內(nèi)部的存儲器的輸入/輸出緩沖區(qū)。在Communicator所連接的兩個網(wǎng)絡(luò)都有一個內(nèi)部的I/O數(shù)據(jù)存儲器。如圖2所示，串行子網(wǎng)上收發(fā)的數(shù)據(jù)將作為I/O數(shù)據(jù)映射到上層工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上，I/O數(shù)據(jù)臨時存儲在網(wǎng)關(guān)內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，轉(zhuǎn)發(fā)過程可以根據(jù)串行數(shù)據(jù)的幀格式進(jìn)行配置，從而實(shí)現(xiàn)只將純數(shù)據(jù)映射為I/O數(shù)據(jù)。對于上層網(wǎng)絡(luò)的控制關(guān)系，數(shù)據(jù)交換只需要對指定區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫就可實(shí)現(xiàn)與串行子網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)和串行通訊協(xié)議的處理是在串行網(wǎng)關(guān)內(nèi)部完成的，不需要PLC參與，因此簡化了將串行設(shè)備集成至工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的工作并且提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。

圖2 智能數(shù)據(jù)映射交換方式Fig.2 Exchange mode of intelligent data mapping

2.2 AB7000網(wǎng)關(guān)配置

在使用Anybus網(wǎng)關(guān)時需先對網(wǎng)關(guān)本身進(jìn)行配置，然后再進(jìn)行PLC的配置。因?yàn)樵赑LC中的Anybus網(wǎng)關(guān)進(jìn)行I/O配置時，需要與網(wǎng)關(guān)本身的I/O字節(jié)數(shù)一致。

AB7000要實(shí)現(xiàn)與帶有Modbus-RTU接口的工業(yè)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，無需創(chuàng)建腳本和串行數(shù)據(jù)幀，只需使用Anybus Configuration Manager配置軟件中的可視化模版向?qū)нM(jìn)行連接配置即可。

該系統(tǒng)采用AB7000網(wǎng)關(guān)配置時，首先需選擇現(xiàn)場網(wǎng)的類型，是Profibus-DP;其次再配置“Protocol Mode”為 Master Mode(對應(yīng) Modbus RTU);子網(wǎng)的配置，先配置子網(wǎng)的接口參數(shù):通訊率為9 600 bps;數(shù)據(jù)位8位;沒有奇偶校驗(yàn);物理通訊口為RS485;一個停止位;在配置軟件界面“子網(wǎng)”上點(diǎn)擊右鍵添加一個Modbus-RUT從站。配置從站地址，添加數(shù)據(jù)交換命令，根據(jù)系統(tǒng)通訊數(shù)據(jù)要求分別添加讀、寫寄存器命令0x03和0x10。

配置AB7000時使用輸入寄存器區(qū)和輸出寄存器區(qū)這兩個區(qū)來進(jìn)行現(xiàn)場網(wǎng)和子網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)交換。配置命令時，對于讀寄存器的命令，如0x03，在編輯其響應(yīng)信息幀時寄存器地址用輸入寄存器區(qū);對于寫寄存器的命令，如0x10，在編輯其請求信息幀時寄存器地址用輸出寄存器區(qū)。其數(shù)據(jù)資源見表1。

表1 數(shù)據(jù)資源列表Tab.1 Data list

使用Anybus Config Tool對網(wǎng)關(guān)進(jìn)行配置之后，通過“子網(wǎng)監(jiān)視器”功能查看網(wǎng)關(guān)的I/O字節(jié)數(shù)。網(wǎng)關(guān)配置完成并與子網(wǎng)上的串行設(shè)備通訊正常，LED5應(yīng)為綠色常亮，LED6應(yīng)為綠色閃爍。網(wǎng)關(guān)與串行子網(wǎng)正常通訊后，可以使用網(wǎng)關(guān)的“節(jié)點(diǎn)監(jiān)視器”功能查看網(wǎng)關(guān)內(nèi)部數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)。

2.3 PLC系統(tǒng)與AB7000網(wǎng)關(guān)配置

通過西門子Step7軟件實(shí)現(xiàn)對PLC系統(tǒng)的配置。在配置Profibus總線之前，先要配置PLC和主站硬件。該系統(tǒng)選用西門子S7412-1 CPU和4A電源、工業(yè)以太網(wǎng)模塊以及標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架。運(yùn)行Simatic軟件環(huán)境新建一個工程，在insert工具欄選擇插入 SIMATIC 400 Station。雙擊 SIMATIC 400站點(diǎn)圖標(biāo)，選擇“Hardware”打開硬件配置，添加導(dǎo)軌、電源和 PLC，添加配置 Profibus網(wǎng)絡(luò)，在對話框中點(diǎn)擊“Properties”，選擇正確的參數(shù)并點(diǎn)擊“OK”完成PLC配置。導(dǎo)入ABC-PDP的GSD文件到PLC，網(wǎng)關(guān)可在硬件目錄中顯示出來，名稱為Anybus-C PDP，添加ABC-PDP網(wǎng)關(guān)到PLC網(wǎng)絡(luò)中。在硬件目錄中雙擊網(wǎng)關(guān)“Anybus-C PDP”插入到DP網(wǎng)絡(luò)中。

硬件添加完成后需要根據(jù)具體應(yīng)用的要求對PLC讀寫I/O數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行配置，且要求與網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)區(qū)輸入輸出字節(jié)數(shù)相一致。根據(jù)網(wǎng)關(guān)輸入輸出數(shù)據(jù)區(qū)的字節(jié)數(shù)，模塊(module)的選擇有兩種形式，一種讀取字節(jié)數(shù)不多時，可以根據(jù)字節(jié)數(shù)對模塊進(jìn)行自由地選擇和組合;另一種如果需要讀取超過4個字節(jié)的完整數(shù)據(jù)，需要使用“Universal Module”，設(shè)置起始地址、輸入輸出數(shù)據(jù)大小以及偏移地址等。該P(yáng)LC網(wǎng)絡(luò)配置如圖3所示。

圖3 PLC網(wǎng)絡(luò)配置Fig.3 PLC network configuration

2.4 PLC編程

適用于大多數(shù)應(yīng)用的PLC能夠從I/O映像中以字節(jié)(Byte)、字(Word)或雙字(Double Word)形式直接讀取1個、2個或4個字節(jié)完整數(shù)據(jù)。但是如果需要讀取其它形式的超過4個字節(jié)完整數(shù)據(jù)區(qū)，則必需使用系統(tǒng)功能塊SFC14和SFC15。該設(shè)計(jì)編程中需要在硬件配置中指定一個完整數(shù)據(jù)區(qū)，因此在配置中選擇“Universal Module”，并進(jìn)行屬性設(shè)置。選擇需要的數(shù)據(jù)類型(In，Out，or In/Out)，然后再設(shè)置數(shù)據(jù)偏移、長度和單位。如某一個站點(diǎn)，配置輸出數(shù)據(jù)長度為64字節(jié)，輸入數(shù)據(jù)長度為64字節(jié)，完整性為整個長度，地址偏移為10和16。

要讀取所設(shè)置的完整數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)以整個長度完整地傳輸，PLC程序使用了 SFC14和SFC15系統(tǒng)功能塊。SFC14的功能是從過程映像的輸入?yún)^(qū)域讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)復(fù)制到另一個存儲位置;SFC15的功能是從任意存儲位置讀取數(shù)據(jù)并將其復(fù)制到工程映像的輸出數(shù)據(jù)區(qū)中。該功能塊數(shù)據(jù)所讀取或?qū)懭脒^程映像的位置在硬件配置中定義，其具體編程實(shí)例如圖4所示，輸入輸出數(shù)據(jù)見表2。

圖4 程序?qū)嵗鼺ig.4 Program example

表2 SFC14、SFC15傳輸數(shù)據(jù)Tab.2 Data transmission of SFC14 and SFC15

3 結(jié)束語

AB7000網(wǎng)關(guān)模塊在泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)中的使用已經(jīng)四五年時間，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠、數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時準(zhǔn)確。AB7000網(wǎng)關(guān)模塊也應(yīng)用于其他工業(yè)場合，很好地解決了各異構(gòu)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸及通訊問題，為聯(lián)接不同現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)提供了一種有效解決方案。

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