基于Modbus RTU的S7-200SMART與ABBS+ DCS的通信

胡鑫

摘 ? 要：本文主要討論ABB S+ DCS系統(tǒng)與S7-200 SMART PLC之間通過MODBUS RTU協(xié)議進(jìn)行實時通信在火電廠輔機系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要介紹了MODBUS協(xié)議的類型、主要內(nèi)容、報文格式以及校驗方式;S7-200 SMART PLC Modbus通信的尋址方式;ABB S+ DCS尋址方式;串口服務(wù)器的硬件配置以及軟件組態(tài)。

關(guān)鍵詞：Modbus協(xié)議 ?ABB S+ DCS ?S7-200 SMART PLC

中圖分類號：TP273 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）09（b）-0123-05

Abstract： This article mainly discusses the application of real-time communication between ABB S + DCS system and S7-200 SMART PLC through MODBUS RTU protocol in auxiliary system of thermal power plant. It mainly introduces the types， main contents， message format and verification mode of MODBUS protocol， addressing mode of S7-200 SMART PLC Modbus communication， addressing mode of ABB S + DCS; Hardware configuration and software configuration of serial server.

Key Words： Modbus protocol; ABB S + DCS; S7-200 SMART PLC

某百萬千瓦電廠主機各系統(tǒng)采用ABB S+ DCS系統(tǒng)進(jìn)行控制。在當(dāng)前環(huán)保壓力下，為了實現(xiàn)脫硫廢水零排放，在原有脫硫公用系統(tǒng)中增加了脫硫廢水零排放系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要仍采用DCS進(jìn)行控制，但是系統(tǒng)中部分壓縮機設(shè)備由廠家整體提供，其控制器采用的是S7-200 SMART PLC。雖然壓縮機在運行時并不需要人為進(jìn)行干預(yù)，但是為了運行人員啟停設(shè)備以及監(jiān)視壓縮機設(shè)備的運行狀況，必然需要通過某種方式將壓縮機的運行數(shù)據(jù)送至集控室DCS系統(tǒng)進(jìn)行顯示和操作。該廠采用了MODBUS RTU協(xié)議實現(xiàn)了DCS系統(tǒng)與PLC之間的數(shù)據(jù)交互。

1 ?Modbus協(xié)議簡介

Modbus 網(wǎng)絡(luò)是一個工業(yè)通信系統(tǒng)，由帶智能終端的可編程序控制器和計算機通過公用線路或局部專用線路連接而成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)既包括硬件、亦包括軟件。它可應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)控。從物理層連接方式上來講，Modbus可分為基于串口的Modbus RTU、Modbus ASCII和基于網(wǎng)線的Modbus TCP/IP方式。對與Modbus ASCII和RTU兩種方式，在同樣的波特率下，ASCII比RTU傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量要小。Modbus TCP/IP是一種將Modbus協(xié)議作為應(yīng)用層協(xié)議，TCP作為傳輸層協(xié)議，IP作為網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，502作為服務(wù)端口的方式。

1.1 Modbus報文結(jié)構(gòu)

Modbus RTU通訊采用主-從方式，即Modbus主站發(fā)出數(shù)據(jù)請求消息，從站端接收到準(zhǔn)確的信息后，根據(jù)主站的數(shù)據(jù)請求內(nèi)容，將主站所需的數(shù)據(jù)發(fā)送至主站以響應(yīng)主站的請求，此外，主站也可以使用不同的功能碼直接修改從站寄存器中的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)雙向讀寫。Modbus主站查詢的報文格式為從站地址、功能碼、起始寄存器地址、查詢的數(shù)據(jù)長度、錯誤校驗。從站的響應(yīng)報文格式為從站地址、功能碼、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)、錯誤校驗。其報文結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 Modbus功能碼

一般來講，常用的數(shù)據(jù)類型有布爾型、整型、字符型、浮點型。在工業(yè)控制過程中為了實現(xiàn)對就地設(shè)備的自動化控制，我們就需要對不同的類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作。因此，Modbus協(xié)議中定義了不同功能的功能碼來滿足人們的需求，這樣的話，主從站就可以實現(xiàn)對各自不同地址的寄存器進(jìn)行不同的操作。由于協(xié)議中定義的功能碼較多，在此只列出工業(yè)控制中最常用的幾種功能碼。常用功能碼的定義如表1所示。

1.3 Modbus地址結(jié)構(gòu)

Modbus地址由5位數(shù)字組成，包括起始的數(shù)據(jù)類型代號，以及后面的偏移地址。Modbus地址定義和可以使用的功能碼如表2所示。

2 ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及串口服務(wù)器組態(tài)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于脫硫廢水零排放系統(tǒng)為新增系統(tǒng)且主要控制部分仍采用DCS進(jìn)行控制，因此該系統(tǒng)只采用了單回路通信。其通信回路首先是壓縮機控制器S7-200 SMART PLC通過串口連接到Moxa NPort5630，然后NPort再通過網(wǎng)線連接到ABB DCS系統(tǒng)操作網(wǎng)交換機。PLC的通信數(shù)據(jù)首先是由DCS系統(tǒng)接口服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后再通過A、B兩個冗余的交換機將數(shù)據(jù)送至DCS服務(wù)器目的節(jié)點。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 串口服務(wù)器組態(tài)

串口服務(wù)器提供串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)功能，能夠?qū)S-232/485/422串口轉(zhuǎn)換成TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口，實現(xiàn)RS-232/485/422串口與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)雙向透明傳輸。使得串口設(shè)備能夠立即具備TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口功能，連接網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。本工程中使用的串口服務(wù)器為Moxa NPort5630。其配置步驟如下。

（1）NPORT裝置上電，根據(jù)項目設(shè)置要求在液晶指示屏設(shè)置好IP地址;

（2）安裝NPORT ADMINISTRATOR 軟件;

（3）安裝完畢后，運行Nport Administrator， 使用Broadcast search功能找到設(shè)好IP地址的NPORT：

（4）右鍵單擊搜索到的NPORT并從快捷菜單中選中Configure;

（5）選中Configure seiral選項卡，將串口基本參數(shù)設(shè)置為：波特率：9600;數(shù)據(jù)位：8;停止位：1;奇偶校驗：無;串口別名：COM1，然后設(shè)置operating mode為Real COM。

（6）使用COM MAPPING 將虛擬串口映射到計算機串口，選擇要使用的端口，在高級設(shè)置選項卡中設(shè)置 tx mode： Classical， 同時勾選 Fast Flush：選擇Apply， 將端口設(shè)置存入Nport。

（7）Nport5630通訊接口為RJ45接口，其中8根線中5對應(yīng)RS485的Data-;6對應(yīng)RS485的Data+;7對應(yīng)RS485的GND。

3 ?S7-200SMART PLC組態(tài)

S7-200 SMART PLC的PORT0端口的針腳8對應(yīng)RS485的Data+;針腳3對應(yīng)RS485的Data-;1對應(yīng)RS485的GND。為了實現(xiàn)PLC和與Nport串口服務(wù)器實現(xiàn)硬件連接，就需要將PLC的串口的8、3、1分別與串口服務(wù)器網(wǎng)線的6、5、7連接起來，然后再進(jìn)行軟件組態(tài)。

3.1 S7-200 SMART PLC Modbus RTU從站尋址

在通信過程中，我們需要對PLC CPU的寄存器進(jìn)行讀寫操作，那么就需要將Modbus地址映射到CPU地址，對于S7 200SMART PLC來講，其映射關(guān)系是00001至00256映射到Q0.0-Q31.7的離散量輸出;10001至10256是映射到I0.0-I31.7的離散量輸入;30001至30056是映射到 AIW0- AIW110的模擬量輸入寄存器;40001至49999和 400001 至465535是映射到V存儲器的保持寄存器。

3.2 S7-200 SMART PLC Modbus RTU從站組態(tài)

開始組態(tài)S7-200 SMART Modbus從站前首先應(yīng)在組態(tài)軟件項目樹中雙擊PLC CPU，將RS485端口地址設(shè)置為：11;波特率設(shè)置為：9.6Kbps。

通過以上設(shè)置后，我們就可以開始PLC從站組態(tài)啦，其組態(tài)步驟如下：

（1）在組態(tài)通信邏輯前，要先確認(rèn)安裝的STEP7 MICRO/WIN SMART組態(tài)軟件是否自帶Modbus通訊庫文件，若沒有則需要下載庫文件后，將庫文件放到C：＼Users＼Public＼Documents＼Siemens＼STEP 7-MicroWIN SMART＼Lib目錄下，在STEP7 MICRO/WIN SMART組態(tài)軟件中鼠標(biāo)右鍵單擊項目樹的“庫”節(jié)點，并從快捷菜單中選擇“刷新庫”。

（2）在梯形圖中添加庫指令MBUS_INIT，并用SM0.1特殊寄存器使能。將MBUS_INIT指令塊各引腳設(shè)置如圖3所示。

其中Mode設(shè)置成Modbus協(xié)議;地址設(shè)置為11;波特率設(shè)置為9600;奇偶校驗為無;使用端口設(shè)置成0（即CPU自帶RS485接口）;延時設(shè)置為0;Modbus可用的最大IQ點數(shù)為256;可用的AI寄存器數(shù)為56;Modbus可訪問的V區(qū)存儲器起始地址為VB2000。PLC的VW2000字存儲器對應(yīng)到Modbus的地址為40001保持寄存器。

（3）用SM0.0特殊寄存器使能MBUS_SLAVE指令。

（4）在項目樹中右鍵單擊程序塊，選中庫存儲器，為Modbus RTU Slave庫分配780個字節(jié)的存儲區(qū)。

（5）為了更好的理解PLC通信邏輯組態(tài)過程，我們只以蒸汽壓縮機進(jìn)口溫度為例。為了減小通信的數(shù)據(jù)量，我們將蒸汽壓縮機進(jìn)口溫度AI經(jīng)過標(biāo)度變換后的模擬量實際值經(jīng)過放大取整，然后通過MOV指令將處理過的整型數(shù)據(jù)寫入到VW2000存儲器中。這樣的話PLC端的邏輯組態(tài)就完成了。

4 ?ABB S+ DCS組態(tài)

4.1 ABB S+ DCS簡介

ABB S+ DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔，控制平臺可擴展性高。為了實現(xiàn)全廠自動化，DCS系統(tǒng)配備了有不同類型驅(qū)動軟件的接口服務(wù)器，通過使用接口服務(wù)器便可實現(xiàn)和PLC控制系統(tǒng)的通信。

4.2 接口機驅(qū)動設(shè)置

為了和S7 200 SMART PLC實現(xiàn)通信功能，首先要在接口服務(wù)器中添加Modbus驅(qū)動，其驅(qū)動添加步驟如下：

（1）在windows操作系統(tǒng)注冊表中添加Modbus RTU的驅(qū)動接口，其操作方法為打開ABB廠家提供的驅(qū)動注冊表模板并修改注冊表文件中串口參數(shù)和驅(qū)動名（本工程命名為Modbus_F7）后直接進(jìn)行注冊。此外也可以使用S+ Operation中scanmonitor執(zhí)行軟件的NEW DRIVER功能進(jìn)行添加。這樣添加的話同樣需要設(shè)置串口名稱（應(yīng)與Nport中使用的串口一致）并設(shè)置波特率為9600、數(shù)據(jù)位為8、校驗位為無停止位為1（與PLC串口設(shè)置一致）。

（2）配置好驅(qū)動程序后使用scanmonitor軟件的Start TntScanner功能找到新加的驅(qū)動，然后右鍵單擊該驅(qū)動并選擇Rigester，將Active選項設(shè)置為YES來激活該驅(qū)動（見圖4）。

4.3 S+DCS通信標(biāo)簽介紹

在和PLC建立連接后，需要在DCS組態(tài)軟件中添加標(biāo)簽。添加標(biāo)簽前應(yīng)了解標(biāo)簽選項卡中各子選項的含義。ABB DCS系統(tǒng)通信標(biāo)簽Acquisition選項卡字段定義見表3所示。

其中標(biāo)簽的信號類別字段設(shè)置為1時可表示該標(biāo)簽對應(yīng)的Modbus信號為離散量輸出或者保持寄存器，可使用的功能碼為1和3;該值設(shè)為0時，表示該標(biāo)簽對應(yīng)的Modbus信號為為離散量輸入或者輸入寄存器，可使用的功能碼為2和4。數(shù)據(jù)類型字段設(shè)置為1是表示該數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型為整型數(shù)據(jù)。

4.4 DCS標(biāo)簽組態(tài)

為了更好的理解DCS系統(tǒng)中Modbus RTU通信標(biāo)簽的組態(tài)過程，我們以蒸汽壓縮機的進(jìn)口溫度為例。

（1）新建通訊標(biāo)簽，設(shè)置標(biāo)簽General選項卡中的標(biāo)簽名，然后選擇該標(biāo)簽Source為EXT外部變量

（2）設(shè)置該標(biāo)簽對應(yīng)的Modbus驅(qū)動名為Modbus_F7;從站地址設(shè)置為11;寄存器地址設(shè)置為0;數(shù)據(jù)類型設(shè)置為1;信號類別設(shè)置為1;其它選項用默認(rèn)數(shù)值即可。如圖5所示。

（3）前面已經(jīng)提過，PLC送過來的數(shù)據(jù)是經(jīng)過放大后的整型數(shù)據(jù)，為了得到真實的數(shù)據(jù)，在DCS側(cè)就應(yīng)該做相應(yīng)的縮小。這時候我們需要通過 S+ Operations 相應(yīng)標(biāo)簽的參數(shù)卡ALMLEVEL字段HIGH INSTRUMENT LIMT和 LOW INSTRUMENTLIMT 按實際量程來填，然后在 CONVERSION 字段里的 VAL0和 SPAN 按需要放大的倍數(shù)來填。

5 ?結(jié)語

ABB S+ DCS系統(tǒng)與S7200 SMART PLC之間的通信已經(jīng)完成。蒸汽壓縮機就地控制柜觸摸屏上的數(shù)據(jù)和DCS系統(tǒng)操作員站的數(shù)據(jù)完全一致，運行人員可以很好的對蒸汽壓縮機的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，解決了新增非DCS系統(tǒng)無法監(jiān)控的難題。

參考文獻(xiàn)

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