淺析DCS與PLC通信

彭 凱

（岳陽林紙股份有限公司，湖南岳陽，414002）

科技的進步、現代工業的飛速發展，不斷促進自動化控制技術和通信技術的創新發展。工廠自動化水平和電子通信水平得到進一步的提高，越來越多的現代化企業廣泛應用DCS系統完成生產線的控制和操作，由于生產設備供應廠商不同，需要整合其他控制系統數據來實現DCS對整個生產線所有設備的狀態監測控制和操作。本文就岳陽林紙股份有限公司岳陽分公司化機漿事業部化機漿2#線PRC工段（以下簡稱化機漿2#線）的控制系統，介紹DCS系統與PLC系統如何實現通信。

1 控制系統介紹

化機漿2#線為岳陽林紙2001年引進的奧地利安德里茨（Andritz）公司PRC-APMP制漿生產線。PM8紙機為美卓（現維美德）紙機，兩條生產線的DCS均采用METSO DNA系統。

化機漿2#線有5臺盤磨機，分別為一段高濃磨、二段高濃磨、雙盤磨及渣漿磨，其控制均由安德里茨的Refiner Commander盤磨PLC控制系統控制。一、二段高濃磨的控制系統為西門子PLC S7-400；雙盤磨及渣漿磨的控制系統為西門子PLC S7-300。

DCS與PLC之間數據交換是采用Profibus DP通信協議。由于DCS和PLC系統均為通信主站，故通信是通過DP/DP耦合器來實現的。DCS與PLC通信對于化機漿2#線至關重要。一段盤磨PLC與DCS系統間通信具體介紹如下。

2 硬件組態

2.1 DCS系統側硬件組態

DCS側有一臺LINK站，LINK站下掛7個DP/DP耦合器用于盤磨控制系統通信。DP1、DP2用于和一段高濃磨通信；DP3、DP4用于和二段高濃磨通信；DP5用于和3#雙盤磨通信，DP6用于和4#雙盤磨通信、DP7用于和渣漿磨通信。

DCS側DP1組態116字節（bytes）（16×7+4）輸入和128字節（bytes）（16×8）輸出；DCS側DP2組態180字節（bytes）（16×11+4）輸入和64字節（bytes）（16×4）輸出。

2.2 PLC側硬件組態

盤磨PLC S7-400控制系統，由遠程I/O從站，Profibus現場總線和觸摸屏組成。S7-400系統使用是CPU 416-2，它集成了Profibus DP接口，連接到ET200S的遠程I/O模塊。通過DP/DP耦合器連接到DCS系統。現場觸摸屏通過MPI連接到CPU上。CPU下掛兩個DP/DP耦合器，DP3（對應于DCS側DP1）、DP4（對應于DCS側DP2）。耦合器DP3 PLC側組態硬件地址從PQW512到PQW627共58字（words）=116字節（bytes）（16×7+4）輸出，組態硬件地址從PIW512到PIW639共64字（words）=128字 節（bytes）（16×8）輸入。耦合器DP4 PLC側輸出組態硬件地址PQW640到PQW767和PQW768到PQW819共90（=64+26）字（words）=180字節（bytes）輸出，耦合器DP4 PLC側輸入組態硬件地址PIW640到PIW703共32字（words）=64字節（bytes）輸入。

3 程序實現

以下根據《Andritz盤磨控制系統手冊S3000-Re?vision 0》對程序實現進行介紹。

3.1 PLC側DP1對程序塊DP_COUPLING（FB76）的調用

接口方框圖如圖1所示。

圖1 接口方框圖Fig.1 Block schematic of interface

3.2 數據傳輸工作原理

3.2.1 數據從S7到DP/DP耦合器傳送①過程數據寫入作為連續數據庫的DB500中。

②寫數據區域數據位X.0作為一個“HEAT?BEAT”信號（2 s間隔）；數據位X.1是一個“AL?WAYS ON”的信號。

③寫入數據區域復制到用于連接DP/DP-耦合器的S7 PLC的輸出Axxx外圍區域。字節被交換（低字節和高字節交換）。

3.2.2 數據從DP/DP耦合器到S7傳送

從用于連接DP/DP-耦合器的S7 PLC的輸入Exxx外圍區域讀取數據。讀取的數據字節被交換（低字節和高字節交換）。

檢查數據位X.0（“HEATBEAT”）信號和數據位X.1（“ALWAYS ON”）信號，如果沒有檢測到脈沖信號或者“ALWAYS ON”信號為0，則為通信總線故障，默認的數據就會送到讀數據區域。

3.3 功能塊介紹

圖2為功能塊。

圖2 功能塊Fig.2 Function block of interface

輸入Inputs：

PIW_BEG：硬件組態中的輸入起始地址

PIW_RANGE：從DP/DP耦合器中讀數據“字”的數量（最大244字節）

PQW_BEG：硬件組態中的輸出起始地址

PQW_RANGE：DP/DP耦合器中寫入數據“字”的數量（最大244字節）

TAKE_DEF：如果為1-則復制默認值

NO_FUNCT：如果為1-則沒有數據交換建立連接

DB_NAME：數據塊名稱（例如：DB500）

DB_D_BEG：默認值數據塊起始地址（按字節算）

DB_I_BEG：讀入數據起始地址（按字節算）DB_Q_BEG：寫出數據起始地址（按字節算）SWAP_BYTE：交換高低字節

輸出Outputs：

FIX_DP：來自發送站的數據位X.1（“ALWAYS ON”）信號

HEARTBEAT_IN：來自發送站的位X.0（脈沖信號）

HEARTBEAT_OUT：數據位X.0（脈沖信號）發送給其他站

BUS_FAULT：檢測到通信總線故障

3.4 PLC側具體程序實現

與上文中PLC側硬件組態一致，輸入地址從PIW512開始，長度為64個字（Words）；輸出地址從PQW512開始，長度為58個字（Words）。所有輸入輸出的數據均存放在DB500里，對應輸入地址從DB500.DBX300.0開始，對應輸出地址從DB500.DBX0.0開始。

PLC側DP2調用了程序塊DP_COUPLING，與PLC側硬件組態一致，輸入地址從PIW640開始，長度為32個字（Words）；輸出地址從PQW640開始，長度為90個字（Words）。所有輸入輸出的數據均存放在DB500里，對應輸入地址從DB500.DBX1300.0開始，對應輸出地址從DB500.DBX1000.0開始。

4 DCS系統與PLC系統通信實例

4.1 數據由PLC傳送給DCS實例

圖3為DCS輸入塊。如圖3所示，一段磨功率信號20EI-4108為輸入信號，其通信地址為：Profibus I/O 2:2:82，“Profibus I/O”為現場總線輸入/輸出，第1個數字“2”為FBC地址，即DCS系統現場總線控制器FBC地址；第2個數字“2”表示對應的DP/DP耦合器DCS側的地址，也就是DP2；第3個數字“82”，表示第82個字節；Profibus I/O 2:2:82表示現場總線控制器FBC所帶的DP2從站的第82個字節。DNA scale為一段磨功率量程0～22.7 MW對應的輸入字的量程0～27648。

圖3 DCS輸入塊Fig.3 Input block of DCS

一段磨功率信號在PLC側對應為輸出信號，由于上文DP2中“對應輸出地址從DB500.DBX1000.0開始”，所以其對應的地址就應該在1000的起始地址上加82，即DB500.DBW(1000+82)也就是DB500.DBW1082。

4.2 數據由DCS送給PLC實例

DCS程序里，側喂料功率信號20EI-4004為輸出信號，其通信地址為：Profibus I/O 2:1:106，第1個數字“2”為FBC地址，為DCS系統現場總線控制器FBC地址；第2個數字“1”表示對應的DP/DP耦合器DCS側的地址，也就是DP1；第3個數字“106”，表示第106個字節；Profibus I/O 2:1:106表示現場總線控制器FBC所帶的DP1從站的第106個字節。

在PLC側對應的地址如下，由于前文DP1中“對應輸出地址從DB500.DBX300.0開始”，所以其對應的地址就應該在300的起始地址上加106，即DB500.DBW(300+106)也就是DB500.DBW406。

5 確保DCS與PLC通信穩定可靠工作的措施與優化

通過長期對DCS系統與PLC系統的維護，保持通信可靠運行。筆者認為有必要做好以下幾方面的工作。

①PROFIBUS總線電纜接線布線要規范，屏蔽層牢靠（本項目中由于通信距離不長，采用雙絞線連接）。

在將PROFIBUS總線電纜屏蔽層壓在DP插頭的金屬部分時，特別需要注意屏蔽層不要剝開的太長，否則會暴露在空間中，成為容易受干擾的點。

②PROFIBUS總線電纜的屏蔽層在進出機柜時，均應該進行屏蔽層接地處理；屏蔽層應該保證與接地銅排大面積接觸。

③每個PROFIBUS插頭上，都內置了終端電阻，需要時可以接入（On）和切除（Off）。當終端電阻設置為“On”時，表示一個物理網段的終結，因此連接在出線端口“Out”后面的網段的信號也將被中斷。因此，在每個物理網段兩個終端站點上的插頭，需要將網線連接在進線口“In”，同時將終端電阻設置為“On”，而位于網段中間的站點，需要依次將網線連接在進線口“In”和出線口“Out”，同時將終端電阻設置為“Off”[1]。

④PROFIBUS DP接線必須要按照DP接線要求來完成，接線要牢固，不得露銅露絲，DP線內屏蔽層要與DP頭有可靠良好的接觸[2]。

6 結語

通過PLC與DCS系統之間的通信，整合其他控制系統數據，實現DCS對整個生產線所有設備的狀態監測控制和操作。化機漿2#線運行20年來，PLC與DCS之間的信息傳輸，采用PROFIBUS DP通信性能穩定，技術可靠，已經成為當今自動化應用領域信號交換的主要手段。