西門子開放式IE通訊在水電站監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用
1 引言
目前國(guó)內(nèi)的水電站從最初的“集中控制、功能分散方式”到當(dāng)今流行的“全分層分布開放式運(yùn)行方式”，已全部采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)取代過去以繼電器常規(guī)控制方式，可實(shí)現(xiàn)“無人值班”(少人值守)，大大提高了水電站的自動(dòng)化水平。一般整個(gè)水電站監(jiān)控系統(tǒng)在物理上分為兩層：電站控制層和現(xiàn)地控制層。電站控制層（或稱上位機(jī)系統(tǒng)）主要用于監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)、維護(hù)，水電站運(yùn)行的監(jiān)視、操作、信息管理、遠(yuǎn)動(dòng)和優(yōu)化控制等。現(xiàn)地控制層按控制對(duì)象分散方式一般設(shè)置為機(jī)組現(xiàn)地控制單元（LCU）、開關(guān)站及公用現(xiàn)地控制單元（LCU）和閘門現(xiàn)地控制單元（LCU），現(xiàn)地控制單元（LCU）主要采用PLC完成控制對(duì)象的數(shù)據(jù)采集與處理、控制與調(diào)節(jié)、安全運(yùn)行監(jiān)視、事件順序記錄（SOE）、數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)通訊等。
2 項(xiàng)目簡(jiǎn)介
湖南銅信溪水電站裝設(shè)三臺(tái)10MW水輪發(fā)電機(jī)組，整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)采用“全分層分布開放式運(yùn)行方式”，上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)置二套操作員工作站、一套工程師工作站和一套通訊工作站，現(xiàn)地控制層設(shè)置三套機(jī)組LCU、一套開關(guān)站及公用LCU和一套閘門LCU。LCU主要采用西門子S7-300集成PROFINET接口的CPU315-2PN/DP模塊，通過編程實(shí)現(xiàn)Modbus/TCP協(xié)議與上位機(jī)系統(tǒng)通訊；同時(shí)配置相應(yīng)的數(shù)字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入模塊，完成機(jī)組、開關(guān)站、公用和閘門等設(shè)備的控制與調(diào)節(jié)。具體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
3 CPU315-2PN/DP模塊及Modbus/TCP協(xié)議
CPU315-2PN/DP是西門子2004年底推出的一款高性價(jià)比S7-300 CPU。通過集成的通信接口（MPI/DP，PN），該CPU可直接連接MPI網(wǎng)絡(luò)、Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)、開放式工業(yè)以太網(wǎng)，以及基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的新一代現(xiàn)場(chǎng)總線PROFINET。該CPU的推出，進(jìn)一步增強(qiáng)了S7-300 PLC的通信功能，使S7-300連接以太網(wǎng)的成本大大降低，并為PROFINET技術(shù)的普及提供了強(qiáng)有力支持。集成的IE/PROFINET接口支持多種通訊服務(wù)：基于PROFINET的開放通訊 (PROFINET IO, PROFINET CBA)、S7 通訊、開放式IE通訊、SIMATIC NET OPC Server和PG/OP通訊。本項(xiàng)目就是采用開放式IE通訊編程實(shí)現(xiàn)Modbus/TCP協(xié)議與水電站上位機(jī)系統(tǒng)通訊。軟硬件版本為V
Modbus/TCP協(xié)議是簡(jiǎn)單的、中立廠商的用于管理和控制自動(dòng)化設(shè)備的Modbus系列通訊協(xié)議的派生產(chǎn)品。Modbus/TCP協(xié)議是一種面向TCP連接的協(xié)議，只有在建立了TCP連接后，才能以半雙工的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。Modbus/TCP協(xié)議結(jié)構(gòu)要求請(qǐng)求和響應(yīng)帶有六個(gè)字節(jié)的前綴，具體結(jié)構(gòu)如下：
byte 0: 事務(wù)處理標(biāo)識(shí)符 –通常為 0
byte 1: 事務(wù)處理標(biāo)識(shí)符 –通常為 0
byte 2: 協(xié)議標(biāo)識(shí)符= 0
byte 3: 協(xié)議標(biāo)識(shí)符= 0
byte 4: 長(zhǎng)度字段 （上半部分字節(jié)） = 0 (所有的消息長(zhǎng)度小于256)
byte 5: 長(zhǎng)度字段 (下半部分字節(jié)) = 后面字節(jié)的數(shù)量
byte 6: 單元標(biāo)識(shí)符 (原“從站地址”)
byte 7: MODBUS 功能代碼
byte 8:寄存器地址（高字節(jié)）
byte 9:寄存器地址（低字節(jié)）
byte 10:寄存器數(shù)量（高字節(jié)，固定為0）
byte 11:寄存器數(shù)量（低字節(jié)）
byte 12:后面數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)量-----寫寄存器時(shí)有效
byte 13:寄數(shù)據(jù)1（高字節(jié)）-----寫寄存器時(shí)有效
byte 14:寄數(shù)據(jù)1（低字節(jié)）-----寫寄存器時(shí)有效
需要注意的是Modbus/TCP協(xié)議所有的請(qǐng)求都是通過端口號(hào)502發(fā)送的，而CPU315-2PN/DP模塊的端口號(hào)只能設(shè)置為2000至5000。
4 軟件實(shí)現(xiàn)
4.1 編程指令說明
在CPU315-2PN/DP這一邊，不是通過NetPro設(shè)置通訊連接，而是通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)。為了能通過用戶程序和其它與TCP/IP兼容的通訊伙伴通過開放式IE通訊實(shí)現(xiàn)交換數(shù)據(jù)，STEP7（V5.3+SP1或以上）提供了四個(gè)功能塊（FB）和一個(gè)用戶定義數(shù)據(jù)類型（UDT）用于組態(tài)連接和數(shù)據(jù)交換：
1) FB63“TSEND”：用于發(fā)送數(shù)據(jù)
2) FB64“TRCV”：用于接收數(shù)據(jù)
3) FB65“TCON”：用于建立連接
4) FB66“TDISCON”：用于斷開連接
5) UDT65“TCON_PAR”：包括組態(tài)連接屬性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
以上功能塊（FB）包含在Standard Library > Communication Blocks庫(kù)中。
開放式IE通訊只能通過TCP/IP 建立以太網(wǎng)連接，通訊是面向連接的，只有與通訊伙伴建立了連接后才能傳送數(shù)據(jù)。
要編程建立連接，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)包含UDT65“TCON_PAR”數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)快（DB）。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含建立連接所需的所有參數(shù)，需要為每個(gè)連接創(chuàng)建一個(gè)這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一個(gè)連接建立之后，將受到 CPU 的監(jiān)控，如果中間發(fā)生了中斷，則自動(dòng)嘗試重新建立連接。
4.2 程序執(zhí)行過程
整個(gè)以太網(wǎng)通訊程序分成以下五個(gè)部分：
1) 初始化
初始化程序在OB100中執(zhí)行，主要設(shè)置連接ID、CPU315-2PN/DP端口號(hào)、上位機(jī)系統(tǒng)中操作員工作站IP地址和開始等待建立連接標(biāo)志（FB65_REQ=1）。
2) 建立連接
由開始等待建立連接標(biāo)志（FB65_REQ=1）調(diào)用FB65等待上位機(jī)系統(tǒng)中操作員工作站請(qǐng)求建立連接。如果上位機(jī)系統(tǒng)中操作員工作站請(qǐng)求建立了連接，且FB65被無錯(cuò)誤執(zhí)行建立了連接（FB65_DONE=1），設(shè)置開始接收數(shù)據(jù)標(biāo)志（FB64_EN_R=1）和復(fù)位開始等待建立連接標(biāo)志（FB65_REQ=0）。如果上位機(jī)系統(tǒng)中操作員工作站沒有請(qǐng)求建立連接或請(qǐng)求建立了連接FB65執(zhí)行后有錯(cuò)誤發(fā)生，則程序不做任何處理，還是等待建立連接。
3) 接收數(shù)據(jù)
由開始接收數(shù)據(jù)標(biāo)志（FB64_EN_R=1）調(diào)用FB64開始接收數(shù)據(jù)。如果上位機(jī)系統(tǒng)中操作員工作站發(fā)送了數(shù)據(jù)，且被FB64被無錯(cuò)誤接收后（FB64_BDR=1），則調(diào)用Modbus/TCP協(xié)議處理程序（FB74）對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和處理。如果上位機(jī)系統(tǒng)中操作員工作站沒有發(fā)送數(shù)據(jù)或發(fā)生了數(shù)據(jù)FB64執(zhí)行后有錯(cuò)誤發(fā)生，則程序不做任何處理，還是等待接收數(shù)據(jù)。
4) Modbus/TCP協(xié)議處理
首先判斷接收數(shù)據(jù)數(shù)量、寄存器地址和功能碼是否正確。如果正確，則進(jìn)行讀/寫數(shù)據(jù)處理，并準(zhǔn)備正確響應(yīng)所需數(shù)據(jù)。如果錯(cuò)誤，則設(shè)置非法數(shù)據(jù)地址或非法功能碼標(biāo)志，并準(zhǔn)備錯(cuò)誤響應(yīng)所需數(shù)據(jù)。程序執(zhí)行完成后設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)標(biāo)志（FB63_REQ=1）和復(fù)位開始接收數(shù)據(jù)標(biāo)志（FB64_EN_R=0）。
5) 發(fā)送數(shù)據(jù)
由開始發(fā)送數(shù)據(jù)標(biāo)志（FB63_REQ=1）調(diào)用FB63開始發(fā)送數(shù)據(jù)。不管發(fā)送完成是否正確，只要發(fā)送數(shù)據(jù)完成了就設(shè)置開始接收數(shù)據(jù)標(biāo)志（FB64_EN_R=1）和復(fù)位發(fā)送數(shù)據(jù)標(biāo)志（FB63_REQ=0），然后開始等待接收數(shù)據(jù)。
4.3 程序塊
為了實(shí)現(xiàn)CPU315-2PN/DP與水電站上位機(jī)系統(tǒng)中操作員工作站的數(shù)據(jù)交換，PLC需要下表1所示程序塊：
程序塊 | 說明 |
OB100 | 當(dāng)CPU重新啟動(dòng)時(shí)，OB100被運(yùn)行。在該OB中設(shè)置連接ID、CPU端口號(hào)、操作員工作站IP地址和開始等待建立連接標(biāo)志。 |
OB1 | 在每個(gè)周期都運(yùn)行，主要調(diào)用以太網(wǎng)通訊控制程序（FB73）。 |
FB63 | 發(fā)送數(shù)據(jù)功能塊，由以太網(wǎng)通訊控制程序（FB73）調(diào)用。 |
FB64 | 接收數(shù)據(jù)功能塊，由以太網(wǎng)通訊控制程序（FB73）調(diào)用。 |
FB65 | 建立連接功能塊，由以太網(wǎng)通訊控制程序（FB73）調(diào)用。 |
FB73 | 以太網(wǎng)通訊控制程序，用于實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的通訊控制。 |
FB74 | Modbus/TCP協(xié)議處理程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷、處理并準(zhǔn)備上傳所需數(shù)據(jù)。 |
DB1 | 用于存放遠(yuǎn)方遙控?cái)?shù)據(jù)，從操作員工作站寫入的遙控?cái)?shù)據(jù)保存在該DB中。 |
DB2 | 用于存放遠(yuǎn)方遙調(diào)數(shù)據(jù)，從操作員工作站寫入的遙調(diào)數(shù)據(jù)保存在該DB中。 |
DB5 | 用于存放遙信數(shù)據(jù)，操作員工作站讀取的遙信數(shù)據(jù)保存在該DB中。 |
DB6 | 用于存放遙測(cè)數(shù)據(jù)，操作員工作站讀取的遙測(cè)數(shù)據(jù)保存在該DB中。 |
DB7 | 用于存放定值數(shù)據(jù)，操作員工作站讀取/寫入的定值數(shù)據(jù)保存在該DB中。 |
DB8 | 用于存放SOE數(shù)據(jù)，操作員工作站讀取的SOE數(shù)據(jù)保存在該DB中。 |
DB83 | FB73與操作員工作站1通訊背景數(shù)據(jù)塊。 |
DB84 | FB73與操作員工作站2通訊背景數(shù)據(jù)塊。 |
DB105 | 具有2個(gè)UDT65連接屬性的數(shù)據(jù)塊，該DB封裝了與操作員工作站1、2通訊的參數(shù)。 |
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