基于西門子PCS7的多現場總線控制系統通訊

平國楠，王 琦，關燕鵬，孫竹梅

（山西大學 自動化系，太原 030013）

現場總線具有特別強的開放性和分布式結構，在生產現場應用十分廣泛。現場總線具有許多優點，如互用性和互可操作性強、系統協議開放性高、智能化水平高和較好的功能自治性、系統高度分散性以及具有特別強的環境適應性[1-3]。隨著經濟發展，過程控制系統中現場儀表數字化和智能化程度逐步增強，生產過程檢測與控制的點數與精度以及可靠性方面的要求越來越高，現場儀器儀表與主控系統間的通信愈加重要。

當主控系統與現場設備通信協議不同時，會產生多現場總線協議控制系統通訊不兼容問題。對工業現場數據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，施耐德PLC及歐姆龍PLC為第三方設備，實現Profibus-DP網絡、Modbus網絡、Devicenet網絡的互聯，旨在解決多現場總線協議控制系統通訊問題。

1 系統設計

主控系統選取西門子PCS7，遠程設備分別選取使用Modbus協議的Modicon M340 PLC和使用DeviceNet協議的歐姆龍PLC。以Modicon M340 PLC水箱液位控制系統和歐姆龍PLC制冷系統作為現場控制級，PCS7主控系統作為監控級。通過實現水箱液位和冷卻水的現場控制和遠程監視控制，表明西門子PCS7與Modbus現場總線協議控制系統及DeviceNet總線協議控制系統通訊成功。

硬件系統包括西門子DCS、歐姆龍PLC、Modicon M340 PLC和通信網關組成。集成系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構Fig.1 System structure

1.1 西門子PCS7系統

西門子PCS7系統是先進的過程控制系統，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，完成數據采集、信息交互、DCS組態和維護。自動化站與現場設備通過Profibus-DP端口通訊，與服務器和工程師站通過CP443-1模塊通過Ethernet實現通訊。硬件型號如表1所示。

1.2 Modbus現場總線

工業現場中大量設備使用Modbus協議進行通信，應用于各種數據采集和過程監控[4]。Modbus網絡只有1個主機，支持247個從站。由于Modbus協議完全公開且免費，具有較好的開放性和經濟性，成為了通用的現場總線，多數變頻器、二次儀表和各個品牌的PLC都支持Modbus協議。本文通訊系統選用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現場總線

DeviceNet協議具有成本低、開放性好的優點，主要用于設備層通訊，現已經成為IEC國際標準總線之一。它最多支持64個節點，通信速率為125 kb/s～500 kb/s，支持點對點，多主或主/從通信。可帶電更換網絡節點，也能在線修改網絡配置。采用CAN物理層和數據鏈路層規約，支持選通、輪詢、循環、狀態變化和應用觸發的數據傳送。既適用于連接低端工業設備，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網絡和Profibus-DP網絡從站實現信息傳輸。

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

系統通訊過程如圖2所示，Modbus網絡和DeviceNet網絡數據分別通過Serial/Profibus-DP網關和DeviceNet/Profibus-DP網關傳輸至西門子DCS，通過設定掃描方式和掃描時間保證系統的實時性和數據傳輸的高效性。

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

DeviceNet與Profibus-DP通過映射關系進行數據轉換，網關PD-100S中有Profibus網絡輸入緩沖區和Profibus網絡輸出緩沖區。網關讀入的數據存入網絡輸入緩沖區，供Profibus讀取。網關同時從網絡輸出緩存區取數據通過寫命令輸出到相應DeviceNet設備。PD-100S同時作為Profibus網絡節點和DeviceNet網絡節點，需占用兩邊網絡節點位置。DeviceNet網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網關端子連接，管腳1和管腳5接24 V供電。

現場控制設備采用施耐德PLC Modicon M340，通過網關PM-160與控制級西門子DCS的控制器S7-400進行通信。Modicon M340 PLC能夠對生產過程的各項數據進行采集。將采集到的參數設定相應變量，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。網關設備中有Modbus PLC地址對應關系，在網關配置軟件中，可以根據Modbus從站所讀取數據的地址自動生成網關對應地址。網關從Modbus PLC側讀取數據存儲至對應位置，再將數據從存儲位置發送至西門子DCS。西門子DCS通過PCS7完成組態，在組態中通過導入網關PM-160的GSD文件，將網關組態至Profibus-DP網絡上。通過編寫相應程序，完成數據的讀寫，及實時監控。

3 系統組態及程序設計

3.1 DeviceNet系統組態

通過對網關PD-100S的設置，可以實現DeviceNet和Profibus-DP的數據通信，即可連接具有DeviceNet接口的主站設備到Profibus-DP網絡，實現帶Profibus-DP接口的PLC與DeviceNet接口的PLC之間的數據交換。主要設置如下：

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

配置DeviceNet/Profibus-DP網關通過旋碼開關與撥碼開關的設置硬件地址，通過超級終端配置輸入輸出字節長度、網絡狀態字、數據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，使用組態王軟件對歐姆龍PLC進行畫面組態。

3.2 Modbus系統組態

Modbus系統組態主要分為Modbus PLC組態和網關組態兩部分。

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，且參數與網關參數對應。最后編寫程序進行調試。

使用軟件PM-123配置PM-160，對Modbus和Profibus-DP現場總線的相關參數和命令進行設置。PM-123主要用于對子網即Modbus側參數進行配置，包括協議類型、通信波特率、數據位、校驗方式、通訊傳輸模式等。可對子網參數進行配置，增加節點并對節點地址進行設置，地址范圍為0～247，增加命令對數據傳輸進行設置。

從地址默認為增加節點時設置的節點地址，功能碼默認為本條命令的功能碼。校驗類別默認為CRC，字/字節映射方式為全字。這幾項為不可修改項。內存映射起始地址為軟件根據所填入的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。

3.3 PCS7系統組態

如圖3所示，首先組態自動化站。根據設備實際型號插入機架、電源模塊、CPU、通信模塊。將PD-100S網關和PM-160網關作為DP網絡的子站組態在DP網絡中。并分別在其中插入相應的I/O模塊，進行數據讀取。其次組態工程師站，通過CFC編寫程序進行數據讀寫，并在OS站中組態相應畫面。

圖3 PCS7硬件組態Fig.3 Hardware configuration of PCS7

4 系統調試及結果

首先，實現 Serial/Profibus-DP網關與施耐德 PLC的Modbus通信。網關能夠對施耐德PLC中的數值進行讀取和寫入。其次，完成了西門子DCS通過網關與施耐德PLC的通信[5]。之后，實現DeviceNet/Profibus-DP與歐姆龍PLC的通信。最終，實現西門子DCS與歐姆龍PLC通信并進行整體通信測試。通過PCS7組態畫面能夠反映Modbus PLC和歐姆龍PLC中數值變化情況，同時，Modbus PLC和歐姆龍PLC也能夠根據西門子DCS指令進行相應動作，說明通信成功。

5 結語

本文針對多現場總線控制系統的通信不兼容問題，提出使用硬件集成Serial/Profibus-DP網關和DeviceNet/Profibus-DP網關的通信方案。通過西門子PCS7實現對水箱液位系統、制冷系統中數據的遠程監視及控制，達到Modbus網絡、DeviceNet網絡和Profibus網路數據互通，實現了基于西門子PCS7的多現場總線控制系統的通信。可以在電廠的擴建和改造過程中，保留電廠原有的西門子監控級設備或使用Modbus協議和DeviceNet協議的現場總線儀表，降低電廠的擴改成本，并縮短電廠的擴改工期。擴展了西門子系統與現場設備的兼容性，對促進自動控制系統全廠一體化和現場總線發展具有較強的實際意義。

[1]印江，馮江濤.電廠分散控制系統[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[M].2版.北京：電子工業出版社，2014.

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

[4]孫竹梅，平國楠，王琦，等.西門子DCS與Modbus PLC的異構集成[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協議通信兼容設計[J].工業儀表與自動化裝置，2016（6）：53-56.