基于Modbus_TCP協(xié)議的S7-1200與JX-300 DCS系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通訊與實(shí)現(xiàn)

張志娟

(河南化工技師學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院 河南 開封:475000)

化工生產(chǎn)工況復(fù)雜,所用設(shè)備的廠家和型號(hào)也很多,在不同廠家的設(shè)備之間安全地實(shí)現(xiàn)信號(hào)互相通信顯得極其重要。DCS和PLC是當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)過程的兩大重要控制設(shè)備,在生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)兩者之間的信號(hào)通信將是不可避免需要解決的問題。浙江中控使用PLC來采集化工生產(chǎn)過程中的現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào),然后將信號(hào)傳輸給中控DCS進(jìn)行信息及集中監(jiān)控。本文以Modbus_TCP協(xié)議在浙江中控JX-300DCS和S7-1200PLC之間的應(yīng)用為例,詳細(xì)介紹了通過采用Modbus_TCP 協(xié)議在 S7-1200PLC編程軟件中創(chuàng)建服務(wù)器程序與JX-300DCS進(jìn)行通信的方法。

1 主控JX-300DCS和S7-1200PLC硬件網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

浙江中控JX-300DCS的主控卡型號(hào)是XP243X,PLC采用的CPU模塊的型號(hào)為CPU 1212C DC/DC/DC,增加一個(gè)型號(hào)為SM 1231 AI8模擬量輸入模塊。現(xiàn)場(chǎng)的流量、溫度等信號(hào)有直接接到PLC模擬量輸入模塊上的,也有接到分布式I/O模塊(IO-Link)上。DCS和PLC之間通過S7子網(wǎng)(PROFINET)連接,通信采用Modbus_TCP開放式通信協(xié)議,每個(gè)設(shè)備都設(shè)有IP地址,它們需要處于同一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)且設(shè)備的IP地址不能沖突,各設(shè)備的地址及設(shè)備間的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2 PLC硬件組態(tài)及程序編寫

2.1 硬件設(shè)備組態(tài)

S7-1200PLC使用的軟件是西門子TIA Portal軟件,該軟件是一款統(tǒng)一工程組態(tài)和軟件項(xiàng)目環(huán)境的自動(dòng)化軟件[1]。本例對(duì)PLC的CPU模塊、SM1331模擬量輸入模塊、IFM的IO-Link 模塊進(jìn)行硬件組態(tài)。

打開TIA Portal軟件,添加“CPU1212CDC/DC/DC”模塊。添加AI模塊的方法是:進(jìn)入PLC的設(shè)備視圖,找到對(duì)應(yīng)訂貨號(hào)的AI模塊,雙擊進(jìn)行添加,如圖2所示。不論是CPU集成的模擬量通道,還是添加的模擬量模塊,采集數(shù)據(jù)過程中所需要的硬件組態(tài)設(shè)置方法和編程方法是類似的。以AI模塊采集數(shù)據(jù)時(shí)所使用的硬件設(shè)置方法為例,現(xiàn)場(chǎng)儀表是熱電阻傳感器,輸出信號(hào)是4～20mA電流信號(hào),在進(jìn)行硬件組態(tài)設(shè)置時(shí),該信號(hào)輸入通道的測(cè)量類型設(shè)置為電流,電流范圍設(shè)置為4～20mA,如圖3所示。

圖2 PLC設(shè)備視圖

IO-Link可以將傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),從而避免轉(zhuǎn)換過程中精度的損失[2]。AL1102自帶Profinet接口及8 Port信號(hào)接入口,這里選擇了一個(gè)溫度變送器和一個(gè)流量變送器,分別接在port1口和port7口。

先添加IO-Link模塊的GSD文件,然后進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)視圖,添加“AL1102”,需要分配的設(shè)備選擇為“PLC_1”,如圖4所示,PLC的IP地址設(shè)為128.128.1.6,IO-Link的IP地址設(shè)為128.128.1.10。進(jìn)入AL1102的“設(shè)備視圖”,在對(duì)應(yīng)PORT口位置添加PQI(循環(huán)數(shù)據(jù)),溫度信號(hào)為2BYTE,流量信號(hào)為8BYTE,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)分配輸入I區(qū)地址。如圖5所示。

圖4 PLC網(wǎng)絡(luò)視圖硬件組態(tài)

圖5 AL1102端口組態(tài)

2.2 編寫程序,完成數(shù)據(jù)的讀取

新建DB數(shù)據(jù)塊,取名為“Hold”,將數(shù)據(jù)塊屬性中的“(優(yōu)化的訪問”的“√”去掉,取消其優(yōu)化訪問設(shè)置,將每個(gè)數(shù)據(jù)的地址固定化。建立的數(shù)據(jù)塊中添加靜態(tài)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)類型為實(shí)型數(shù)組,數(shù)據(jù)編號(hào)為0～9,因?yàn)槿∠藘?yōu)化訪問設(shè)置,所以每個(gè)數(shù)據(jù)的偏移量都是固定的。Hold 數(shù)據(jù)塊主要用于存儲(chǔ)需要通過Modbus_TCP協(xié)議傳輸給DCS的數(shù)據(jù)。

2.2.1 IO-Link數(shù)據(jù)讀取

在主程序OB1中,對(duì)信號(hào)進(jìn)行程序的編寫,使用“CONV”指令將IO-Link的PORT1和PORT7傳送過來的整型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實(shí)型數(shù)據(jù),使用“MUL”指令乘以各自系數(shù)就可得到實(shí)際工程值,存儲(chǔ)在地址“hold.hold[0]”和地址“hold.hold[1]”中。其中,溫度系數(shù)為0.1,流量系數(shù)為0.01,程序如圖6所示。

圖6 IO-LINK信號(hào)轉(zhuǎn)換程序

2.2.2 模擬量輸入模塊的信號(hào)讀取

同樣,在主程序OB1中對(duì)信號(hào)進(jìn)行程序編寫,通過AI模塊采集到的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)存儲(chǔ)在IW146,使用“NORM_X”標(biāo)準(zhǔn)化模塊將采集信號(hào)的值映射到0-1之間對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。使用“SCALE_X”縮放指令將映射后的信號(hào)值轉(zhuǎn)換為工程值,此處采集的信號(hào)為溫度信號(hào),溫度傳感器輸出信號(hào)為4-20MA的電流信號(hào),對(duì)應(yīng)-50～150℃。故縮放指令的最小值設(shè)置為-50,最大值設(shè)置為150。縮放后的值就是我們熟悉的溫度值了,存儲(chǔ)在地址“hold.hold[2]”中,程序如圖7所示。

圖7 模擬量模塊信號(hào)轉(zhuǎn)換程序

2.3 在TIA-PORTAL軟件中編寫Modbus_TCP通信程序

MB_SERVER是Modbus_TCP通信的用戶程序指令,該指令處理客戶端的連接請(qǐng)求,接受處理Modbus請(qǐng)求并發(fā)送響應(yīng)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型“TCON_IP_V4”用于保存建立連接的參數(shù),由系統(tǒng)提供且結(jié)構(gòu)不可更改。我們需要手動(dòng)創(chuàng)建類型為“TCON_IP_V4”的數(shù)據(jù)塊并為其分配參數(shù),然后將數(shù)據(jù)塊直接寫入MB_SERVER指令中[3]。此處,S7-1200PLC作為服務(wù)器使用,通過用戶程序建立Modbus_TCP連接,用戶程序指令使用MB_SERVER,在程序編輯器為指令分配參數(shù)。

首先需要建立一個(gè)數(shù)據(jù)塊,取名為“TCON”,將數(shù)據(jù)塊屬性中的“(優(yōu)化的訪問”的“√”去掉,取消其優(yōu)化訪問設(shè)置,將每個(gè)數(shù)據(jù)的地址固定化。建立的數(shù)據(jù)塊中添加靜態(tài)變量,取名為“TCON”,數(shù)據(jù)類型為“TCON_IP_V4”,Interfaceid硬件標(biāo)識(shí)符為64;ID為1;ActiveEstablished設(shè)置為FALSE,建立被動(dòng)連接;ADDR地址為你需要建立通信連接的設(shè)備的IP地址(此處選擇為工程師站的PC機(jī)IP),本地端口號(hào)為502,設(shè)置界面如圖8所示。

圖8 TCON數(shù)據(jù)塊參數(shù)設(shè)置

然后,在主程序OB1中編寫通信程序,在“通信”→“其它”→“Modbus_TCP”中,選擇“MB_SERVER”功能塊,拖放到OB1程序段中。DISCONNECT端設(shè)置為“false”,無通信連接時(shí)建立被動(dòng)連接;MB_HOLD_REG指向服務(wù)器可讀取的數(shù)據(jù)區(qū),這里是數(shù)據(jù)塊HOLD;CONNECT指向建立連接的結(jié)構(gòu)參數(shù),此處為TCON數(shù)據(jù)塊的首地址,“TCON”數(shù)據(jù)塊中有建立連接的地址參數(shù)。MB_SERVER功能塊建立后,就可以將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去了。建好的通信程序如圖9所示。

圖9 MB_SERVER服務(wù)器模塊程序

3 JX-300DCS組態(tài)及編輯

3.1 在AdvMBLink內(nèi)建立數(shù)據(jù)連接

AdvMBLink是Modbus協(xié)議的外部數(shù)據(jù)組態(tài)軟件,可以與其它支持MODBUS串口通信協(xié)議的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,同時(shí)與控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。軟件本身包括了組態(tài)和運(yùn)行兩部分。通過對(duì)ModBus設(shè)備進(jìn)行位號(hào)組態(tài)后可直接與設(shè)備進(jìn)行通信測(cè)試;運(yùn)行時(shí)AdvMBLink作為后臺(tái)程序員負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的流入和流出。組態(tài)的方法步驟如下:

(1)雙擊打開“AdvMBLink”軟件,添加設(shè)備,進(jìn)行設(shè)備參數(shù)設(shè)置,如圖10。地址為1(與PLC內(nèi)的ID保持一致),通訊方式選擇為TCP,網(wǎng)址與S7-1200CPU的網(wǎng)絡(luò)地址一致,數(shù)據(jù)排列方式選擇為高字節(jié)在前。

(2)添加數(shù)據(jù)組,創(chuàng)建變量,位號(hào)類型選擇為保持寄存器,數(shù)據(jù)類型為浮點(diǎn)型,如圖11所示。變量的順序要與TIA PORTAL 軟件里數(shù)據(jù)塊HOLD中的變量順序保持一致。上下限與現(xiàn)場(chǎng)采集信號(hào)的量程保持一致。

圖10 設(shè)備參數(shù)設(shè)置圖

圖11 位號(hào)參數(shù)設(shè)置圖

(3)將創(chuàng)建好的變量保存為后綴名為.cmb的文件,并且存放到DCS的config文件夾下面。外部數(shù)據(jù)組態(tài)軟件AdvMBLink中的組態(tài)就完成了,可以連接設(shè)備進(jìn)入通信測(cè)試了,通信正常,即可接入AdvanTrol的SCTask軟件里了。

3.2 在二次計(jì)算軟件SCTask中引入外部數(shù)據(jù)組態(tài)軟件AdvMBLink的位號(hào)

二次計(jì)算組態(tài)軟件SCTask是中控AdvanTrol-pro組態(tài)軟件包的重要組成部分之一,可以組態(tài)上位機(jī)的任務(wù)、位號(hào)、事件等,在控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)二次計(jì)算功能、支持?jǐn)?shù)據(jù)的輸入輸出。在SCTask(二次計(jì)算組態(tài)軟件)中引入AdvMBLink(外部數(shù)據(jù)組態(tài)軟件)中組態(tài)的位號(hào),位號(hào)數(shù)據(jù)源選擇為Modbus數(shù)據(jù)源,組態(tài)自定義變量,定義掃描時(shí)間和循環(huán)任務(wù),完成對(duì)二次計(jì)算的組態(tài),從而實(shí)現(xiàn)與PLC的通信。具體步驟如下:

在系統(tǒng)組態(tài)界面的工具欄中點(diǎn)擊命令按鈕img id="73c2d71bd1c041b140729748376ffd87" class="inparagraph" src="images/73c2d71bd1c041b140729748376ffd87.jpg" width="33" height="25" title="width=33,height=25,dpi=110" />,進(jìn)入“操作站設(shè)置”界面,此時(shí)界面存在文件名稱為:Recompute.SUT,取一個(gè)頁(yè)標(biāo)題名,點(diǎn)擊“編輯”按鈕,進(jìn)入二次計(jì)算組態(tài)界面。

3.2.1 組態(tài)上位機(jī)位號(hào)

3.2.2 在控制站添加自定義變量

這些自定義變量相當(dāng)于中間變量,或是虛擬的位號(hào)。這里主要是為了讀取通過二次計(jì)算引導(dǎo)過來的AdvMBLink的數(shù)據(jù),也就是PLC數(shù)據(jù),如圖13所示。

圖12 二次計(jì)算位號(hào)組態(tài)界面

3.2.3 設(shè)置任務(wù)

在二次計(jì)算中,選擇“任務(wù)->循環(huán)類”選項(xiàng)卡,新建循環(huán)類任務(wù),相關(guān)事件選擇為“TRUE”,事件在每個(gè)執(zhí)行周期下必然發(fā)生。任務(wù)設(shè)置中的表達(dá)式:手動(dòng)輸入TI303(2JHJ主控卡下的自定義變量)=_TI303(默認(rèn)分組數(shù)據(jù)分區(qū)內(nèi)位號(hào)),點(diǎn)擊添加;其他變量類似,見圖14。建立好此變量后,控制站的自定義變量就與PLC的數(shù)據(jù)建立起了連接[5]。

3.3 通訊效果及演示

組態(tài)完成后,可以通過AdvMBLink的監(jiān)視功能查看數(shù)據(jù)通訊是否正常,如圖15所示,狀態(tài)欄顯示為正常,表示數(shù)據(jù)傳送成功。

DCS的監(jiān)控畫面進(jìn)行數(shù)據(jù)查看,正常情況下,監(jiān)控畫面通訊正常會(huì)顯示為數(shù)值,異常會(huì)顯示為“???”,如圖16所示,數(shù)據(jù)通訊正常。

圖15 AdvMBLink的數(shù)據(jù)通訊畫面

圖16 DCS監(jiān)控畫面

4 小結(jié)

該通訊方法基本步驟主要有三點(diǎn):

(1)在S7-1200PLC中建立Modbus_TCP通信模塊,設(shè)置通訊參數(shù);

(2)在AdvMBLink軟件中建立與PLC的數(shù)據(jù)連接,并保存為CMB文件;

(3)在AdvanTrol的SCTask軟件中通過二次計(jì)算循環(huán)的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

需要注意的是三個(gè)軟件中建立的數(shù)據(jù)變量范圍需保持一致。使用AdvMBLink軟件建立的CMB文件需要拷貝到AdvanTrol的Config目錄下。

經(jīng)過驗(yàn)證,該組態(tài)方法能夠正常實(shí)現(xiàn)信息的交互。通過PLC將現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)信號(hào)采集匯總,再通過Modbus_TCP通信協(xié)議傳輸給DCS,完成了信號(hào)的交互應(yīng)用。為工業(yè)自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)提供了可行的方案,將來會(huì)給工業(yè)生產(chǎn)提供更大便利。