化工廠DCS與PLC的Modbus通訊應用研究論文
1 裝置概況
本廠的雙螺桿擠出機控制系統(tǒng)采用西門子s 7 -300PLC，上位監(jiān)控機位于現(xiàn)場廠房內(nèi)，中央控制室的崗位操作人員不能對其監(jiān)視，為方便崗位操作人員對現(xiàn)場裝置的運行情況進行實時監(jiān)控，決定將此裝置的運行參數(shù)引入DCS控制系統(tǒng)。
Modbus協(xié)議具有數(shù)據(jù)傳輸量大、偵錯能力強、實時性好等特點，該廠的DCS系統(tǒng)和此裝置控制系統(tǒng)都有支持Modbus通訊接口，所以采用Modbus通訊方案來實現(xiàn)DCS系統(tǒng)和該控制系統(tǒng)之間的通訊功能。
2 通訊卡安裝、組態(tài)及通訊協(xié)議設(shè)置
2.1 安裝及硬件組態(tài)
安裝：CP341進行Modbus從站通訊時，需要安裝硬件狗，按照安裝說明把硬件狗插入到CP341卡的背面插槽中。針對該項目將CP設(shè)計安裝在和CPU同一機架上UR(0)，通過U型連接件將CP341和其前面的信號模塊卡連接起來，然后通過緊固螺絲將其固定在機架上，最后將24V電源線接到CP341卡的電源端子上給其供電。CP341電氣接口按照RS485接口類型方式進行連接，組成半雙工通訊，根據(jù)CP431-RS485接口定義連接4T(A)-號和11 T(B)+號接線端子。
硬件組態(tài)：通過雙擊SIMATIC MANAGER圖標進入管理器窗口，點擊窗口左面的SIMATIC300站點，在窗口的右面出現(xiàn)Hardware圖標和已組態(tài)的CPU圖標，雙擊Hardware圖標進入項目的硬件組態(tài)畫面，根據(jù)CP的實際安裝位置，在硬件目錄中選擇CP341(6ES7 341-1CH01-0AE0)通訊卡將其拖放到與CPU同一個機架UR(0)的第十個插槽，然后點擊保存和編譯按鈕對硬件組態(tài)進行保存編譯，然后將CPU硬件置于Stop位，把組態(tài)的硬件下載到CPU中。在CP341參數(shù)設(shè)置對話框的Protocol菜單中選擇MODBUS SLAVE選項，然后點擊Load drivers加載CP的驅(qū)動。
注意：首次組態(tài)通訊卡后需要編譯下載到CPU，否則在加載CP341驅(qū)動時將會加載不成功。
2.2 通訊協(xié)議設(shè)置及功能碼對應從站地址設(shè)定通訊協(xié)議設(shè)置是定義通訊時的波特率、幀特性以及從站地址，通訊雙方的協(xié)議設(shè)置一致是通訊成功的關(guān)鍵，以下是針對該廠的通訊協(xié)議設(shè)置。通訊協(xié)議方式選擇RTU(遠程終端)方式，進入CP341通訊卡的Protocol協(xié)議設(shè)置窗口，在Modbus-Slave菜單下設(shè)置從站地址為3(地址范圍1～255)，波特率選擇9600、數(shù)據(jù)位8、停止位1、奇偶校驗選擇偶校驗(even)，在Interface菜單中按照上文所說的實際連線方式，選擇操作模式為半雙工(RS485)兩線制操作模式，選擇Signal R(A)0Volt Signal R(B)5 Volt的接線方式。
功能碼對應從站地址的設(shè)定：按照該廠要求只需在DCS進行該裝置的監(jiān)視，故功能碼FC01、05、15及FC02對應的M、Q、T、C、I等數(shù)據(jù)區(qū)不需要進行設(shè)定，使用其默認值0即可。在FC03、06、16功能碼菜單下設(shè)定程序中沒有使用的基本數(shù)據(jù)塊DB7，F(xiàn)C04功能碼菜單下設(shè)定程序中沒有使用的基本數(shù)據(jù)塊DB8，在Limits菜單下MIN DB中設(shè)定DB7，MAX DB中設(shè)定DB8，來限定MODBUS訪問的數(shù)據(jù)區(qū)只是在這兩個數(shù)據(jù)區(qū)中，根據(jù)該廠的'通訊要求Modbus只需要讀取SIMATIC輸入寄存器，不需FC03功能讀取保持寄存器，DB7數(shù)據(jù)塊實際上未用。
3 程序編寫
在程序的塊文件夾里插入數(shù)據(jù)塊DB7、DB8、DB80和DB81，插入功能FC15、FC16，以下對插入到程序中新對象作用分別作介紹：DB8數(shù)據(jù)塊區(qū)是用于存放將要傳送到DCS的數(shù)據(jù)，該項目中創(chuàng)建了數(shù)據(jù)類型為WORD的20個數(shù)據(jù)字存儲區(qū)。DB80數(shù)據(jù)塊作用是作為FB80功能塊的工作數(shù)據(jù)區(qū)也稱為背景數(shù)據(jù)區(qū)，不需要進行任何設(shè)置。DB81數(shù)據(jù)塊中是存放FB80通訊功能塊的參數(shù)初始值。FC15功能是實現(xiàn)調(diào)用CP341的通訊功能塊FB80。FC16功能是實現(xiàn)將要傳送到DCS的數(shù)據(jù)通過使用MOVE傳送指令傳送到DB8數(shù)據(jù)塊里面。FC15、FC16的功能能夠被執(zhí)行需要在組織塊OB1主程序中調(diào)用。每次CPU冷啟動或暖啟動之后，都要執(zhí)行MODBUS通訊FB的初始化，通過CP_START輸入處的上升沿激活初始化，因此在組織塊OB100(CPU暖啟動)或OB101(CPU冷啟動)中添加程序。該項目中在OB100中添加如下一段程序：
AN DB81.DBX0.0 // 設(shè)置CP_START
S DB81.DBX0.0 //
A DB81.DBX0.1 // 重置 CP_START_FM
R DB81.DBX0.0 //
LADDR是CP的基址，使用硬件配置中CP的地址，該項目中地址為496。
START_TIMER定時器，定時器超時初始化，該項目中使用定時器T200，START_TIME S5Time，時間值超時初始化，該項目按照常規(guī)設(shè)置為5秒，其余參數(shù)則按其初始值設(shè)置即可。將CPU置于STOP位，把新編寫的程序全部下載到CPU中，然后再將其置于RUN位。
4 通訊測試方法及測試
測試時通過Modbus通訊測試軟件來分別充當主站、從站與PLC和DCS進行通訊，通過發(fā)送或接受報文的方式查看通訊情況是否正常。
測試軟件Mdbus32作主站和PLC進行通訊測試，電氣連接通過RS485轉(zhuǎn)RS232的轉(zhuǎn)換器連接至PC機的DB-9針串行數(shù)據(jù)口，Modbus測試軟件通訊協(xié)議設(shè)置按照PLC方進行，確保雙方的協(xié)議設(shè)置一致。設(shè)定從PLC讀取數(shù)據(jù)的Modbus起始地址及數(shù)據(jù)個數(shù)，點擊在線按鈕將通訊伙伴連接，打開測試軟件的監(jiān)視器窗口監(jiān)視讀取數(shù)據(jù)的情況。實際的通訊情況證明通訊雙方的電氣接線及通訊設(shè)置均正確，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的正確傳送，CP341通訊卡的通訊指示燈RXTX交替閃爍。
5 DCS和CP341通訊的實現(xiàn)
FBM224現(xiàn)場總線組件是I/A Series系統(tǒng)中作通訊的卡件，提供4個Modbus總線接口(RS-422和/或RS-485)，傳輸數(shù)據(jù)類型是2字節(jié)或4字節(jié)的帶符號整數(shù)或不帶符號整數(shù)，4字節(jié)單精度浮點值或二進制值，字節(jié)交換和位交換可選，據(jù)此應注意在I/A系統(tǒng)的ICC程序組態(tài)器中對通訊點的讀取要正確填寫其數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)位的長度。該項目中做主站的設(shè)置Modbus地址從1開始，對應Modbus消息幀的寄存器編號值是0，則訪問SIMATIC數(shù)據(jù)區(qū)是從數(shù)據(jù)字DB8.DBW0開始訪問此DB，更高的Modbus寄存器編號訪問此后的數(shù)據(jù)字。要保證通訊數(shù)據(jù)地址的有效性，防止出現(xiàn)通訊地址錯位。
6 結(jié)語
運行實踐證明，應用Modbus通訊實現(xiàn)DCS和PLC之間的通訊是一種方便、可行、可靠性高和低成本的方案。
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