西门子PLC编程实例西门子SPLC与DCS控制新版系统的通信.doc

西门子S7-300 PLC和DCS控制系统通信

——上海泗博自动化Modbus转Profibus-DP网关应用 

摘要：本文就西门子S7-300系列PLC和横河CS3000型DCS集散控制系统之间通信，介绍怎样实现Modbus和Profibus-DP协议设备相互通信、上海泗博自动化Modbus转Profibus-DP网关PM-160在其中应用，和这两种不一样通信协议通信方法。
关键词：Modbus协议 Profibus-DP协议 Modbus转Profibus-DP 串口转Profibus-DP 分布式控制系统通信网络 

一、引言 

现代工业快速发展，不停促进着自动化控制技术及设备通信技术创新发展。目前，PLC、DCS、智能仪表等已广泛应用到现场生产控制系统中，并发展到由上述设备相互协同、共同面向整个生产过程分布式工业控制系统。在此系统中，现场总线通信技术至关关键。本文就某水利站分布式控制系统项目，介绍上海泗博自动化Modbus转Profibus-DP协议网关设备应用。 

二、系统组成 

1、系统结构 

本系统组成图1，其中略去了西门子S7-300PLC之外其它现场级控制设备。系统上位机采取横河CS3000型DCS集散控制系统，实现对整个水利项目进行集中监控。下位机之一采取是西门子S7-300系列PLC，实现对现场多种智能仪表，包含现场电机、智能开关、变频器、传感器等实施、检测设备启停控制、信息采集等操作。横

在上图所表示系统结构中，现场多种智能仪表（采取是Modbus协议或多种非标协议，接口为RS485、RS422或RS232）全部能够经过上海泗博自动化通用串口（Modbus/RS485/RS422/RS232）转Profibus-DP网关PM-160连接到西门子S7-300PLC。此时，网关PM-160在串口侧协议类型为Modbus主站或通用模式。横河DCS对西门子S7-300PLC数据采集和监控一样需要使用上海泗博自动化通用串（Modbus/RS485/ RS422/RS232）转Profibus-DP网关PM-160，此时，网关PM-160在串口侧协议类型为Modbus从站。 

2、通信网络组成 

2.1 Profibus协议介绍 

PROFIBUS 是现在国际上通用现场总线标准之一，以其独特技术特点、严格认证规范、开放标准、众多厂商支持和不停发展应用行规，已成为最关键和应用最广泛现场总线标准。 

PROFIBUS 现场总线通讯协议包含三个关键部分： 

• PROFIBUS DP：主站和从站之间采取轮循通讯方法，关键应用于自动化系统中单元级和现场级通信。 

• PROFIBUS PA：电源和通信数据经过总线并行传输关键用于面向过程自动化系统中单元级和现场级通讯。 

• PROFIBUS FMS：定义了主站和主站之间通讯模型，关键用于自动化系统中系统级和车间级过程数据交换 

其中，PROFIBUS-DP 是高速网络，通讯速率达成12M。PROFIBUS-DP 能够连接远程I/O、实施机构、智能马达控制器、人机界面HMI、阀门定位器、变频器等智能设备， 一条PROFIBUS-DP 总线能够最多连接123 个从站设备。PROFIBUS-DP 拓扑结构能够是总线型、星型和树型，通讯介质能够是屏蔽双绞线、光纤，也支持红外传输，采取双绞线时，不加中继器最远通讯距离可达1.2 公里，最多能够采取9 个中继器，最远通讯距离可达9 公里。采取光纤时，最远通讯距离可达100 公里以上，其中采取多膜光纤，两点间最远距离可达3 公里，采取单膜光纤时，两点间最远距离可达3 公里。 

2.2 Modbus协议介绍 

Modbus协议是一个适适用于工业控制领域主从式串口通讯协议，它采取查询通讯方法进行主从设备信息传输，可寻址1-247个设备地址范围。协议包含广播查询和单独设备查询两种方法，二者区分就是广播查询不需要从设备回应信息，主、从设备查询通讯过程见图2：

Modbus协议常见功效码图3所表示：

Modbus协议有两种传输模式：ASCII模式和RTU模式。同波特率下，RTU模式较ASCII模式能传输更多数据，所以工业网络大全部采取RTU模式。RTU模式下信息传输报文格式图4：

它没有起始位和停止位，而是由最少3.5个字符间隔时间作为信息起始和结束标志。信息帧全部字符位由16进制字符0-9、A-F组成。 

Modbus RTU通讯协议帧结构：

Modbus RTU方法主站读取从站寄存器数据示例：主设备查询。

Modbus RTU方法主站读取从站寄存器数据示例：从设备响应。

2.3 网络组成及硬件介绍 

图1所表示，在该系统设计中有两个网络使用了上海泗博自动化Modbus转Profibus-DP网关PM-160。网关在这两个网络中作用不一样，其中： 

在上层网络中（建立西门子S7-300PLC和横河DCS连接通信），Modbus转Profibus-DP网关PM-160在Modbus侧做Modbus从站，在Profibus-DP侧做从站，建立Profibus-DP主站（西门子S7-300 PLC）和Modbus主站（横河CS3000）通信。DCS通信部分采取横河型号为ALR121通信模块，并配套横河提供Modbus通信软件包，该通信模块最大通信数据容量为4000字。经过上海泗博自动化网关配置软件对PM-160进行相关配置，将DCS读、写指令及数据做对应转换、存放，并映射到西门子PLC输入、输出映像区，以实现对上下位机控制信息实时传输。 

在下层网络中（建立西门子S7-300PLC和现场智能仪表连接通信），Modbus转Profibus-DP网关PM-160在Modbus侧做Modbus主站，在Profibus-DP侧做从站，建立Modbus从站（现场多种智能仪表（现场电机、智能开关、变频器、传感器等））和Profibus-DP主站（西门子S7-300PLC）通信。串口网络（现场智能仪表）设备接口为RS485或RS232，它们全部能够经过上海泗博自动化Modbus转Profibus-DP网关PM-160实现和西门子S7-300PLC连接通信。其中，经过使用网关配套配置软件对PM-160进行相关配置，将需要采集从站设备信息经过网关读、写命令及数据转换、存放，映射到西门子PLC输入、输出映射区，以实现PLC对现场智能仪表数据采集和监控。 

三、Modbus转Profibus-DP网关PM-160配置 

PM-160是通用型Modbus/RS485/RS422/RS232到Profibus-DP协议转换网关，在网关RAM中建立了Modbus/RS485/RS422/RS232到Profibus-DP映射数据区，由软件实现Modbus/RS485/RS422/RS232到Profibus-DP协议转换和数据交换。凡含有RS485/422/232接口设备（Modbus协议或非标协议）全部能够经过PM-160和现场总线Profibus-DP互联。其中，PM-160在和Profibus-DP通讯是作为Profibus-DP从站，PM-160在和串口设备通信时，能够作Modbus主站、Modbus从站，也支持和非标串口设备实现数据透明传输。经过在西门子STEP7中注册网关PM-160GSD文件，即可在该编程软件中对该网关进行相关硬件和软件配置，完成对应通讯功效。请见以下具体硬件和软件配置方法： 

1、 Modbus转Profibus-DP网关PM-160硬件配置 

PM-160Profibus-DP从站地址能够经过网关硬件旋码开关或配置按钮来设置。旋码开关有两位，左侧位设置地址高位（十位），右侧位设置地址低位（个位）。经过拨码开关可设置网关PM-160处于正常运行状态或配置状态。当PM-160处于配置状态时，用户可经过配套配置软件设置相关读写命令和参数。 

PM-160自带标准Profibus-DP接口，用户可使用标准Profibus-DP连接头和标准Profibus-DP电缆将其连接至Profibus-DP现场总线中。 

PM-160提供RS485/422/232三种串口，Modbus从站、主站设备和用户非标串口设备能够经过这三种接口实现和网关PM-160连接通讯。PM-160没有内置终端电阻，在进行RS485通信时，请注意在RS485总线终端各添加一个终端电阻（120欧姆）。 

2、 Modbus转Profibus-DP网关PM-160软件配置 

1) 使用配套软件设置PM-160现场总新和子网相关参数和命令 

经过拨码开关将PM-160设置为配置状态，打开安装配置软件（产品光盘或访问）： 

当实现PLC和DCS通信时，子网协议类型设置为Modbus从站，并设置串口通信波特率、数据位、奇偶校验位、停止位、PM-160作为Modbus从站地址、通信接口。其中，串口通信波特率、数据位、奇偶校验位、停止位设置应该和所连接Modbus主站设备（DCS）一致；

图8 PM-160在Modbus侧作Modbus从站（连接PLC和DCS）
当实现PLC和Modbus设备通信时，子网协议类型设置为Modbus主站，并设置串口通信参数、通讯传输模式、通信接口等。其中，串口通信参数设置应该和所连接Modbus从站设备一致：

图9 PM-160在Modbus侧作Modbus主站（连接PLC和Modbus从站）
其中，图9中“节点-1”表示连接从站设备地址为1，配置了“读保持寄存器”和“预置多个寄存器”两条命令，表示网关读取了从站对应地址数据，而且能够输出数据到Modbus从站设备，命令配置方法以下：

Modbus寄存器起始地址：用户输入目标采集数据Modbus寄存器起始地址； 
数据个数：目标数据寄存器个数或线圈条数； 
内存映射起始地址：Modbus从站设备数据对应内存缓冲区地址。 

当实现PLC和非标协议设备通信时，子网协议类型设置为通用模式，并设置串口通信参数、控制方法、通信接口等。其中，串口通信参数设置应该和所连接非标串口设备（现场智能仪表）一致：PM-160支持通用模式即透明传输模式，用户可经过数据中数据长度和事务序列号以判定数据完整性和是否是一帧新数据。

2) 在STEP7中对网关M-160进行组态设置 

在STEP7硬件组态界面，导入PM-160对应GSD文件，把PM-160配置文件添加到STEP7设备配置库中。用户可在硬件组态界面找到注册设备：Catalog->PROFIBUS DP->Additional Field Devices->General->CONVERTER->PM-160。

将PM-160添加到STEP7组态页面后，能够插入对应数据块进行映像区地址映射。PM-160提供数据块以下：

推进需要输入输出数据块到网关对应槽位。以下图所表示，将数据块“24Words Input，24Words Output”拖动到Profibus-DP从站地址为3PM-160槽位中，此时，对应映射区地址分别为256，PLC程序需经过PIW256（PIB256）或PQW256（PQB256）对对应数据进行寻址访问。

四、数据读写 

1、DCS读写PLC数据 

DCS作为Modus主站经过PM-160读写PLC数据，使用04H功效码读数据，对应寄存器起始地址为0H（30001H），使用10H（03H）功效码写数据，对应寄存器起始地址为0H（40001H）。 

2、PLC读写现场智能仪表数据 

1) PLC读写Modbus从站设备数据 

PLC经过PM-160发送Modbus主站指令读写现场串口设备数据。映像区起始地址和网关内存映射起始地址对应关系以下：以图14中配置为例。

2) PLC读写非标串口设备数据 

PLC输入映射区前两个字节分别表示接收串口数据长度和事务序列号，其它为接收到数据。事务序列号改变，表示接收到了一帧新串口数据。其中，可经过配置软件设置是否开启串口数据长度功效。PLC输出映射区前两个字节分别表示发送串口数据长度和事务序列号，其它为要发送串口数据。事务序列号改变，PLC发送对应长度串口数据。 

五、结束语 

在该系统中，Modbus转Profibus-DP网关PM-160饰演了三种角色：建立Modbus主站和Profibus-DP主站之间连接通信（Modbus主站模式）；建立Modbus从站和Profibus-DP主站之间连接通信（Modbus从站模式）；提议非标串口设备和Profibus-DP主站之间连接通信（通用模式）。自本通信系统运行以来，整个系统通讯正常，有效确保了整个水利工程控制系统正常运行。使用上海泗博自动化Modbus转Profibus-DP网关能够极大地方便自动化工业现场控制和操作。