關于西門子S7-200在工業以太網與Modbus網絡同步通訊的應用

胡銘立 黃熙

摘 ?要：本文介紹了S7-200在工業以太網與Modbus網絡同步通訊的應用，基于TCP/IP通訊協議與Modbus RTU通訊協議，設計了一種集成化、可視化、人性化的綜合監控系統，詳細闡述了通訊程序設計中通訊模塊CP243-1和軟件庫Modbus Master（V1.1）的應用，為工業系統在信息集成化方面提供了理論依據和實踐經驗。

關鍵詞：CP243-1;Modbus Master（V1.1）;綜合監控

中圖分類號：TN915.04 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）17-0058-03

Abstract：This paper introduces the application of S7-200 in synchronous communication between industrial Ethernet and Modbus network. Based on TCP/IP communication protocol and Modbus RTU communication protocol，an integrated，visual and humanized integrated monitoring system is designed. In the program design，the communication module CP243-1 and the software library Modbus Master （V1.1） application provide theoretical basis and practical experience for industrial system in information integration.

Keywords：CP243-1;Modbus Master（V1.1）;comprehensive monitoring

0 ?引 ?言

隨著工業制造的飛速發展，工業控制已從單一控制向集成控制、多元化控制發展。如今，伴隨網絡時代的日新月異，實現了信息及時共享，在互聯網高度發達的今天，網絡互聯也在工業制造領域得到了廣泛應用，工業組網為信息傳遞共享提供了方便，通過不同通訊協議、控制組件之間，或在網絡（例如以太網或Modbus網絡）和其他設備之間可以通信，從而便捷地完成復雜的監控要求。本文針對深圳地鐵四號線供電系統組網通訊設計要求，通過硬件連接與組網編程，給出了可行的具體解決方案。

1 ?設備網絡組態方案設計

目前，地鐵供電系統中包括的主要設備有變壓器、交流開關柜、整流柜、直流開關柜等。為了實現不同設備的實時監測，將交流開關柜、整流柜、直流開關柜的主要報警信息進行集中監測顯示。在本項目中，1500V直流開關柜的通訊接口是以太網口，35kV交流開關柜的通訊接口是RS485，Modbus網絡。供電系統組網原理圖如圖1所示。

根據圖1所示原理圖，虛線框代表單個整流裝置，實線代表信號線，CP243-1自帶RS485串口，3#與4#變流裝置組成一組整流機組。整流機組通過A1B1端和A2B2端將2個整流裝置的相同狀態信息集中顯示在一個西門子觸摸顯示屏。用作通訊的PLC通過擴展通訊擴展模塊CP243-1與1500V直流開關柜組成以太網進行通訊;PLC本身直接通過RS485串口與35kV交流開關柜組成Modbus網絡進行通訊。

PLC與CP243-1構成通訊控制器，1500V直流開關柜與35kV交流開關柜通過通訊控制器將狀態信息顯示于觸摸屏上;變流裝置通過并聯另外兩個PLC，將自身信息顯示于觸摸屏上。觸摸屏與三個PLC通過RS485串口組成MPI網絡，顯示三種設備的實時狀態，實現綜合監控。

2 ?S7-200及S7-300以太網通訊

本項目中1500V直流開關柜的控制器為S7-300PLC，變流裝置的控制器為S7-200PLC。S7-200通過以太網擴展模塊CP243-1或CP243-1IT接入工業以太網。S7-200與S7-300通訊時，S7-200可以作為Client端或Server端，本項目中選擇CP243-1，并且在網絡中將S7-200設為Client端（設為Server端時S7-300的擴展模塊不支持TCP/IP），使用STEP 7-Micro/WIN對S7-200進行編程，在以太網向導中將CP243-1的IP地址設為192.168.0.3，子網掩碼設為255.255.255.0，其他參數配置設為默認值，點擊下一步進入配置連接對話框，如圖2所示，將遠程服務器（S7-300）的IP地址設置為192.168.0.10，這樣就使得S7-200與S7-300的通訊在同一網段內;同時將遠程服務器的TSAP設為03.02，其中第一個字節定義連接號，第二個字節表示CPU的槽號，客戶機的TSAP設為10.00;連接名設為Connection0_0。點擊數據傳輸進入配置CPU至CPU數據傳輸對話框，如圖3所示，將第1項讀取字節設置為4;第2項設置數據交換的存儲區將服務器的DB60.DBB0至DB60.DBB3內的數據讀入到客戶機的VB0至VB3內;第3項為此數據傳輸定義符號名PeerMessage00_1（此名稱在項目中會應用到），點擊確認完成以太網向導的設置。

完成上述配置后會在指令樹的子程序中生成有關的以太網通訊指令，如圖4所示，分別調用這兩個通訊指令塊：（1）ETHx_CTRL子程序用于開啟和實施以太網模塊錯誤檢查。此子程序在每次掃描開始時調用（該子程序在每個模塊中只能使用一次）。每當CPU變更為RUN（運行）模式時，該子程序命令CP243-1以太網模塊檢查V內存區是否存在新配置。（2）ETHx_XFR子程序通過指定客戶機連接信息號碼，該指令負責在S7-200和遠程連接之間進行數據傳送。只有當至少配置了一個客戶機連接時，才會生成該子程序。其中Connection0_0與PeerMessage00_1將自動分配地址。傳輸線路類型決定了數據傳送所需的時間。如要提高傳輸速度，可使用配備掃描時間低于1s的程序。

完成上述所有配置后，采用交叉連接方式將S7-200與S7-300連接即可通訊。

3 ?S7-200與35kV開關柜Modbus網絡通訊

Modbus是一種用于工業控制器的網絡協議。Modbus協議是一種通訊約規，廣泛應用于電子器件控制器上，不同廠商生產的控制設備，只要符合Modbus協議的可以連成工業網絡，進行集中監控。

關于Modbus通訊，需要建立主站和從站，主站側需要配置程序庫“MBUS_MSG”和“MBUS_CTRL”，從站側需要配置程序庫“MBUS_SLAVE”and“MBUS_INIT”，如果想要實現在S7-200CPU與其他支持Modbus-RTU的設備之間使用Modbus-RTU協議通訊，則需將S7-200CPU設為Modbus主站。S7-200CPU做主站時，必須使用自由口模式，按規定協議編程。S7-200控制系統使用時，Modbus RTU作為從站，其指令庫僅支持CPU上的通訊口0（Port0）。要啟動Modbus-RTU通訊，需要Step7-Micro/WIN 32 V3.2以上版本編程軟件，且必須安裝Modbus Master（V1.1）指令庫。Modbus-RTU功能是通過在指令庫中預先編好的程序功能塊實現的。

調用Modbus主站指令編程前應分配庫存儲區，存儲區的分配對程序的編寫有直接的影響，庫指令數據區是相應庫的子程序和中斷程序所要用到的變量存儲空間，如果在編程時不分配庫指令數據區，編譯時會產生許多相同的錯誤，同時也要保證在任何情況下不能再被其他程序所使用，點擊“建議地址”按鈕，系統將自動計算存儲區的截止地址。

接下來我們將著重討論如何應用Modbus Master（V1.1）指令庫的指令來實現與ABB 35KV開關柜的通訊。

3.1 ?MBUS_CTRL指令

MBUS_CTRL指令如圖5所示，此指令用于MBUS_CTRL指令（位于S7-200端口0）可初始化、監控或限用Modbus通訊。在MBUS_MSG指令使用前，必須正確執行MBUS_CTRL指令。指令完成后立即設定“完成”位，才能繼續執行下一條指令。

當CPU每次掃描且EN輸入接收打開信號時，MBUS_CTRL指令開始執行。MBUS_CTRL指令必須在每次掃描時（包括首次掃描）被調用，其作用為開啟監視隨MBUS_MSG指令啟動的任何突出消息的進程。

每次必須執行MBUS_CTRL指令，否則Modbus主設備協議將不能正確運行。

3.2 ?MBUS_MSG 指令

MBUS_MSG指令如圖6所示，用于請求啟動Modbus從站及處理應答。當EN位和“首次”輸入都為1時，MBUS_MSG指令啟動，向Modbus從站發送請求并等待應答、處理應答過程時需要多次掃描。EN輸入端必須打開以開啟請求的發送，保持直到“完成”位被置位。

注意，MBUS_MSG指令每次只能激活一條。如果啟用多條指令，則只執行第一條MBUS_MSG指令，之后所有MBUS_MSG指令將被禁止并產生錯誤代碼6。由于ABB 35kV開關柜通訊器中信息的存儲地址不連續，實際編程時調用了兩條MBUS_MSG指令，為了避免錯誤采用了循環指令，保證在同一時刻只有一個MBUS_MSG指令處于運行狀態。

將以上兩個“MBUS_CTRL”和“MBUS_MSG”指令加入事先已編好的以太網程序中，再根據已設置好的存儲器地址將所有信息一一儲存起來，通過硬件的連接，就可以與1500V開關柜和35kV開關柜進行同步實時通訊。

4 ?結 ?論

本文通過實驗調試，實現了1500V開關柜和35kV開關柜的狀態信息的顯示監測，證實此組網方案切實可行，滿足設計要求，實現了變電所內主要設備的綜合監控，大大提高了人工工作效率，減少了設備的故障率。在城市軌道交通供電系統中，基于TCP/IP通訊協議與Modbus-RTU通訊協議，實現了S7-200在工業以太網中與Modbus網絡同步通訊的應用。

參考文獻：

[1] 蔡忠勇.現場總線與工業以太網產品手冊 [M].北京：機械工業出版社，2007.

[2] 崔堅.西門子工業以太網絡通信指南 [M].北京：機械工業出版社，2005.

[3] 西門子.SIMATIC S7-200系統手冊 [Z/OL].[2019-07-04].https：//search.siemens.com/en/？lang=zh&site=siemens_c_cn&q=SIMATIC%20S7-200&lr=lang_zh&collapse=true&class=search%2Cbanner%2Ctext&_charset=UTF-8.

作者簡介：胡銘立（1981-），男，漢族，山西太原人，高級工程師，學士學位，研究方向：電氣工程。