PLC用于監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場通訊管理

沈德榮

（浙江嘉化能源化工股份公司，浙江 嘉興 314201）

氯堿行業(yè)整流系統(tǒng)監(jiān)控和配電系統(tǒng)監(jiān)控往往不使用同一現(xiàn)場通訊協(xié)議，而使用2套后臺系統(tǒng)對整流系統(tǒng)和配電系統(tǒng)分別監(jiān)控，同時，單套系統(tǒng)一般不與太多的整流控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。現(xiàn)建立并運(yùn)行1個系統(tǒng)由2臺WINCC 后臺系統(tǒng)同時監(jiān)控20臺整流器及相應(yīng)20臺整流變壓器的保護(hù)裝置及其他動力配電裝置的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視及控制整流器。

1 系統(tǒng)組成

監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)圖見圖1。

（1）系統(tǒng)設(shè)置2臺WINCC 監(jiān)控后臺，經(jīng)2路PROFIBUS（通訊速率為500 kbps）與現(xiàn)場通訊PLC分別進(jìn)行通訊，確保在任一后臺系統(tǒng)故障時，另一臺可以繼續(xù)獨立運(yùn)行。

（2）現(xiàn)場通訊選用的PLC 與整流器控制柜用的PLC 完全相同，即西門子S200的266CPU，其自帶的PORT0口和PORT1口可以作為主口運(yùn)行，擴(kuò)展模塊EM277與上位機(jī)通訊。

（3）現(xiàn)場通訊用PLC 的PORT0口或PORT1口可以以PPI 方式與不超過4個從機(jī)通訊，鏈路長路不超過50 m；在此處，有通訊PLC-3的PORT0口與一期整流系統(tǒng)的4臺整流器PLC 進(jìn)行通訊；通訊PLC-4的PORT0口和PORT1口分別與二期整流系統(tǒng)的1～4 4臺PLC 和二期整流系統(tǒng)的5～8 4臺PLC進(jìn)行通訊；通訊PLC-6的PORT0口和PORT1口分別與三期整流系統(tǒng)的1～4 4臺PLC 和三期整流系統(tǒng)的5～8 4臺PLC 進(jìn)行通訊。

圖1 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖

（4）現(xiàn)場通訊用PLC 的PORT0口或PORT1口可以以自由口方式與多個MODBUS 協(xié)議數(shù)據(jù)收集用的MCU 單片機(jī)從機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通訊，MCU 單片機(jī)系統(tǒng)以較低現(xiàn)場通訊速度與保護(hù)裝置進(jìn)行通訊，收集的數(shù)據(jù)由PLC 握手后，向PLC 傳送并由PLC 在PLC 內(nèi)存中保存與處理供后臺調(diào)用。

2 通訊PLC 與整流PLC 的通訊

2.1 通訊PLC 與整流器PLC 通訊

（1）通訊PLC 每個PORT 口以PPI 主口方式與最多4個整流器PLC 進(jìn)行通訊，通訊速率為19.2 kbps。

（2）通訊PLC 與每個整流器PLC 在同一時間里僅有1個NETR 或NETW 命令在現(xiàn)用狀態(tài)，此時，每個通訊PLC 以2個PPI 主口與整流器通訊時可以確保同一時間內(nèi)激活的NETR 或NETW 命令不超過8條。

（3）通訊PLC 預(yù)留2個VD 變量，供后臺向整流器下達(dá)控制命令，其中一個直接與整流器通訊(以下簡稱命令變量)，另一個為后臺同時下達(dá)的2個命令作緩存(以下簡稱命令緩存變量)，通訊PLC 在完成命令下達(dá)后，將命令緩存變量的值傳送給命令變量作為新的命令，同時將命令緩存變量清零。

（4）通訊PLC 在每個整流器通訊完成的情況下首先檢查該變量，只要該變量非零，且目標(biāo)地址為該整流器，即發(fā)送解析后的NETW 命令，否則，發(fā)送循環(huán)讀的NETR 命令，讀數(shù)據(jù)的目標(biāo)地址由整流器控制柜的PLC 程序確定，每次讀數(shù)據(jù)最多為16個字節(jié)。

2.2 整流器PLC 數(shù)據(jù)歸集

為提高通訊PLC 與整流器PLC 之間在較低的通訊速率下具備單位時間內(nèi)足夠的掃描次數(shù)。在整流器PLC 上需對上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理，對位信號盡可能組織到32位的四字節(jié)VD 格式，而對于精度稍低的模擬量數(shù)據(jù)及整流變壓器檔位數(shù)據(jù)等盡可能以8位單個字節(jié)的方式向上傳送；總體打包后的數(shù)據(jù)以2組（最多3組）16個字節(jié)完成打包。

同時，為了后臺能夠顯示重要動作的來源，可以安排首出的定義與位信號一起上傳給通訊PLC，由通訊PLC 進(jìn)行解碼及信號復(fù)歸處理。

以株州科瑞提供給浙江嘉代經(jīng)能源化工公司三期離子膜燒堿用整流器為例的數(shù)據(jù)定義表見表1。

2.3 整流器操作命令

2.3.1 后臺對通訊PLC 下達(dá)命令

由于采用2套后臺系統(tǒng)對整個整流器系統(tǒng)進(jìn)行控制，當(dāng)后臺需要對通訊PLC 的2個或以上變量進(jìn)行寫操作時，會對每個變量逐個進(jìn)行寫操作，因此，為避免2臺電腦同時對通訊PLC 進(jìn)行寫入而產(chǎn)生誤解析并對整流器誤控，最簡單的辦法就是采用單個4字節(jié)變量完成每個命令的操作。

命令的高16位包括整流器地址和命令的控制字，命令的低16位為控制的數(shù)據(jù)。如bit31～bit24可以設(shè)置為整流器PLC 地址；bit23～bit16可以設(shè)置為控制字；bit15～0為設(shè)定電流或者對指定地址寫入的調(diào)試數(shù)據(jù)。在實際運(yùn)用中，為了簡化程序，通訊PLC的2個主口各對應(yīng)的4個整流器使用不重復(fù)的地址，如PORT0口所帶整流器的PLC 地址為2～5，PORT1口所帶整流器的PLC 地址為6～9。

表1 離子膜燒堿用整流器數(shù)據(jù)定義表

實際的二期整流器采用株州科瑞的控制系統(tǒng)，在電流設(shè)定時不僅需要設(shè)置主控器的設(shè)定電流，同時，還需要設(shè)置從控制器的設(shè)定電流，這時，系統(tǒng)在通訊PLC 提供了2個VD 變量用于控制，即后臺可以同時發(fā)送A 通道設(shè)定電流和B 通道設(shè)定電流。

2.3.2 通訊PLC 對整流器下達(dá)命令

通訊PLC 與每個整流器通訊完成后檢查命令字，當(dāng)命令變量非零且命令目標(biāo)地址與當(dāng)前整流器PLC 地址相同時，轉(zhuǎn)發(fā)后臺對整流器的操作命令，同時，完成命令緩存變量的移動和清零，否則，對目標(biāo)整流器PLC 進(jìn)行讀操作。

通訊PLC 對整流器下達(dá)命令為對固定的整流器變量區(qū)寫入，整流器根據(jù)數(shù)據(jù)塊中命令字進(jìn)行操作。通訊PLC 對整流器PLC 控制操作只有1個主站在操作。

2.3.3 后臺對通訊PLC 命令字的參考編排

bit31～bit24整流PLC 的地址如POAT0口對應(yīng)2～5；POAT1口對應(yīng)6～9。

bit23～bit16控制字及對應(yīng)bit15～bit0的操作數(shù)定義：

16#5A 整流變壓器升檔降壓操作（操作數(shù)為零）；16#3C 整流變壓器降標(biāo)升壓操作（操作數(shù)為零）；16#78整流控制器A 電流設(shè)定（操作數(shù)為電流設(shè)定值）；16#96整流控制器B 電流設(shè)定（操作數(shù)為電流設(shè)定值）；16#87整流器PLC 數(shù)據(jù)查詢地址寫入（操作數(shù)為地址設(shè)定值）；16#E1整流器PLC 在當(dāng)前查詢地址寫入數(shù)據(jù)（操作數(shù)為數(shù)據(jù)設(shè)定值，僅當(dāng)整流PLC 允許寫入數(shù)據(jù)的位置方可寫入，調(diào)試用）；16#A5整流器PLC 報警復(fù)位（操作數(shù)為零）。

3 通訊PLC 與通訊MCU 通訊

3.1 采用MCU 作為與PS690的接口

根據(jù)國電南京自動化股份有限公司的PS690系列保護(hù)測控裝置的RS485口MODBUS 通訊協(xié)議的規(guī)定，PS690系列保護(hù)測控裝置不能利用西門子S7-200的MODBUS 庫程序進(jìn)行通訊。為了和動力站配電裝置能夠用1個PLC 進(jìn)行通訊轉(zhuǎn)換，單個PLC 在9.6 kbps 速率下用2個通道與共計37臺裝置進(jìn)行通訊，掃描時間將不能滿足后臺監(jiān)視的要求，同時，單個鏈路的從站數(shù)量較多及電纜長度較長都不利于通訊穩(wěn)定。根據(jù)PS690的通訊情況，單個主站一般不超過10個從站，最多不超過16個從站。因此，系統(tǒng)采用MCU 作為與PS690的接口。

3.2 通訊MCU 組成及通訊過程

（1）選用ATMEL 的ATmage162單片機(jī)作為通訊用單片機(jī)，對于本項目，ATmage162內(nèi)置2個獨立的USART 異步串行口，當(dāng)采用7.372 8 MHz 振蕩頻率時，可以使2個USART 分別運(yùn)行于115.2 kbps 和9.6 kbps。在本項目中USART0以MODBUS 協(xié)議按9.6 kbps 的速率與國電南京自動化股份有限公司的PS690U 系列保護(hù)測控裝置進(jìn)行通訊；USART1與PLC 以自由口方式按115.2 kbps 的速率進(jìn)行通訊。

（2）MCU 板設(shè)置MCU 地址跳線來設(shè)定MCU 板的地址，MCU 根據(jù)MCU 板的地址來響應(yīng)來自通訊PLC 的命令，包括握手與控制命令，在實際系統(tǒng)中，預(yù)留了控制操作命令的通道，但未配置操作命令，僅通過通訊用PLC 配置了裝置時鐘設(shè)定的命令。在PLC 與MCU 板通訊過程中，由通訊PLC 設(shè)置MCU與那些裝置（地址）進(jìn)行通訊，并規(guī)定開關(guān)量采集個數(shù)和模擬量采集個數(shù)。

（3）MCU 板根據(jù)PLC 規(guī)定的通訊地址和開關(guān)量模擬量采集個數(shù)主動進(jìn)行循環(huán)采集，并把采集到的數(shù)據(jù)按采集程序以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的格式（每個數(shù)據(jù)包包括轉(zhuǎn)存字節(jié)數(shù)和轉(zhuǎn)存地址的相對偏移量和14個字節(jié)數(shù)據(jù)信息）保存在MCU 的存貯區(qū)內(nèi)。根據(jù)PS690U 的通訊協(xié)議和點表，MCU 向PLC 每個裝置每次上傳開關(guān)量為10個字節(jié)，模擬量14個字節(jié)，每個裝置上傳模擬量最多為28個字節(jié)，PLC 一次握手最多轉(zhuǎn)發(fā)24個數(shù)據(jù)包，即按8臺裝置輪詢一周的數(shù)據(jù)即每臺裝置為1個位變量數(shù)據(jù)包和2個模擬量數(shù)據(jù)包。

（4）MCU 根據(jù)PLC 握手命令，向PLC 轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并標(biāo)識有無后續(xù)數(shù)據(jù)，直到最后一個數(shù)據(jù)包的傳送，PLC 對MCU 發(fā)來的數(shù)據(jù)的偏移地址和轉(zhuǎn)發(fā)字節(jié)數(shù)保存在PLC 的變量區(qū)，供后臺讀取，同時，PLC 對最多達(dá)69位的位變量，選取最多不超過32個位變量以32位的雙字格式重新組合供后臺訪問與記錄。同時，PLC 在讀取無后續(xù)標(biāo)志的報文時，在完成本報文處理后，發(fā)下一個PLC 的握手命令，握手命令包含對MCU 板的MODBUS 通訊控制。

3.3 通訊PLC 與MCU 間通訊報文格式

3.3.1 PLC 至MCU 報文格式

16#A5規(guī)定初值；

MCU 地址1～8 0為廣播對時報文；

MODBUS 子站地址1～8；bit7為1時，為轉(zhuǎn)發(fā)命令，bit7為0時，通訊握手；

MODBUS 子站讀開關(guān)量數(shù)據(jù)長度；

MODBUS 子站讀模擬量數(shù)據(jù)長度；

空位備用，填充任意值；

8位XOR BCC 校驗值（從第2到第9字節(jié)）。

當(dāng)MCU 地址為0時，為廣播對時命令；3～8字節(jié)為時間格式，按年月日時分秒共6個字節(jié)，MCU將年調(diào)整為20xx 格式，將秒轉(zhuǎn)為毫秒格式按對時規(guī)約下送。

當(dāng)MODBUS 子站地址的首位為1時，3～8字節(jié)為MODBUS 命令除CRC 外的前6個字節(jié)（其中，MODBUS 地址的首位應(yīng)為0），此功能可以由MCU向保護(hù)裝置轉(zhuǎn)發(fā)遠(yuǎn)方復(fù)歸、遙控合開關(guān)及遙控分開關(guān)命令。

3.3.2 MCU 至PLC 報文格式

16#3CC3規(guī)定初值其中16#3C 由PLC 作為接收控制；

MCU 地址1～8；當(dāng)bit7為1時，有后續(xù)報文；

轉(zhuǎn)發(fā)字節(jié)數(shù)，當(dāng)16#7F 時，無轉(zhuǎn)發(fā)；

轉(zhuǎn)發(fā)偏移地址指針（需乘以10）及無轉(zhuǎn)發(fā)報文定義；

轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)1～14；

8位XOR BCC 校驗值（從第3到第19字節(jié)）；

8位XOR BCC 校驗值（從第2位到第9位）。

當(dāng)MCU 至PLC 傳送為無報文時，第5個字節(jié)定義無報文類型，可由PLC 查詢：16#FF 表示本次無數(shù)據(jù)傳送；16#BC 為MCU 讀得PLC 對本MCU 的握手報文BCC 錯誤；不論何種原因，PLC 均不轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)并對下一PLC 進(jìn)行握手通訊。

4 通訊PLC 內(nèi)存的組織

（1）通訊PLC 內(nèi)存由以下幾部分組成：整流器控制PLC 通訊得到數(shù)據(jù)保存的內(nèi)存及為后臺訪問進(jìn)行轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)保存的內(nèi)存；繼電保護(hù)裝置數(shù)據(jù)保存的內(nèi)存及為后臺訪問將繼電保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的內(nèi)存；PLC 程序所用的內(nèi)存。

（2）為便于繼電保護(hù)裝置采集的數(shù)據(jù)在PLC 中的存貯，按當(dāng)前項目每個通訊PLC 最多僅用1個PLC 口與通訊MCU 板通訊，每個MODBUS 子站在PLC 中安排50個VB 內(nèi)存進(jìn)行分配。同時，在這50個VB 內(nèi)存中通訊讀入內(nèi)存為38個，有12個可以用作處理后數(shù)據(jù)的保存。

（3）整流器數(shù)據(jù)由于通訊變量總體數(shù)量較少，在VB1000以后與繼電保護(hù)裝置采集的數(shù)據(jù)存放位置可以重迭，同時，在同一區(qū)域內(nèi)安排轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。在一期整流站需同時存放8臺保護(hù)裝置數(shù)據(jù)和4臺整流器數(shù)據(jù)，在這里，8臺繼電保護(hù)裝置數(shù)據(jù)需存放在VB100～VB845的內(nèi)存中。

（4）用于繼電保護(hù)裝置采集PLC 程序所用內(nèi)存盡可能安排內(nèi)存的高端區(qū)域；用于整流器采集的PLC 程序所用內(nèi)存安排在整充器數(shù)據(jù)區(qū)域。

5 通訊PLC 程序編制原則

（1）通訊PLC 與整流PLC 的通訊按照每個PLC從機(jī)在任何時候只占用1個NETR 或NETW 指令，并以命令優(yōu)先為基本原則。

a.在任何通訊錯誤時,設(shè)置足夠的延時后再恢復(fù)通訊。

b.在通訊PLC 預(yù)留控制用位，使后臺能夠控制通訊PLC 停止及開啟與整流控制PLC 的通訊，提高后臺與運(yùn)行整流器的通訊可靠性。

（2）通訊PLC 與通訊MCU 的通訊

a.通訊PLC 與通訊MCU 之間一直采用循環(huán)輪詢的方式進(jìn)行通訊，并采用定幀長的方式握手并以定幀長的方式回答，通訊PLC 向通訊MCU 握手后，為提數(shù)據(jù)上傳的速度，MCU 將連續(xù)將轉(zhuǎn)發(fā)的報文傳送給通訊PLC，直到緩存的數(shù)據(jù)全部送完。此時，最多一次返送24個數(shù)據(jù)幀。

b.通訊PLC 與通訊MCU 握手時，輪流將通訊MCU 的MODBUS 讀取控制值下送給通訊MCU，使通訊MCU 退出再投運(yùn)時，盡快獲取本MCU 的通訊參數(shù)，投入正常通訊（通訊MCU 除設(shè)置通訊MCU地址跳線外，程序是一樣的）。

c.中斷程序?qū)顟B(tài)位的改變，在主程序中，確保僅允許在一處使用，以避免因中斷程序返回位置不同，使程序執(zhí)行錯誤。

d.接收通訊完成后，需檢查有無命令存在，有命令時，以發(fā)送命令優(yōu)先，在運(yùn)行項目中僅采用對時命令。

（3）通訊PLC 中的數(shù)據(jù)處理程序

a.為了加速數(shù)據(jù)的上傳，在本項目中對整流數(shù)據(jù)上傳時對于VD212 PLC 查詢數(shù)據(jù)與VB212～215有載變壓器檔位、整流器水壓、水溫及有載變壓器上層油溫共用一個數(shù)據(jù)區(qū)，在通訊PLC 中，需要根據(jù)整流PLC 中V202.0查詢數(shù)據(jù)位來進(jìn)行解析，對于V203.0～2故障首出表示故障1～7和沒有故障均需要在通訊PLC 中完成解析后由后臺讀取；另一方面，對一些故障需由PLC 對各臺整流器故障進(jìn)行綜合后由后臺讀取和報警，減少報警顯示，突出重要報警。

b.對于每個微機(jī)保護(hù)裝置的重要位變量在后臺得到記錄，也需要由通訊PLC 對保護(hù)裝置的位變量進(jìn)行重新組裝后由后臺讀取，由于整流進(jìn)線未配置保護(hù)裝置，為在后臺可以看到每條母線的電流和有功功率，也需要通訊PLC 進(jìn)行加法計算。

c.通訊PLC 同時承擔(dān)部分直接數(shù)據(jù)的采集和上傳。

6 結(jié)語

（1）本文介紹系統(tǒng)目前已帶有三期共20臺整流控制PLC，三期共20臺有載調(diào)壓變壓器的24臺微機(jī)保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)收集以及動力站37臺微機(jī)保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)收集。

（2）PROFIBUS 總線187.5 kbps 數(shù)據(jù)收集正常，PROFIBUS 總線實際運(yùn)行速度為500 kbps，作為PROFIBUS 子站通訊PLC 為6個，小于OPC 允許12子站的規(guī)定。

（3）通訊PLC 的每個PPI 口子站均為4個，通訊速率為19.2 kbps，鏈路長度均在50 m 以內(nèi)；通訊PLC 的每個自由口通訊MCU 子站最多為6個，且與通訊PLC 裝在同一控制箱內(nèi)，通訊速率為115.2 kbps；通訊MCU 與微機(jī)保護(hù)裝置通訊在站內(nèi)進(jìn)行，每個MCU 與最多8個保護(hù)裝置通訊，通訊速率為9.6 kbps。

（4）為了提高輪詢的速度，通訊MCU 不采用協(xié)議轉(zhuǎn)換器的工作方式，而是由通訊MCU 以主設(shè)備直接輪詢的方式與微機(jī)保護(hù)裝置通訊，再在通訊PLC 與其握手時，將數(shù)據(jù)傳送給PLC，PLC 再根據(jù)數(shù)據(jù)的規(guī)定保存在相應(yīng)位置，最終由PLC 提供給后臺訪問這些數(shù)據(jù)。

（5）由于將整流器PLC 數(shù)據(jù)和微機(jī)保護(hù)裝置數(shù)據(jù)均由西門子S7-266的PLC 作為通訊管理用PLC來收集，由WINCC 組成的后臺僅面向用于通訊控制的西門子的PLC 進(jìn)行通訊，從而使系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定。

（6）由于采用互為備用的2個后臺對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，同時簡化了操作命令的編排，每班僅需1名中控運(yùn)行人員便完全可以勝任，同時可在單臺后臺電腦故障時，保證生產(chǎn)正常進(jìn)行。