趙海斌

(中國鋼研科技集團有限公司 安泰環(huán)境工程技術有限公司，北京 100081)

多種通信協(xié)議在智能PLC中的應用分析

趙海斌

(中國鋼研科技集團有限公司 安泰環(huán)境工程技術有限公司，北京 100081)

以加熱爐電氣控制系統(tǒng)為例說明多種通信協(xié)議在西門子S7-200 smart系列PLC中的使用方法及注意事項。系統(tǒng)中S7-200 smart CPU同時使用了Modbus-RTU、USS和以太網(wǎng)通信協(xié)議分別與系統(tǒng)中的不同設備進行通信。實踐證明，該PLC通過合理的編程使用，可以實現(xiàn)多種通信方式混合使用，成本低廉、功能強大、通信可靠，成為小型自動化系統(tǒng)的首選產(chǎn)品。

Modbus通信；USS通信；以太網(wǎng)通信；S7-200 smart

引 言

西門子S7-200 smart系列PLC集成以太網(wǎng)接口和3路高速脈沖輸出，選用高速處理器芯片，基本指令執(zhí)行時間為0.15 μs，相比S7-200具有機型豐富、性能卓越、編程高效、經(jīng)濟便捷的特點。由于上市時間較短，在很多行業(yè)中還沒有案例可供參考，其多種通信接口還需要實踐驗證。有關此款PLC的通信接口配置及應用，在說明書中有較為詳細介紹，但是在實際使用中，由于加熱爐的工藝控制需求，單純依靠某種通信方式不能滿足系統(tǒng)設計要求，需要在PLC中綜合運用多種通信方式，在說明書中有關多種通信協(xié)議綜合使用的參考資料很少。本文從實際需求出發(fā)，闡述了smart多種通信接口同時使用在實際應用中遇到的問題及注意事項，通過優(yōu)化程序設計，最終將三種通信協(xié)議成功地應用于smart控制系統(tǒng)中，以低成本的方式滿足了工藝控制要求，增強了產(chǎn)品的市場競爭力。

1 控制系統(tǒng)配置

1.1 系統(tǒng)基本結構

該加熱爐以S7-200 smart作為核心控制器完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、邏輯控制、數(shù)據(jù)運算、速度協(xié)調(diào)控制等功能。上位機選用觸摸屏，與smart通過以太網(wǎng)接口通信，完成過程數(shù)據(jù)顯示及記錄功能。溫度控制選用智能溫控儀表及熱電偶實現(xiàn)爐內(nèi)溫度實時控制，爐內(nèi)多區(qū)域溫度設定及實際值數(shù)據(jù)通過Modbus-RTU通信與smart進行數(shù)據(jù)交換，完成爐內(nèi)多區(qū)域溫度設定及顯示功能。加熱爐的進料及出料速度匹配控制選用西門子V20變頻器控制變頻電機實現(xiàn)。由于smart本身集成RS485接口，與擴展RS485接口不能同時使用Modbus或USS協(xié)議通信，因此smart與變頻器之間數(shù)據(jù)交換選用USS協(xié)議實現(xiàn)。選用本體集成的RS485通信接口，連接成總線與多臺變頻器進行通信。這樣smart本體配置通信接口和擴展的通信接口均被配置使用，有助于實現(xiàn)不同控制設備間的多個數(shù)據(jù)交換。

整套控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡配置圖如圖1所示，系統(tǒng)主要包括1臺PLC、1臺觸摸屏、1臺溫控儀表和8臺變頻器。

圖1 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡配置圖

系統(tǒng)具體配置如下：

① PLC型號選用smart系列ST40，自帶24點輸入和16點輸出，晶體管型輸出，無擴展模板。ST40本體集成一個以太網(wǎng)接口和一個RS485接口，通過擴展CM01信號板可以增加一個RS485接口。本體集成的RS485接口，使用USS驅(qū)動協(xié)議與變頻器進行通信，擴展的RS485接口使用Modbus-RTU協(xié)議與智能儀表通信。ST40本體集成的以太網(wǎng)接口，支持西門子S7協(xié)議，可以與編程設備或觸摸屏進行通信連接。

② 智能溫控儀表選擇伯特公司產(chǎn)品，采用單片微處理器設計，內(nèi)置PID調(diào)節(jié)功能，配置RS485通信接口，支持標準Modbus-RTU協(xié)議。

③ 變頻器選用西門子SINAMICS V20系列，該變頻器內(nèi)置常見的連接宏和應用宏，設置簡單，集成USS和Modbus通信接口，靈活便捷。

1.2 通信線路連接

Modbus通信是一種主從網(wǎng)絡，允許一個主站和一個或多個從站通信。smart作為通信主站，智能儀表作為從站，通信線路連接如圖2所示。

圖2 Modbus通信連接線路圖

USS協(xié)議采用單主站主-從訪問機制。smart P作為通信主站，V20變頻作為通信從站。線路連接如圖3所示。

圖3 USS通信連接線路圖

偏置電阻用于在復雜環(huán)境下確保通信線上的電平在總線未被驅(qū)動時保持穩(wěn)定，終端電阻用于吸收網(wǎng)絡上的反射信號，一個完善的總線型網(wǎng)絡必須在兩端接偏置和終端電阻。通信口的等電位連接線建議使用單獨的較粗導線，不要使用通信電纜的屏蔽層代替，因為連接線上可能有較大的電流，會導致通信中斷。由于smart通信端口為非隔離型的，在不加中繼及隔離的情況下，通信雙絞電纜最長為50 m，電纜屏蔽層應可靠接地，通信線與動力線分開布線，減小外界信號干擾。

2 Modbus通信實現(xiàn)及注意事項

Modbus協(xié)議是由Modicon公司在1979年發(fā)明的，是全球第一個真正用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議，此協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS232、RS422、RS485和以太網(wǎng)設備，許多工業(yè)設備(包括PLC、DCS、智能儀表等)都在使用Modbus協(xié)議作為通信標準。在Modbus系統(tǒng)中有2種傳輸模式可供選擇，這2種傳輸模式與從機通信的能力是同等的，在實際應用中，應視所用Modbus主機而定，每個Modbus系統(tǒng)只能使用一種模式，不允許2種模式混用。一種模式是ASCII(美國信息交換碼)，另一種模式是RTU(遠程終端設備)。

S7-200 smart只支持Modbus協(xié)議RTU通信模式，本項目中PLC作為通信主站，智能儀表作為通信從站。編程軟件中自帶了Modbus-RTU主站協(xié)議庫的標準功能塊，包括主站初始化功能塊MBUS_CTRL和主站讀寫子程序功能塊MBUS_MSG。 在用戶程序中調(diào)用此功能塊，可以讀寫Modbus RTU從站的數(shù)字量、模擬量I/O以及保持寄存器中的內(nèi)容。

讀寫子程序功能塊MBUS_MSG在用戶程序中只能有一個處于運行狀態(tài)，否則會導致通信報錯。當需要讀寫多個不連續(xù)的變量時，需要多次調(diào)用此功能塊，此時需要編寫主站輪詢訪問程序，控制每時刻只有一個MBUS_MSG功能模塊被調(diào)用。

如果依照說明書編寫通信程序，在實際應用中，出現(xiàn)了smart與智能儀表通信連接成功后，經(jīng)過一段時間通信中斷的情況，導致溫度數(shù)據(jù)不更新，顯示溫度不能反映實際溫度變化。經(jīng)過反復分析驗證，發(fā)現(xiàn)是由于PLC和智能儀表通信速率不匹配，主站頻繁讀寫從站寄存器數(shù)據(jù)，從站響應速度跟不上，導致數(shù)據(jù)讀取失敗。

針對這個問題，在程序中做了優(yōu)化，降低主站數(shù)據(jù)讀取的頻次，寫入數(shù)據(jù)時，在主站有寫入需求時才寫入，更改后通信恢復正常。

3 USS協(xié)議通信實現(xiàn)及使用要點

USS(Universal Serial Interface)通用串行通信接口是西門子專門為傳動裝置開發(fā)的通信協(xié)議，支持多點通信，一個網(wǎng)絡上最多可以有31個從站，報文格式簡單可靠，數(shù)據(jù)傳輸靈活高效。USS協(xié)議工作機制，通信總是由主站發(fā)起，主站不斷循環(huán)輪詢各個從站，從站根據(jù)收到的指令，決定是否響應以及如何響應，從站永遠不會主動發(fā)送數(shù)據(jù)。

smart編程軟件提供了USS通信的標準指令庫，指令庫包含初始化功能塊USS_INIT、傳動裝置控制功能塊USS_CTRL和USS參數(shù)讀寫功能塊。

由于通過調(diào)用傳動控制功能塊USS_CTRL，只支持讀取變頻器的實際運行頻率，用戶不能更改功能塊，在實際應用中，變頻器的運行電流等參數(shù)也需要參與工藝控制，要讀取這個變量，需要通過用戶編寫程序單獨調(diào)用參數(shù)讀寫指令塊實現(xiàn)。如果要讀取多個變頻器的運行電流，需要調(diào)用多個讀寫指令塊實現(xiàn)，同樣需要編寫輪詢程序進行控制，保證每時刻只有一個讀寫指令塊被調(diào)用。

在程序設計中，調(diào)用8個功能塊USS_CTRL分別控制8個變頻器的啟停和速度設定。這8個功能塊不需要編寫輪詢程序，只需設定不同的訪問地址，程序會根據(jù)初始化功能塊USS_INIT的Active參數(shù)自動控制。讀取實際電流等參數(shù)，需要多次調(diào)用參數(shù)讀寫功能塊USS_RPM_R，輪詢程序如下 ：

1 LD SM0.1

R V9.0，2

R V0.0，1

2 LD V0.0

EU

S V9.0，1

3 LD SM0.1

CALL USS_INIT，1，19200，0，2#1111111110, V0.0, VB300

4 LD V9.0

= L 60.0

LD V9.0

EU

= L63.7

LD L60.0

CALL USS_RPM_R, L63.7, 3, 27, 0, &VB3600, V9.4,VB3618, VD3500

5 LD V9.4

EU

MOVR VD3500, VD3550

R V9.0, i

S V9.1, i

6 LD V9.1

= L60.0

LD V9.1

EU

= L63.7

LD L60.0

CALL USS_RPM_R, L63.7, 4, 27, 0, &VB3620, V9.5,VB3619, VD3504

7 LD V9.5

EU

MOVR VD3504, VD3554

R V9.1, i

S V9.6, i

4 以太網(wǎng)通信使用要點

S7-200 smart CPU均提供一個以太網(wǎng)端口，該端口不支持TCP、UDP和ISO on TCP等開放式用戶通信和Modbus TCP通信，只支持西門子S7協(xié)議，可以實現(xiàn)與支持S7協(xié)議的以太網(wǎng)端口設備通信。通過編程軟件Step7-Micro/Win smart調(diào)試smart時，需中斷其他以太網(wǎng)設備通信，最多可以連接8個HMI設備。有關smart以太網(wǎng)通信接口支持通信協(xié)議的局限性，需在使用前重點關注。

結 語

在Modbus通信應用中，通過優(yōu)化讀寫速率，最后得以穩(wěn)定運行，實踐證明Modbus通信雖然簡單易用，但是需要通過編程匹配使用，單純依靠指令庫程序難以穩(wěn)定運行，需要具體情況具體分析。

[1] 西門子.S7-200 smart 系統(tǒng)手冊V2.2,2016.

[2] 廖常初.S7-200 SMART PLC編程及應用[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2015.

[3] 西門子.西門子V20變頻器操作手冊,2013.

趙海斌(工程師)，研究方向為冶金自動化控制。

Application Analysis of Multiple Communication Protocols in Intelligent PLC

Zhao Haibin

(Advanced Environment Engineering Technology Co.,Ltd.,China Iron&Steel Research Institute Group,Beijing 100081,China)

In this article,the electric control system of heating furnace is taken as an example to show how to use various communication protocols in SIEMENS S7-200 smart series PLC.The system uses Modbus-RTU,USS and ethernet communication protocol in S7-200 smart CPU to communicate with different devices in the system.Through the use of reasonable programming,practice has proved that the PLC can be used to achieve a variety of communication methods.With the advantage of low cost,powerful function and reliable communication,it will become the first choice for the small automation systems.

Modbus communication;USS communication;ethernet communication;S7-200 smart

TP273

A

士然

2017-02-24)