平國楠，王 琦，關(guān)燕鵬，孫竹梅

（山西大學 自動化系，太原 030013）

現(xiàn)場總線具有特別強的開放性和分布式結(jié)構(gòu)，在生產(chǎn)現(xiàn)場應用十分廣泛?，F(xiàn)場總線具有許多優(yōu)點，如互用性和互可操作性強、系統(tǒng)協(xié)議開放性高、智能化水平高和較好的功能自治性、系統(tǒng)高度分散性以及具有特別強的環(huán)境適應性[1-3]。隨著經(jīng)濟發(fā)展，過程控制系統(tǒng)中現(xiàn)場儀表數(shù)字化和智能化程度逐步增強，生產(chǎn)過程檢測與控制的點數(shù)與精度以及可靠性方面的要求越來越高，現(xiàn)場儀器儀表與主控系統(tǒng)間的通信愈加重要。

當主控系統(tǒng)與現(xiàn)場設備通信協(xié)議不同時，會產(chǎn)生多現(xiàn)場總線協(xié)議控制系統(tǒng)通訊不兼容問題。對工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和過程控制造成嚴重影響。本文通過試驗平臺，以西門子PCS7為主控系統(tǒng)，施耐德PLC及歐姆龍PLC為第三方設備，實現(xiàn)Profibus-DP網(wǎng)絡、Modbus網(wǎng)絡、Devicenet網(wǎng)絡的互聯(lián)，旨在解決多現(xiàn)場總線協(xié)議控制系統(tǒng)通訊問題。

1 系統(tǒng)設計

主控系統(tǒng)選取西門子PCS7，遠程設備分別選取使用Modbus協(xié)議的Modicon M340 PLC和使用DeviceNet協(xié)議的歐姆龍PLC。以Modicon M340 PLC水箱液位控制系統(tǒng)和歐姆龍PLC制冷系統(tǒng)作為現(xiàn)場控制級，PCS7主控系統(tǒng)作為監(jiān)控級。通過實現(xiàn)水箱液位和冷卻水的現(xiàn)場控制和遠程監(jiān)視控制，表明西門子PCS7與Modbus現(xiàn)場總線協(xié)議控制系統(tǒng)及DeviceNet總線協(xié)議控制系統(tǒng)通訊成功。

硬件系統(tǒng)包括西門子DCS、歐姆龍PLC、Modicon M340 PLC和通信網(wǎng)關(guān)組成。集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

1.1 西門子PCS7系統(tǒng)

西門子PCS7系統(tǒng)是先進的過程控制系統(tǒng)，主要包括 Step7、CFC、SFC、Simatic Net和 WinCC 以及PDM等軟件，硬件選用S7-400高端CPU。本文使用1臺PC機同時作為DCS服務器、操作員站、工程師站，完成數(shù)據(jù)采集、信息交互、DCS組態(tài)和維護。自動化站與現(xiàn)場設備通過Profibus-DP端口通訊，與服務器和工程師站通過CP443-1模塊通過Ethernet實現(xiàn)通訊。硬件型號如表1所示。

1.2 Modbus現(xiàn)場總線

工業(yè)現(xiàn)場中大量設備使用Modbus協(xié)議進行通信，應用于各種數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)控[4]。Modbus網(wǎng)絡只有1個主機，支持247個從站。由于Modbus協(xié)議完全公開且免費，具有較好的開放性和經(jīng)濟性，成為了通用的現(xiàn)場總線，多數(shù)變頻器、二次儀表和各個品牌的PLC都支持Modbus協(xié)議。本文通訊系統(tǒng)選用Modbus設備型號如表2所示。

表1 西門子PCS7硬件型號表Tab.1 Hardware model of Siemens PCS7

表2 Modbus設備型號表Tab.2 Hardware model of Modbus device

1.3 DevcieNet現(xiàn)場總線

DeviceNet協(xié)議具有成本低、開放性好的優(yōu)點，主要用于設備層通訊，現(xiàn)已經(jīng)成為IEC國際標準總線之一。它最多支持64個節(jié)點，通信速率為125 kb/s～500 kb/s，支持點對點，多主或主/從通信?？蓭щ姼鼡Q網(wǎng)絡節(jié)點，也能在線修改網(wǎng)絡配置。采用CAN物理層和數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)約，支持選通、輪詢、循環(huán)、狀態(tài)變化和應用觸發(fā)的數(shù)據(jù)傳送。既適用于連接低端工業(yè)設備，又能連接變頻器、操作終端這樣的復雜設備。本文以歐姆龍PLC作為DeviceNet主站，DeviceNet/Profibus-DP連接器同時作為DeviceNet網(wǎng)絡和Profibus-DP網(wǎng)絡從站實現(xiàn)信息傳輸。

表3 DeviceNet通訊設備選型列表Tab.3 Hardware model of DeviceNet device

2 硬件連接及通信

系統(tǒng)通訊過程如圖2所示，Modbus網(wǎng)絡和DeviceNet網(wǎng)絡數(shù)據(jù)分別通過Serial/Profibus-DP網(wǎng)關(guān)和DeviceNet/Profibus-DP網(wǎng)關(guān)傳輸至西門子DCS，通過設定掃描方式和掃描時間保證系統(tǒng)的實時性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝浴?/p>

圖2 工作原理Fig.2 Working principle of system

DeviceNet與Profibus-DP通過映射關(guān)系進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，網(wǎng)關(guān)PD-100S中有Profibus網(wǎng)絡輸入緩沖區(qū)和Profibus網(wǎng)絡輸出緩沖區(qū)。網(wǎng)關(guān)讀入的數(shù)據(jù)存入網(wǎng)絡輸入緩沖區(qū)，供Profibus讀取。網(wǎng)關(guān)同時從網(wǎng)絡輸出緩存區(qū)取數(shù)據(jù)通過寫命令輸出到相應DeviceNet設備。PD-100S同時作為Profibus網(wǎng)絡節(jié)點和DeviceNet網(wǎng)絡節(jié)點，需占用兩邊網(wǎng)絡節(jié)點位置。DeviceNet網(wǎng)絡中進行通信首先要建立設備連接。將歐姆龍PLC DeviceNet主站模塊連接器端子與Devicenet/Profibus-DP網(wǎng)關(guān)端子連接，管腳1和管腳5接24 V供電。

現(xiàn)場控制設備采用施耐德PLC Modicon M340，通過網(wǎng)關(guān)PM-160與控制級西門子DCS的控制器S7-400進行通信。Modicon M340 PLC能夠?qū)ιa(chǎn)過程的各項數(shù)據(jù)進行采集。將采集到的參數(shù)設定相應變量，在特定的寄存器中進行存儲。通過PLC中的變量表讀出每個變量寄存器地址，能夠明確知道該變量存儲位置。網(wǎng)關(guān)設備中有Modbus PLC地址對應關(guān)系，在網(wǎng)關(guān)配置軟件中，可以根據(jù)Modbus從站所讀取數(shù)據(jù)的地址自動生成網(wǎng)關(guān)對應地址。網(wǎng)關(guān)從Modbus PLC側(cè)讀取數(shù)據(jù)存儲至對應位置，再將數(shù)據(jù)從存儲位置發(fā)送至西門子DCS。西門子DCS通過PCS7完成組態(tài)，在組態(tài)中通過導入網(wǎng)關(guān)PM-160的GSD文件，將網(wǎng)關(guān)組態(tài)至Profibus-DP網(wǎng)絡上。通過編寫相應程序，完成數(shù)據(jù)的讀寫，及實時監(jiān)控。

3 系統(tǒng)組態(tài)及程序設計

3.1 DeviceNet系統(tǒng)組態(tài)

通過對網(wǎng)關(guān)PD-100S的設置，可以實現(xiàn)DeviceNet和Profibus-DP的數(shù)據(jù)通信，即可連接具有DeviceNet接口的主站設備到Profibus-DP網(wǎng)絡，實現(xiàn)帶Profibus-DP接口的PLC與DeviceNet接口的PLC之間的數(shù)據(jù)交換。主要設置如下：

配置DeviceNet PLC通過調(diào)試軟件CX-Pro grammer Ver.8.1與PLC進行連接，對PLC進行編程和監(jiān)控。修改計算機的IP地址與PLC的IP地址在同一網(wǎng)段。在軟件CX-Programmer中進行硬件配置。

配置DeviceNet/Profibus-DP網(wǎng)關(guān)通過旋碼開關(guān)與撥碼開關(guān)的設置硬件地址，通過超級終端配置輸入輸出字節(jié)長度、網(wǎng)絡狀態(tài)字、數(shù)據(jù)交換方式以及工作方式。

為了能夠更加直觀地觀察變量變化情況，使用組態(tài)王軟件對歐姆龍PLC進行畫面組態(tài)。

3.2 Modbus系統(tǒng)組態(tài)

Modbus系統(tǒng)組態(tài)主要分為Modbus PLC組態(tài)和網(wǎng)關(guān)組態(tài)兩部分。

通過RS485連接計算機與Modbus PLC，使用串口通信軟件Modbus Poll測試Modicon M340 PLC與計算機通信情況。測試通信正常后，使用Unity Pro軟件對PLC進行配置。首先，根據(jù)設備實際型號在編輯器中配置機架、電源、CPU等模塊。然后進行CPU通訊設置，設置PLC為Modbus從站，且參數(shù)與網(wǎng)關(guān)參數(shù)對應。最后編寫程序進行調(diào)試。

使用軟件PM-123配置PM-160，對Modbus和Profibus-DP現(xiàn)場總線的相關(guān)參數(shù)和命令進行設置。PM-123主要用于對子網(wǎng)即Modbus側(cè)參數(shù)進行配置，包括協(xié)議類型、通信波特率、數(shù)據(jù)位、校驗方式、通訊傳輸模式等?？蓪ψ泳W(wǎng)參數(shù)進行配置，增加節(jié)點并對節(jié)點地址進行設置，地址范圍為0～247，增加命令對數(shù)據(jù)傳輸進行設置。

從地址默認為增加節(jié)點時設置的節(jié)點地址，功能碼默認為本條命令的功能碼。校驗類別默認為CRC，字/字節(jié)映射方式為全字。這幾項為不可修改項。內(nèi)存映射起始地址為軟件根據(jù)所填入的Modbus寄存器起始地址自動映射地址。

同樣，為了能夠更加直觀地顯示出變量變化情況進行了畫面組態(tài)。

3.3 PCS7系統(tǒng)組態(tài)

如圖3所示，首先組態(tài)自動化站。根據(jù)設備實際型號插入機架、電源模塊、CPU、通信模塊。將PD-100S網(wǎng)關(guān)和PM-160網(wǎng)關(guān)作為DP網(wǎng)絡的子站組態(tài)在DP網(wǎng)絡中。并分別在其中插入相應的I/O模塊，進行數(shù)據(jù)讀取。其次組態(tài)工程師站，通過CFC編寫程序進行數(shù)據(jù)讀寫，并在OS站中組態(tài)相應畫面。

圖3 PCS7硬件組態(tài)Fig.3 Hardware configuration of PCS7

4 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果

首先，實現(xiàn) Serial/Profibus-DP網(wǎng)關(guān)與施耐德 PLC的Modbus通信。網(wǎng)關(guān)能夠?qū)κ┠偷翽LC中的數(shù)值進行讀取和寫入。其次，完成了西門子DCS通過網(wǎng)關(guān)與施耐德PLC的通信[5]。之后，實現(xiàn)DeviceNet/Profibus-DP與歐姆龍PLC的通信。最終，實現(xiàn)西門子DCS與歐姆龍PLC通信并進行整體通信測試。通過PCS7組態(tài)畫面能夠反映Modbus PLC和歐姆龍PLC中數(shù)值變化情況，同時，Modbus PLC和歐姆龍PLC也能夠根據(jù)西門子DCS指令進行相應動作，說明通信成功。

5 結(jié)語

本文針對多現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的通信不兼容問題，提出使用硬件集成Serial/Profibus-DP網(wǎng)關(guān)和DeviceNet/Profibus-DP網(wǎng)關(guān)的通信方案。通過西門子PCS7實現(xiàn)對水箱液位系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)視及控制，達到Modbus網(wǎng)絡、DeviceNet網(wǎng)絡和Profibus網(wǎng)路數(shù)據(jù)互通，實現(xiàn)了基于西門子PCS7的多現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的通信?？梢栽陔姀S的擴建和改造過程中，保留電廠原有的西門子監(jiān)控級設備或使用Modbus協(xié)議和DeviceNet協(xié)議的現(xiàn)場總線儀表，降低電廠的擴改成本，并縮短電廠的擴改工期。擴展了西門子系統(tǒng)與現(xiàn)場設備的兼容性，對促進自動控制系統(tǒng)全廠一體化和現(xiàn)場總線發(fā)展具有較強的實際意義。

[1]印江，馮江濤.電廠分散控制系統(tǒng)[M].北京：中國電力出版社，2006.

[2]潘新民，王燕芳.微型計算機控制技術(shù)[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[3]廖常初.S7-300/400 PLC應用技術(shù)[M].3版.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[4]孫竹梅，平國楠，王琦，等.西門子DCS與Modbus PLC的異構(gòu)集成[J].自動化與儀器儀表，2016（12）：47-49.

[5]王琦，程晨，孫竹梅，等.Profibus-DP與Modbus協(xié)議通信兼容設計[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2016（6）：53-56.