關鍵詞：
ModBus協(xié)議
PKS
CP341
摘要：通訊的實施是工業(yè)領域各控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎，本文從公司控制系統(tǒng)應用的角度出發(fā)，主要提供了一種利用Siemens CP341模塊實現(xiàn)MODBUS協(xié)議串口通訊的方法和設計思路,來解決公司使用Siemens S7 300/400系列PLC與霍尼韋爾 PKS 控制系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)交換的問題，從而實現(xiàn)系統(tǒng)集成，并結合現(xiàn)場實際應用來證明這種協(xié)議通訊時的穩(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、污泥脫水機的PLC控制系統(tǒng)等。我司的主導控制系統(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，增加了許多的包單元控制系統(tǒng)，這些包單元控制系統(tǒng)主要是西門子系列的PLC控制系統(tǒng)。包單元控制系統(tǒng)顧名思義是獨立的控制系統(tǒng)，不能集中控制。基于此前提需要對包單元系統(tǒng)進行集中監(jiān)控來降低操作強度，從而提高監(jiān)控水平。
2、Modbus協(xié)議
所謂協(xié)議是主設備與從設備之間的通訊規(guī)則。若Modbus 協(xié)議置入通訊接口,則所有通訊都是透明的。要實現(xiàn)DCS 和PLC 的數(shù)據(jù)通信的各種功能只需要找出對應的功能碼并且按照特定的幀格式去處理。可見, Modbus網絡協(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的通訊協(xié)議就可以了。
用戶只需要根據(jù)功能碼寫出特定的信息格式, 而不需要在乎是什么系統(tǒng)。這就是為什么說所有通訊過程對于使用者而言都是透明的原因。
3、硬件設計
控制系統(tǒng)與公司主控制系統(tǒng)PKS進行了改造，實現(xiàn)了以PKS為主站，PLC為從站的集成監(jiān)控系統(tǒng)。接下來結合BGL氣化爐PKS主控制系統(tǒng)與污泥脫水機PLC控制系統(tǒng)實例來進行探討,同時通過輸煤累計流量的實例提供一種高數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶幚砑记伞?/p>
由于兩個系統(tǒng)的CPU距離較遠，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、光電轉換器、光端盒、MOXA、DP電纜、單模光纜。
3.1 PLC硬件組態(tài)
西門子PLC下位機編程軟件用的是博途V12 ，首先進行硬件組態(tài)，在7槽添加CP 341 RS422/485卡件，如圖3-2所示：
作為從站的PLC需要對數(shù)據(jù)交換的地址進行定義，這樣才能和PKS控制系統(tǒng)的地址一一對應而進行數(shù)據(jù)的交換。我們在對卡件組態(tài)后需要對CP341卡件的屬性進行設置，在這里要關注的是四個函數(shù)代碼：
（1）FC01、05和15是第一組代碼，其功能具備讀寫開關量的功能；
（2）FC02是第二組代碼，其功能具備只讀開關量的功能；
（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，其功能具備讀寫模擬量的功能。
3.2 PKS硬件配置
PKS系統(tǒng)使用MOXA實現(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上進行配置Network seting后，再從IE瀏覽器的地址欄輸入其IP來打開MOXA主頁，從而更加方便地對其它項進行配置。
1）Network seting網絡設置
IP address：IP地址（10.10.16.163）
Netmask ：掩碼（255.255.255.0）
Gateway ：網關（10.10.16.254）
2）Serial set串口設置
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（Event偶校驗）
Interface接口：（RS-485 2wire）
3）Op mode set輸出模式設置
Select mode選擇模式：（TCP Server）
4、程序設計
程序的設計涉及到PLC和PKS兩套系統(tǒng)通訊程序段的設計以及相互之間數(shù)據(jù)讀寫的地址定義的規(guī)劃，最終實現(xiàn)主站對從站的監(jiān)控作用。PLC通訊程序段的編寫中最關鍵的是對MODB_341功能塊的編寫，其功能塊的正常運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是調用的MODB_341功能塊，在這功能塊每一個管腳的應用都很重要，具體功能見表4-1。CP卡初始化正常后，CP_START,CP_START_FM和CP_START_OK為1信號，否則CP_START_ERROR為1，同時可以從ERROR_NR察看錯誤信息，也可以在硬件組態(tài)中在線后的CP341的診斷緩沖區(qū)察看詳細的錯誤信息。錯誤信息對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的可裝載驅動程序從站》的手冊。
圖4-1 MODB_341引腳圖
在這里要強調一下LADDR，它是硬件組態(tài)中CP341的起始邏輯地址，尋找這個地址是在硬件組態(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
當通訊模塊編寫完成后需對數(shù)據(jù)交換地址進行定義，然后調用地址內的數(shù)據(jù)參與邏輯運算及程序的編寫。
數(shù)據(jù)交換方式分為數(shù)字量只讀、數(shù)字量讀寫、模擬量只讀、模擬量讀寫四種數(shù)據(jù)交換方式；只讀的定義是指PKS讀PLC的數(shù)據(jù)；讀寫的定義是指PKS不僅可以讀PLC的數(shù)據(jù)，也可以向PLC寫數(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PLC系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換中模擬量只讀數(shù)據(jù)調用的數(shù)據(jù)塊是DB11，數(shù)據(jù)類型為real；模擬量讀寫數(shù)據(jù)調用的數(shù)據(jù)塊是DB8，數(shù)據(jù)類型為real；數(shù)字量只讀數(shù)據(jù)調用地址段為M210.0～M212.4；數(shù)字量讀寫數(shù)據(jù)調用地址段為M213.0～M213.7。詳見圖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（4002）
其中TerminalServer TCP Port No取決于通訊所用MOXA的哪個端口，使用第一個端口則為4001，使用第二個端口則為4002，共四個端口可供選用。
4.3.2 激活通道
打開Station，點擊Configure菜單下System HardwareControllerInterfancesChannels，點擊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，則說明信號線接反了。
4.3.3 創(chuàng)建控制器
創(chuàng)建控制器時主要配置參數(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
Quick Builder可創(chuàng)建以下三種用途的點：僅從PLC讀取數(shù)據(jù)；從PLC讀取數(shù)據(jù)并寫入CM；從CM讀取數(shù)據(jù)并寫入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)并寫入CM，SP DestAddress不填；從CM讀取數(shù)據(jù)并寫入PLC，SP Dest Address必須與SP Source Address一致。
5、高數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶幚?/strong>
以輸煤皮帶累計流量為例，因輸煤上煤量較大，皮帶秤累積量也會很大，而16位整型數(shù)據(jù)格式的最大數(shù)據(jù)范圍為0～65535，故不能滿足實際應用，則采用32位整型數(shù)據(jù)格式進行通訊。
Modbus協(xié)議是以字為單位的，一個地址占一個字，即一個16位寄存器。16位整型數(shù)據(jù)只需一個地址，32位整數(shù)由2個16位寄存器整合而成，需要2個連續(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點的SP值會不斷地漂動。
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)時要擴大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16位寄存器的范圍是0～65535，會造成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)會減去65536后顯示為負值。所以通過判斷接收值的正負而間接擴大INT的范圍至0～65535：如果接收值為正數(shù)，則為真實值；如果接收值為負數(shù)，則加上65536后變?yōu)镸odbus所傳送的真實值。
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、結束語
此種方案自投入使用以來一直都很穩(wěn)定.由此可見,利用CP341通訊模塊和PLC軟件實現(xiàn)SIMATIC PLC與其他設備Modbus組網通訊,是一種行之有效的方法,具有廣泛的應用價值。
