基于Modbus 協(xié)議的橫河DCS與SIEMENS PLC 系統(tǒng)通信

沈韋霖 吳明生 陳錫銀 張 斌 祁建軍 陳 明

（甘肅銀光聚銀化工有限公司）

某生產(chǎn)線采用橫河CENTUM CS3000 DCS，而與其配套的冷凍機(jī)組裝置則采用SIEMENS PLC系統(tǒng)進(jìn)行控制。橫河DCS包括1臺(tái)工程師站、3臺(tái)操作員站和1個(gè)控制站；SIEMENS PLC系統(tǒng)包含1臺(tái)上位機(jī)和3臺(tái)PLC機(jī)柜（SIEMENS CPU 312），由上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控。 現(xiàn)因控制系統(tǒng)優(yōu)化，需實(shí)現(xiàn)PLC系統(tǒng)與DCS的數(shù)據(jù)通信，由橫河DCS對(duì)冷凍機(jī)組裝置進(jìn)行控制。

1 通信協(xié)議

SIEMENS PLC系統(tǒng)與橫河DCS間采用Modbus協(xié)議進(jìn)行通信。 Modbus是一種主從模式的通信協(xié)議，通過(guò)主站發(fā)送請(qǐng)求，從站返回應(yīng)答，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳 輸， 協(xié) 議 包 括RTU、ASCII 和TCP3 種。 其 中Modbus-RTU協(xié)議在DCS與PLC通信時(shí)最為常用，也是筆者將要采用的協(xié)議，該協(xié)議利用特定格式的報(bào)文進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，報(bào)文格式如圖1所示。

圖1 Modbus-RTU協(xié)議報(bào)文說(shuō)明

圖1中報(bào)文的意思是把數(shù)據(jù)0x0017 （十進(jìn)制23）寫(xiě)入1號(hào)從機(jī)0x0001數(shù)據(jù)地址內(nèi)。 其中從機(jī)地址為每個(gè)從站的專(zhuān)用地址，不可重復(fù)；功能號(hào)根據(jù)實(shí)際需求選取，06指寫(xiě)單個(gè)保持寄存器； 數(shù)據(jù)地址為從站將要存放數(shù)據(jù)的地址；數(shù)據(jù)指要傳輸?shù)膬?nèi)容，用十六進(jìn)制表示；CRC校驗(yàn)即循環(huán)冗余校驗(yàn)，是驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸是否正確的校驗(yàn)功能碼。

2 硬件

2.1 Modbus通信模塊

3 臺(tái)PLC 機(jī) 柜 均 配 備 有CP341 通 信 模 塊。CP341模塊是SIEMENS S7-300/400系列PLC中的串行通信模塊。 CP341模塊可以與各種SIEMENS模塊和非SIEMENS產(chǎn)品點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。 該模塊支持Modbus-RTU協(xié)議。

橫河DCS 采用廠家專(zhuān)用串行通信模塊ALR121，該模塊也支持Modbus-RTU協(xié)議，模塊接線端子說(shuō)明見(jiàn)表1。

表1 ALR121模塊接線端子說(shuō)明

2.2 硬件平臺(tái)搭建

以橫河DCS作為主站，SIEMENS PLC作為從站，主站發(fā)出請(qǐng)求，接收從站返回的數(shù)據(jù)。ALR121模塊具有二線制和四線制接法，其中二線制為半雙工通信，也是筆者所采用的接法，如圖2所示，圖中左側(cè)為橫河DCS端接線， 其中引腳RX+與RX-之間需加120 Ω的跨接電阻R1， 另一側(cè)連接到所通信設(shè)備的相應(yīng)通信端子即可［1，2］。

圖2 ALR121模塊二線制接線圖

系統(tǒng)總體硬件網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。 操作站通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與橫河DCS連接，每塊ALR121模塊集成了兩路通信接口， 故配置兩塊ALR121模塊，通過(guò)屏蔽雙絞線與3套PLC從站連接，每個(gè)從站均由電源模塊PS307、CPU 312和通信模塊CP341組成。

圖3 總體硬件網(wǎng)絡(luò)圖

3 軟件

3.1 PLC組態(tài)

3.1.1 硬件模塊添加

PLC編程采用SIEMENS的STEP7軟件。 為實(shí)現(xiàn)CP341模塊Modbus-RTU從站通信功能，需同時(shí)安裝CP341模塊通信插件CP PtP Param和Modbus從站的驅(qū)動(dòng)程序CP PtP Modbus Slave 。 插件安裝完成后，打開(kāi)STEP7軟件新建項(xiàng)目，進(jìn)入硬件配置界面， 在規(guī)定的卡槽位置依次添加電源模塊PS307、CPU 312和通信模塊CP341，添加完成后的界面如圖4所示。

圖4 PLC系統(tǒng)硬件配置界面

3.1.2 設(shè)置Modbus從站

點(diǎn)擊CP341通信模塊， 進(jìn)入?yún)?shù)配置界面，在該界面左上角的Protocol 欄中選擇Modbus Slave將PLC設(shè)置為從站，設(shè)置完成后的界面如圖5所示。

3.1.3 通信參數(shù)設(shè)置

雙擊圖5Protocol下的信封圖標(biāo)進(jìn)入Modbus-Slave參數(shù)配置界面（圖6），配置從站地址為2，另外兩臺(tái)PLC從站地址分別為3和4； 然后配置比特率9 600，數(shù)據(jù)位8，停止位1，奇偶校驗(yàn)位none。

圖5 Modbus Slave從站配置圖

圖6 CP341參數(shù)配置界面

3.1.4 編寫(xiě)通信程序

打開(kāi)軟件OB1編程界面， 從庫(kù)中調(diào)用Modbus從站功能塊DB80（圖7），根據(jù)通信內(nèi)容設(shè)置模塊各引腳參數(shù)，模塊接線端子說(shuō)明見(jiàn)表2。

圖7 Modbus從站功能塊DB80

表2 Modbus從站功能塊DB80接線端子說(shuō)明

3.2 橫河DCS組態(tài)

3.2.1 硬件模塊添加

打開(kāi)橫河DCS編程軟件，添加ALR121通信模塊，如圖8所示。

圖8 添加ALR121通信模塊

3.2.2 通信參數(shù)設(shè)置

選擇串口通信協(xié)議為Modbus，進(jìn)入?yún)?shù)配置界面（圖9）設(shè)置參數(shù)，比特率為9 600，數(shù)據(jù)位為8，停止位為1，奇偶校驗(yàn)位為none。 此處通信參數(shù)設(shè)置應(yīng)與PLC從站一致。同時(shí)，設(shè)置接線方式為二線制［3］。

圖9 ALR121參數(shù)配置界面

3.3 系統(tǒng)調(diào)試

觀察ALR121通信模塊上接收、發(fā)送指示燈狀態(tài)是否正常。 在編程軟件中調(diào)出Process Report，觀看數(shù)據(jù)發(fā)送情況，如果顯示為“1”，則表示有數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)來(lái)。在橫河DCS軟件中繪制流程界面（圖10），顯示數(shù)據(jù)讀取成功［4］。

圖10 流程界面

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際問(wèn)題，以Modbus-RTU作為通信協(xié)議，通過(guò)硬件設(shè)計(jì)、平臺(tái)搭建、軟件組態(tài)、 通信編程， 闡述了橫河DCS與SIEMENS PLC系統(tǒng)的通信過(guò)程。通信方案實(shí)施后，可直接通過(guò)橫河DCS遠(yuǎn)程對(duì)現(xiàn)場(chǎng)冷凍機(jī)組設(shè)備進(jìn)行控制，彌補(bǔ)了PLC就地控制的不足， 減輕了人力勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)生產(chǎn)線的平穩(wěn)運(yùn)行有重大意義。