關(guān)鍵詞：
ModBus協(xié)議
PKS
CP341
摘要：通訊的實(shí)施是工業(yè)領(lǐng)域各控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，本文從公司控制系統(tǒng)應(yīng)用的角度出發(fā)，主要提供了一種利用Siemens CP341模塊實(shí)現(xiàn)MODBUS協(xié)議串口通訊的方法和設(shè)計(jì)思路,來(lái)解決公司使用Siemens S7 300/400系列PLC與霍尼韋爾 PKS 控制系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用來(lái)證明這種協(xié)議通訊時(shí)的穩(wěn)定性與可靠性。
1、引言
我司的控制系統(tǒng)由多種控制系統(tǒng)組成，不僅有集控室的PKS系統(tǒng)，還有其他的輔助控制系統(tǒng)，例如輸煤、包裝、水處理、污泥脫水機(jī)的PLC控制系統(tǒng)等。我司的主導(dǎo)控制系統(tǒng)是霍尼韋爾公司的PKS控制系統(tǒng)，但隨著煤氣化裝置不斷的改進(jìn)，增加了許多的包單元控制系統(tǒng)，這些包單元控制系統(tǒng)主要是西門(mén)子系列的PLC控制系統(tǒng)。包單元控制系統(tǒng)顧名思義是獨(dú)立的控制系統(tǒng)，不能集中控制。基于此前提需要對(duì)包單元系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)控來(lái)降低操作強(qiáng)度，從而提高監(jiān)控水平。
2、Modbus協(xié)議
所謂協(xié)議是主設(shè)備與從設(shè)備之間的通訊規(guī)則。若Modbus 協(xié)議置入通訊接口,則所有通訊都是透明的。要實(shí)現(xiàn)DCS 和PLC 的數(shù)據(jù)通信的各種功能只需要找出對(duì)應(yīng)的功能碼并且按照特定的幀格式去處理。可見(jiàn), Modbus網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的存在使得PLC系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)的通信非常方便, 這兩種系統(tǒng)只要有串口通訊模塊和相應(yīng)的通訊協(xié)議就可以了。
用戶只需要根據(jù)功能碼寫(xiě)出特定的信息格式, 而不需要在乎是什么系統(tǒng)。這就是為什么說(shuō)所有通訊過(guò)程對(duì)于使用者而言都是透明的原因。
3、硬件設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)與公司主控制系統(tǒng)PKS進(jìn)行了改造，實(shí)現(xiàn)了以PKS為主站，PLC為從站的集成監(jiān)控系統(tǒng)。接下來(lái)結(jié)合BGL氣化爐PKS主控制系統(tǒng)與污泥脫水機(jī)PLC控制系統(tǒng)實(shí)例來(lái)進(jìn)行探討,同時(shí)通過(guò)輸煤累計(jì)流量的實(shí)例提供一種高數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶幚砑记伞?/p>
由于兩個(gè)系統(tǒng)的CPU距離較遠(yuǎn)，所以在數(shù)據(jù)傳輸上采用光纖避免數(shù)據(jù)的丟包和干擾現(xiàn)象發(fā)生。主要涉及到的硬件有：CP341、光電轉(zhuǎn)換器、光端盒、MOXA、DP電纜、單模光纜。
3.1 PLC硬件組態(tài)
西門(mén)子PLC下位機(jī)編程軟件用的是博途V12 ，首先進(jìn)行硬件組態(tài)，在7槽添加CP 341 RS422/485卡件，如圖3-2所示：
作為從站的PLC需要對(duì)數(shù)據(jù)交換的地址進(jìn)行定義，這樣才能和PKS控制系統(tǒng)的地址一一對(duì)應(yīng)而進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。我們?cè)趯?duì)卡件組態(tài)后需要對(duì)CP341卡件的屬性進(jìn)行設(shè)置，在這里要關(guān)注的是四個(gè)函數(shù)代碼：
（1）FC01、05和15是第一組代碼，其功能具備讀寫(xiě)開(kāi)關(guān)量的功能；
（2）FC02是第二組代碼，其功能具備只讀開(kāi)關(guān)量的功能；
（3）FC03、06、16是第三組代碼，其功能具備只讀模擬量的功能；
（4）FC04是第四組代碼，其功能具備讀寫(xiě)模擬量的功能。
3.2 PKS硬件配置
PKS系統(tǒng)使用MOXA實(shí)現(xiàn)ModBus協(xié)議的通訊，通訊中主要的變量和控制信息由4～20mA傳送，采用半雙工的通信方式。須先在MOXA上進(jìn)行配置Network seting后，再?gòu)腎E瀏覽器的地址欄輸入其IP來(lái)打開(kāi)MOXA主頁(yè)，從而更加方便地對(duì)其它項(xiàng)進(jìn)行配置。
1）Network seting網(wǎng)絡(luò)設(shè)置
IP address：IP地址（10.10.16.163）
Netmask ：掩碼（255.255.255.0）
Gateway ：網(wǎng)關(guān)（10.10.16.254）
2）Serial set串口設(shè)置
Select port選擇端口（2）
Baud rate波特率：（9600）
Data bit數(shù)據(jù)位：（8）
Stop bit停止位：（1）
Parity奇偶校驗(yàn)（Event偶校驗(yàn)）
Interface接口：（RS-485 2wire）
3）Op mode set輸出模式設(shè)置
Select mode選擇模式：（TCP Server）
4、程序設(shè)計(jì)
程序的設(shè)計(jì)涉及到PLC和PKS兩套系統(tǒng)通訊程序段的設(shè)計(jì)以及相互之間數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的地址定義的規(guī)劃，最終實(shí)現(xiàn)主站對(duì)從站的監(jiān)控作用。PLC通訊程序段的編寫(xiě)中最關(guān)鍵的是對(duì)MODB_341功能塊的編寫(xiě)，其功能塊的正常運(yùn)行直接影響整條鏈路的數(shù)據(jù)交換。
4.1 MODB_341功能塊的使用
圖4-1是調(diào)用的MODB_341功能塊，在這功能塊每一個(gè)管腳的應(yīng)用都很重要，具體功能見(jiàn)表4-1。CP卡初始化正常后，CP_START,CP_START_FM和CP_START_OK為1信號(hào)，否則CP_START_ERROR為1，同時(shí)可以從ERROR_NR察看錯(cuò)誤信息，也可以在硬件組態(tài)中在線后的CP341的診斷緩沖區(qū)察看詳細(xì)的錯(cuò)誤信息。錯(cuò)誤信息對(duì)照和處理方式可以參考《S7-300以用于PtP CP Modbus協(xié)議RTU格式S7的可裝載驅(qū)動(dòng)程序從站》的手冊(cè)。
圖4-1 MODB_341引腳圖
在這里要強(qiáng)調(diào)一下LADDR，它是硬件組態(tài)中CP341的起始邏輯地址，尋找這個(gè)地址是在硬件組態(tài)中找到CP341卡件后在屬性中的I/O地址中看到的的起始地址。
表4-1 引腳功能表
4.2 數(shù)據(jù)交換程序地址的規(guī)劃
當(dāng)通訊模塊編寫(xiě)完成后需對(duì)數(shù)據(jù)交換地址進(jìn)行定義，然后調(diào)用地址內(nèi)的數(shù)據(jù)參與邏輯運(yùn)算及程序的編寫(xiě)。
數(shù)據(jù)交換方式分為數(shù)字量只讀、數(shù)字量讀寫(xiě)、模擬量只讀、模擬量讀寫(xiě)四種數(shù)據(jù)交換方式；只讀的定義是指PKS讀PLC的數(shù)據(jù)；讀寫(xiě)的定義是指PKS不僅可以讀PLC的數(shù)據(jù)，也可以向PLC寫(xiě)數(shù)據(jù)。（注：PKS為主站，PLC為從站）
在氣化PKS系統(tǒng)與污泥脫水機(jī)PLC系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換中模擬量只讀數(shù)據(jù)調(diào)用的數(shù)據(jù)塊是DB11，數(shù)據(jù)類型為real；模擬量讀寫(xiě)數(shù)據(jù)調(diào)用的數(shù)據(jù)塊是DB8，數(shù)據(jù)類型為real；數(shù)字量只讀數(shù)據(jù)調(diào)用地址段為M210.0～M212.4；數(shù)字量讀寫(xiě)數(shù)據(jù)調(diào)用地址段為M213.0～M213.7。詳見(jiàn)圖4-2。
圖4-2 DB模塊圖
4.3 QuickBuilder組態(tài)
4.3.1 創(chuàng)建通道
創(chuàng)建通道時(shí)主要配置參數(shù)如下：
Type：通道類型Modbus Channel
Name：通道名（WN_CHANNEL）
Port Type：端口類型（Terminal Server）
Protocol：協(xié)議（ModbusRTU）
Terminal ServerTCP Host Name：
MOXA的IP地址（10.10.16.163）
Terminal ServerTCP Port No.：
MOXA端口號(hào)（4002）
其中TerminalServer TCP Port No取決于通訊所用MOXA的哪個(gè)端口，使用第一個(gè)端口則為4001，使用第二個(gè)端口則為4002，共四個(gè)端口可供選用。
4.3.2 激活通道
打開(kāi)Station，點(diǎn)擊Configure菜單下System HardwareControllerInterfancesChannels，點(diǎn)擊WN_CHANNEL后，勾選Enable并觀察%Errors，若低于0且MOXA Port 2狀態(tài)燈為橙色不斷地閃爍，則說(shuō)明通道創(chuàng)建并連接成功。若MOXAPort 2狀態(tài)燈一直為橙色不閃爍，則說(shuō)明信號(hào)線接反了。
4.3.3 創(chuàng)建控制器
創(chuàng)建控制器時(shí)主要配置參數(shù)如下：
Type：控制器類型（Modbus Controller）
Name：控制器名（WN_CON01）
Channel Name：通道名（WN_CHANNEL）
Data Table：數(shù)據(jù)類型（Holding Register）
PLC Station ID：PLC從站地址（2）
4.3.4 創(chuàng)建點(diǎn)
Quick Builder可創(chuàng)建以下三種用途的點(diǎn)：僅從PLC讀取數(shù)據(jù)；從PLC讀取數(shù)據(jù)并寫(xiě)入CM；從CM讀取數(shù)據(jù)并寫(xiě)入PLC。后兩種情況，需使用算法Algo 68-Action Value Transportion，PV與SP量程必須一致，且掃描周期不能為0。另外從PLC讀取數(shù)據(jù)并寫(xiě)入CM，SP DestAddress不填；從CM讀取數(shù)據(jù)并寫(xiě)入PLC，SP Dest Address必須與SP Source Address一致。
5、高數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶幚?/strong>
以輸煤皮帶累計(jì)流量為例，因輸煤上煤量較大，皮帶秤累積量也會(huì)很大，而16位整型數(shù)據(jù)格式的最大數(shù)據(jù)范圍為0～65535，故不能滿足實(shí)際應(yīng)用，則采用32位整型數(shù)據(jù)格式進(jìn)行通訊。
Modbus協(xié)議是以字為單位的，一個(gè)地址占一個(gè)字，即一個(gè)16位寄存器。16位整型數(shù)據(jù)只需一個(gè)地址，32位整數(shù)由2個(gè)16位寄存器整合而成，需要2個(gè)連續(xù)地址，且有高低位之分，PLC、DCS組態(tài)必須一致。通常組態(tài)指定奇數(shù)地址，默認(rèn)使用＋1地址，因此＋1地址不可再次指定。若再次指定，通訊數(shù)據(jù)交叉，造成SCADA點(diǎn)的SP值會(huì)不斷地漂動(dòng)。
PLC用整型INT接收數(shù)據(jù)，再根據(jù)奇數(shù)地址和+1地址整合出32位整數(shù)。而INT的范圍是-32768～32767，不能接收32768～65535區(qū)間的數(shù)據(jù)，組態(tài)時(shí)要擴(kuò)大INT范圍至0～65535，與Modbus一致。
5.1 數(shù)據(jù)傳輸方法
整合值計(jì)算方法：高位×65536＋低位
1）奇數(shù)地址傳送低位，＋1地址傳送高位
2）奇數(shù)地址傳送高位，＋1地址傳送低位
5.2 擴(kuò)大PLC整型INT范圍
PLC基本數(shù)據(jù)類型INT的范圍-32768～32767是不能改變的。Modbus通訊時(shí)16位寄存器的范圍是0～65535，會(huì)造成INT不能接收32768～65535區(qū)間的數(shù)據(jù)，在該區(qū)間的數(shù)據(jù)會(huì)減去65536后顯示為負(fù)值。所以通過(guò)判斷接收值的正負(fù)而間接擴(kuò)大INT的范圍至0～65535：如果接收值為正數(shù)，則為真實(shí)值；如果接收值為負(fù)數(shù)，則加上65536后變?yōu)镸odbus所傳送的真實(shí)值。
例如：
1）低位值小于或等于32767
將138465用40003地址加U32B數(shù)據(jù)格式傳送，而138465=2×65536＋7393，則40003地址傳送低位7393，40004地址傳送高位2。
2）低位值大于32767
將237635用40003地址加U32B數(shù)據(jù)格式傳送，而237635=3×65536＋41024，41024=65536－24512，則40003地址傳送低位-24512，40004地址傳送高位3。
6、結(jié)束語(yǔ)
此種方案自投入使用以來(lái)一直都很穩(wěn)定.由此可見(jiàn),利用CP341通訊模塊和PLC軟件實(shí)現(xiàn)SIMATIC PLC與其他設(shè)備Modbus組網(wǎng)通訊,是一種行之有效的方法,具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
