核心提示:
1 引言
目前國內(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化水平。一般整個水電站監(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)動和優(yōu)化控制等.現(xiàn)地控制層按控制對象分散方式一般設(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)目簡介
湖南銅信溪水電站裝設(shè)三臺10MW水輪發(fā)電機(jī)組,整個監(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。
圖1 湖南銅信溪水電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
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V2.3.0 或更高、帶有集成PROFINET接口的CPU,均支持開放式IE 通訊,其具有不占用CPU連接資源、最多可建立八個TCP/IP連接,完全基于開放式TCP/IP協(xié)議、可與第三方設(shè)備在以太網(wǎng)上進(jìn)行通訊等優(yōu)點(diǎn)。
Modbus/TCP協(xié)議是簡單的、中立廠商的用于管理和控制自動化設(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)要求請求和響應(yīng)帶有六個字節(jié)的前綴,具體結(jié)構(gòu)如下:
byte 0: 事務(wù)處理標(biāo)識符 –通常為 0
byte 1: 事務(wù)處理標(biāo)識符 –通常為 0
byte 2: 協(xié)議標(biāo)識符= 0
byte 3: 協(xié)議標(biāo)識符= 0
byte 4: 長度字段 (上半部分字節(jié)) = 0 (所有的消息長度小于256)
byte 5: 長度字段 (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————-寫寄存器時有效
byte 13:寄數(shù)據(jù)1(高字節(jié))————-寫寄存器時有效
byte 14:寄數(shù)據(jù)1(低字節(jié))————-寫寄存器時有效
需要注意的是Modbus/TCP協(xié)議所有的請求都是通過端口號502發(fā)送的,而CPU315-2PN/DP模塊的端口號只能設(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)提供了四個功能塊(FB)和一個用戶定義數(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,需要創(chuàng)建一個包含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),需要為每個連接創(chuàng)建一個這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一個連接建立之后,將受到 CPU 的監(jiān)控,如果中間發(fā)生了中斷,則自動嘗試重新建立連接。
4.2 程序執(zhí)行過程
整個以太網(wǎng)通訊程序分成以下五個部分:
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、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)中操作員工作站請求建立連接。如果上
目前國內(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化水平。一般整個水電站監(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)動和優(yōu)化控制等.現(xiàn)地控制層按控制對象分散方式一般設(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)目簡介
湖南銅信溪水電站裝設(shè)三臺10MW水輪發(fā)電機(jī)組,整個監(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。
圖1 湖南銅信溪水電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
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V2.3.0 或更高、帶有集成PROFINET接口的CPU,均支持開放式IE 通訊,其具有不占用CPU連接資源、最多可建立八個TCP/IP連接,完全基于開放式TCP/IP協(xié)議、可與第三方設(shè)備在以太網(wǎng)上進(jìn)行通訊等優(yōu)點(diǎn)。
Modbus/TCP協(xié)議是簡單的、中立廠商的用于管理和控制自動化設(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)要求請求和響應(yīng)帶有六個字節(jié)的前綴,具體結(jié)構(gòu)如下:
byte 0: 事務(wù)處理標(biāo)識符 –通常為 0
byte 1: 事務(wù)處理標(biāo)識符 –通常為 0
byte 2: 協(xié)議標(biāo)識符= 0
byte 3: 協(xié)議標(biāo)識符= 0
byte 4: 長度字段 (上半部分字節(jié)) = 0 (所有的消息長度小于256)
byte 5: 長度字段 (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————-寫寄存器時有效
byte 13:寄數(shù)據(jù)1(高字節(jié))————-寫寄存器時有效
byte 14:寄數(shù)據(jù)1(低字節(jié))————-寫寄存器時有效
需要注意的是Modbus/TCP協(xié)議所有的請求都是通過端口號502發(fā)送的,而CPU315-2PN/DP模塊的端口號只能設(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)提供了四個功能塊(FB)和一個用戶定義數(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,需要創(chuàng)建一個包含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),需要為每個連接創(chuàng)建一個這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一個連接建立之后,將受到 CPU 的監(jiān)控,如果中間發(fā)生了中斷,則自動嘗試重新建立連接。
4.2 程序執(zhí)行過程
整個以太網(wǎng)通訊程序分成以下五個部分:
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、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)中操作員工作站請求建立連接。如果上