AB7000網關在水利泵站測控系統中的應用

安利娟，賈 濤，曹永恒，張 維，陳英凱，王富強

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

在多數企業自動化和信息化項目中，由于各設備生產廠家開發平臺不同，不同設備、系統之間的通訊方式和通訊協議也不相同，造成各系統間數據共享性差，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，網絡之間的互聯顯得越來越重要。工業網關為聯接不同現場總線網絡提供了一種解決方案，使用不同的網關產品，可以聯接任意兩種現場總線網絡，簡單地實現I/O數據交換，使不同的網絡之間進行聯接并相互通訊。

陜西某抽黃灌區泵站自動化監控系統，為了實現泵站內所有設備的本地和遠程控制操作、主要設備參數的實時監測、故障報警、運行過程模擬顯示以及當地圖像監視等功能，不同設備需要與西門子S7-400PLC進行數據通訊，并將相關數據實時上傳到上位監控系統。其中綜合保護系統、直流控制系統、溫度檢測系統、配電系統設備等都采用以RS485為接口的ModbusRTU串行通訊方式，中國重型機械研究院股份公司采用了Anybus Communicator的AB7000網關將不同設備通訊協議轉換為西門子PLC支持的Profibus-DP現場總線協議，很好地解決了各設備與PLC間的數據交換及通訊。

1 控制系統組成

該泵站的自動化監控系統配置了2臺HMI監控站、1個PLC主站、1個視頻監控站、現場I/O站、多視頻監控點、報表打印機等，控制系統采用工業以太網、現場總線及串行通信為通訊方式進行數據交換;其中主控制站采用西門子S7-400系列PLC通過以太網交換機與上層操作監控站相連;現場操作站采用西門子Profibus-DP總線作為底層通訊方式，通過此方式將遠程操作站、儀表等與PLC控制系統進行無縫鏈接，同時由于該總線具有通訊穩定、抗干擾強等特點，有效地保證了系統控制的穩定與準確;高壓控制系統的綜合保護裝置、直流屏、溫度巡檢儀、配電系統等作為從站采用Modbus RTU協議通過Anybus Communicator的AB700網關設備轉換為Profibus-DP協議與PLC實現數據的實時采集與交換，并通過以太網將數據傳送到HMI監控站進行實時監控與記錄。系統組態結構如圖1所示。

圖1 系統組態結構Fig.1 Structure diagram of system configuration

2 系統硬件配置

該泵站的自動化監控系統主站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。同時在該項目中采用了Anybus Communicator的AB7000網關把ModbusRTU協議的網絡轉為ProfibusDP協議的網絡，通過AB7000網關將綜合保護系統、直流控制系統、溫度檢測系統、配電系統等作為從站設備將串行數據發至上層網絡，實現數據的實時采集和交換。

2.1 數據交換方式

該系統利用 Anybus Communicator系列的AB7000網關聯接非聯網的、帶有串行接口的自動化設備(綜合保護裝置、直流屏、溫度巡檢儀、配電裝置等)到Profibus現場總線網絡，實現使用串行協議的自動化設備與Profibus現場總線網絡之間的智能轉換。對于帶有Modbus-RTU接口的自動化設備，AB7000作為Modbus-RTU主站使用，為Modbus-RTU設備提供協議轉換。

Profibus現場總線和串行網絡之間的數據交換方式是所有數據都被儲存在Communicator內部的存儲器緩沖區中，現場總線和自動化設備之間的數據交換使用Communicator內部的存儲器的輸入/輸出緩沖區。在Communicator所連接的兩個網絡都有一個內部的I/O數據存儲器。如圖2所示，串行子網上收發的數據將作為I/O數據映射到上層工業網絡上，I/O數據臨時存儲在網關內部數據緩沖區內，轉發過程可以根據串行數據的幀格式進行配置，從而實現只將純數據映射為I/O數據。對于上層網絡的控制關系，數據交換只需要對指定區域的數據進行讀寫就可實現與串行子網的數據交換。數據和串行通訊協議的處理是在串行網關內部完成的，不需要PLC參與，因此簡化了將串行設備集成至工業網絡的工作并且提高了數據傳輸效率。

圖2 智能數據映射交換方式Fig.2 Exchange mode of intelligent data mapping

2.2 AB7000網關配置

在使用Anybus網關時需先對網關本身進行配置，然后再進行PLC的配置。因為在PLC中的Anybus網關進行I/O配置時，需要與網關本身的I/O字節數一致。

AB7000要實現與帶有Modbus-RTU接口的工業設備的聯網，無需創建腳本和串行數據幀，只需使用Anybus Configuration Manager配置軟件中的可視化模版向導進行連接配置即可。

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

配置AB7000時使用輸入寄存器區和輸出寄存器區這兩個區來進行現場網和子網之間的數據交換。配置命令時，對于讀寄存器的命令，如0x03，在編輯其響應信息幀時寄存器地址用輸入寄存器區;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。其數據資源見表1。

表1 數據資源列表Tab.1 Data list

使用Anybus Config Tool對網關進行配置之后，通過“子網監視器”功能查看網關的I/O字節數。網關配置完成并與子網上的串行設備通訊正常，LED5應為綠色常亮，LED6應為綠色閃爍。網關與串行子網正常通訊后，可以使用網關的“節點監視器”功能查看網關內部數據區的數據。

2.3 PLC系統與AB7000網關配置

通過西門子Step7軟件實現對PLC系統的配置。在配置Profibus總線之前，先要配置PLC和主站硬件。該系統選用西門子S7412-1 CPU和4A電源、工業以太網模塊以及標準機架。運行Simatic軟件環境新建一個工程，在insert工具欄選擇插入 SIMATIC 400 Station。雙擊 SIMATIC 400站點圖標，選擇“Hardware”打開硬件配置，添加導軌、電源和 PLC，添加配置 Profibus網絡，在對話框中點擊“Properties”，選擇正確的參數并點擊“OK”完成PLC配置。導入ABC-PDP的GSD文件到PLC，網關可在硬件目錄中顯示出來，名稱為Anybus-C PDP，添加ABC-PDP網關到PLC網絡中。在硬件目錄中雙擊網關“Anybus-C PDP”插入到DP網絡中。

硬件添加完成后需要根據具體應用的要求對PLC讀寫I/O數據區進行配置，且要求與網關數據區輸入輸出字節數相一致。根據網關輸入輸出數據區的字節數，模塊(module)的選擇有兩種形式，一種讀取字節數不多時，可以根據字節數對模塊進行自由地選擇和組合;另一種如果需要讀取超過4個字節的完整數據，需要使用“Universal Module”，設置起始地址、輸入輸出數據大小以及偏移地址等。該PLC網絡配置如圖3所示。

圖3 PLC網絡配置Fig.3 PLC network configuration

2.4 PLC編程

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

要讀取所設置的完整數據，確保數據以整個長度完整地傳輸，PLC程序使用了 SFC14和SFC15系統功能塊。SFC14的功能是從過程映像的輸入區域讀取數據，并將數據復制到另一個存儲位置;SFC15的功能是從任意存儲位置讀取數據并將其復制到工程映像的輸出數據區中。該功能塊數據所讀取或寫入過程映像的位置在硬件配置中定義，其具體編程實例如圖4所示，輸入輸出數據見表2。

圖4 程序實例Fig.4 Program example

表2 SFC14、SFC15傳輸數據Tab.2 Data transmission of SFC14 and SFC15

3 結束語

AB7000網關模塊在泵站自動化監控系統中的使用已經四五年時間，該系統性能穩定可靠、數據傳輸實時準確。AB7000網關模塊也應用于其他工業場合，很好地解決了各異構系統間數據傳輸及通訊問題，為聯接不同現場總線網絡提供了一種有效解決方案。

［1］崔堅.西門子工業網絡通訊指南［M］.北京:機械工業出版社，2005.

［2］如何在西門子S7 PLC中配置Anybus Communicator Profibus DP［Z］.應用指南，2009.

［3］謝崇寶.灌區用水管理信息化結構體系［M］.北京:中國水利水電出版社，2010.

［4］李紀人，潘世兵，張建立.中國數字流域［M］.北京:電子工業出版社，2009.