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1 引言
目前國內的水電站從最初的“集中控制、功能分散方式”到當今流行的“全分層分布開放式運行方式”，已全部采用計算機控制系統(tǒng)取代過去以繼電器常規(guī)控制方式，可實現“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：電站控制層和現地控制層。電站控制層（或稱上位機系統(tǒng)）主要用于監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)、維護，水電站運行的監(jiān)視、操作、信息管理、遠動和優(yōu)化控制等。現地控制層按控制對象分散方式一般設置為機組現地控制單元（LCU）、開關站及公用現地控制單元（LCU）和閘門現地控制單元（LCU），現地控制單元（LCU）主要采用PLC完成控制對象的數據采集與處理、控制與調節(jié)、安全運行監(jiān)視、事件順序記錄（SOE）、數據及網絡通訊等。
2 項目簡介
湖南銅信溪水電站裝設三臺10MW水輪發(fā)電機組，整個監(jiān)控系統(tǒng)采用“全分層分布開放式運行方式”，上位機系統(tǒng)設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，現地控制層設置三套機組LCU、一套開關站及公用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，通過編程實現Modbus/TCP協(xié)議與上位機系統(tǒng)通訊；同時配置相應的數字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入模塊，完成機組、開關站、公用和閘門等設備的控制與調節(jié)。具體網絡結構如圖1所示。
圖1：湖南銅信溪水電站網絡結構
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網絡、Profibus-DP網絡、開放式工業(yè)以太網，以及基于工業(yè)以太網技術的新一代現場總線PROFINET。該CPU的推出，進一步增強了S7-300 PLC的通信功能，使S7-300連接以太網的成本大大降低，并為PROFINET技術的普及提供了強有力支持。集成的IE/PROFINET接口支持多種通訊服務：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。本項目就是采用開放式IE通訊編程實現Modbus/TCP協(xié)議與水電站上位機系統(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、可與第三方設備在以太網上進行通訊等優(yōu)點。
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備的Modbus系列通訊協(xié)議的派生產品。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行數據交換。Modbus/TCP協(xié)議結構要求請求和響應帶有六個字節(jié)的前綴，具體結構如下：
byte 0: 事務處理標識符 –通常為 0
byte 1: 事務處理標識符 –通常為 0
byte 2: 協(xié)議標識符= 0
byte 3: 協(xié)議標識符= 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)的數量
byte 6: 單元標識符 (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:寄存器數量（高字節(jié)，固定為0）
byte 11:寄存器數量（低字節(jié)）
byte 12:后面數據字節(jié)數量-----寫寄存器時有效
byte 13:寄數據1（高字節(jié)）-----寫寄存器時有效
byte 14:寄數據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置為2000至5000。
4 軟件實現
4.1 編程指令說明
在CPU315-2PN/DP這一邊，不是通過NetPro設置通訊連接，而是通過編寫程序實現。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通訊實現交換數據，STEP7（V5.3+SP1或以上）提供了四個功能塊（FB）和一個用戶定義數據類型（UDT）用于組態(tài)連接和數據交換：
1) FB63“TSEND”：用于發(fā)送數據
2) FB64“TRCV”：用于接收數據
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)連接屬性的數據結構
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據。
要編程建立連接，需要創(chuàng)建一個包含UDT65“TCON_PAR”數據結構的數據快（DB）。該數據結構包含建立連接所需的所有參數，需要為每個連接創(chuàng)建一個這樣的數據結構。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，主要設置連接ID、CPU315-2PN/DP端口號、上位機系統(tǒng)中操作員工作站IP地址和開始等待建立連接標志（FB65_REQ=1）。
2) 建立連接
由開始等待建立連接標志（FB65_REQ=1）調用FB65等待上位機系統(tǒng)中操作員工作站請求建立連接。如果上位機系統(tǒng)中操作員工作站請求建立了連接，且FB65被無錯誤執(zhí)行建立了連接（FB65_DONE=1），設置開始接收數據標志（FB64_EN_R=1）和復位開始等待建立連接標志（FB65_REQ=0）。如果上位機系統(tǒng)中操作員工作站沒有請求建立連接或請求建立了連接FB65執(zhí)行后有錯誤發(fā)生，則程序不做任何處理，還是等待建立連接。
3) 接收數據
由開始接收數據標志（FB64_EN_R=1）調用FB64開始接收數據。如果上位機系統(tǒng)中操作員工作站發(fā)送了數據，且被FB64被無錯誤接收后（FB64_BDR=1），則調用Modbus/TCP協(xié)議處理程序（FB74）對接收到的數據進行判斷和處理。如果上位機系統(tǒng)中操作員工作站沒有發(fā)送數據或發(fā)生了數據FB64執(zhí)行后有錯誤發(fā)生，則程序不做任何處理，還是等待接收數據。
4) Modbus/TCP協(xié)議處理
首先判斷接收數據數量、寄存器地址和功能碼是否正確。如果正確，則進行讀/寫數據處理，并準備正確響應所需數據。如果錯誤，則設置非法數據地址或非法功能碼標志，并準備錯誤響應所需數據。程序執(zhí)行完成后設置發(fā)送數據標志（FB63_REQ=1）和復位開始接收數據標志（FB64_EN_R=0）。
5) 發(fā)送數據
由開始發(fā)送數據標志（FB63_REQ=1）調用FB63開始發(fā)送數據。不管發(fā)送完成是否正確，只要發(fā)送數據完成了就設置開始接收數據標志（FB64_EN_R=1）和復位發(fā)送數據標志（FB63_REQ=0），然后開始等待接收數據。
4.3 程序塊
為了實現CPU315-2PN/DP與水電站上位機系統(tǒng)中操作員工作站的數據交換，PLC需要下表1所示程序塊：
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程序塊 |
說明 |
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OB100 |
當CPU重新啟動時，OB100被運行。在該OB中設置連接ID、CPU端口號、操作員工作站IP地址和開始等待建立連接標志。 |
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OB1 |
在每個周期都運行，主要調用以太網通訊控制程序（FB73）。 |
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FB63 |
發(fā)送數據功能塊，由以太網通訊控制程序（FB73）調用。 |
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FB64 |
接收數據功能塊，由以太網通訊控制程序（FB73）調用。 |
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FB65 |
建立連接功能塊，由以太網通訊控制程序（FB73）調用。 |
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FB73 |
以太網通訊控制程序，用于實現以太網的通訊控制。 |
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FB74 |
Modbus/TCP協(xié)議處理程序，實現對接收到的數據進行判斷、處理并準備上傳所需數據。 |
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DB1 |
用于存放遠方遙控數據，從操作員工作站寫入的遙控數據保存在該DB中。 |
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DB2 |
用于存放遠方遙調數據，從操作員工作站寫入的遙調數據保存在該DB中。 |
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DB5 |
用于存放遙信數據，操作員工作站讀取的遙信數據保存在該DB中。 |
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DB6 |
用于存放遙測數據，操作員工作站讀取的遙測數據保存在該DB中。 |
|
DB7 |
用于存放定值數據，操作員工作站讀取/寫入的定值數據保存在該DB中。 |
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DB8 |
用于存放SOE數據，操作員工作站讀取的SOE數據保存在該DB中。 |
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DB83 |
FB73與操作員工作站1通訊背景數據塊。 |
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DB84 |
FB73與操作員工作站2通訊背景數據塊。 |
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DB105 |
具有2個UDT65連接屬性的數據塊，該DB封裝了與操作員工作站1、2通訊的參數。 |
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DB106 |
具有300個字節(jié)的字節(jié)數組的數據塊，用于存放與操作員工作站1通訊的臨時數據。 |
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DB107 |
具有300個字節(jié)的字節(jié)數組的數據塊，用于存放與操作員工作站2通訊的臨時數據。 |
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UDT65 |
以太網連接屬性的數據結構，包含了組態(tài)連接所必須的參數。 |
表1：PLC所需程序塊
為了正確組態(tài)連接參數，必須了解連接結構（UDT65）中每個參數的含義。連接結構（UDT65）的說明如下表2所示：
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字節(jié) |
參數 |
數據
類型 |
初始值 |
說明 |
|
0 |
block_length |
WORD |
64 |
本數據結構的長度（字節(jié)數），固定為64。 |
|
2 |
id |
WORD |
1 |
連接ID號（范圍16#0001-16#FFFF），通過初始化程序設置。 |
|
4 |
connection_type |
BYTE |
1 |
連接類型，固定為1：兼容的TCP/IP協(xié)議。 |
|
5 |
active_est |
BOOL |
0 |
連接建立方式，0：被動，1：主動，固定為0，CPU作為服務器，等待建立連接請求。 |
|
6 |
local_device_id |
BYTE |
2 |
本地設備ID，固定為2：CPU集成以太網接口。 |
|
7 |
local_tsap_id_len |
BYTE |
2 |
本地站TSAP長度，固定為2：TSAP為端口號。 |
|
8 |
rem_subnet_id_len |
BYTE |
0 |
遠程子網長度，不相關。 |
|
9 |
rem_staddr_len |
BYTE |
4 |
遠程站地址長度，固定為4：有效的IP地址，IP地址位于rem_staddr4個字節(jié)。 |
|
10 |
rem_tsap_id_len |
BYTE |
0 |
遠程站TSAP長度，不相關。 |
|
11 |
next_staddr_len |
BYTE |
0 |
下一站地址長度，不相關。 |
|
12 |
local_tsap_id
ARRAY[1..16] |
BYTE |
0 |
本地站端口號（范圍2000-5000） |
|
28 |
rem_subnet_id
ARRAY[1..6] |
BYTE |
0 |
不相關 |
|
34 |
rem_staddr
ARRAY[1..6] |
BYTE |
0 |
遠程站IP地址，通過初始化程序設置。 |
|
40 |
rem_tsap_id
ARRAY[1..16] |
BYTE |
0 |
遠程站TSAP或端口號，不相關。 |
|
56 |
next_staddr |
BYTE |
0 |
不相關 |
|
62 |
spare |
WORD |
0 |
不相關 |
表2：連接結構（UDT65）說明
4.4 以太網通訊控制程序
以太網通訊控制程序采用面向對象的結構化編程方法，在一個功能塊（FB73）中封裝了以太網通訊的建立連接、接收數據、調用Modbus/TCP協(xié)議處理程序和發(fā)送數據等過程。為此必須聲明用于以太網通訊控制程序（FB73）輸入、輸出和輸入/輸出參數。具體聲明的參數如下表3所示：
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地址 |
聲明 |
名稱 |
類型 |
初始值 |
說明 |
|
0.0 |
IN |
Con_ID |
Word |
0 |
連接ID號 |
|
2.0 |
IN_OUT |
TCON_Start |
Bool |
0 |
開始建立連接 |
|
4.0 |
IN_OUT |
Connect |
Any |
|
連接參數地址指針 |
|
14.0 |
IN_OUT |
Data |
Any |
|
存放通訊臨時數據的數據塊指針 |
|
24.0 |
STAT |
TCON_Done |
Bool |
0 |
建立連接正確完成標志 |
|
24.1 |
STAT |
TCON_Busy |
Bool |
0 |
正在建立連接標志 |
|
24.2 |
STAT |
TCON_Error |
Bool |
0 |
建立連接錯誤完成標志 |
|
24.3 |
STAT |
TSEND_Start |
Bool |
0 |
開始發(fā)送數據標志 |
|
24.4 |
STAT |
TSEND_Done |
Bool |
0 |
發(fā)送數據正確完成標志 |
|
24.5 |
STAT |
TSEND_Busy |
Bool |
0 |
正在發(fā)送數據標志 |
|
24.6 |
STAT |
TSEND_Error |
Bool |
0 |
發(fā)送數據錯誤完成標志 |
|
24.7 |
STAT |
TRCV_Start |
Bool |
0 |
開始接收數據標志 |
|
25.0 |
STAT |
TRCV_Done |
Bool |
0 |
接收數據正確完成標志 |
|
25.1 |
STAT |
TRCV_Busy |
Bool |
0 |
正在接收數據 |
|
25.2 |
STAT |
TRCV_Error |
Bool |
0 |
接收數據錯誤完成標志 |
|
26.0 |
STAT |
Rcvd_Len |
Int |
0 |
接收到數據的臨時長度 |
|
28.0 |
STAT |
Byte_Count |
Int |
0 |
接收到數據的長度 |
|
30.0 |
STAT |
FB_TSend |
FB 63 |
|
發(fā)送數據功能塊多重背景 |
|
52.0 |
STAT |
FB_TRcv |
FB 64 |
|
接收數據功能塊多重背景 |
|
76.0 |
STAT |
FB_Tcon |
FB 65 |
|
建立連接功能塊多重背景 |
|
96.0 |
STAT |
FB_ModbusTCP |
FB 74 |
|
Modbus/TCP協(xié)議處理功能塊多重背景 |
表3：FB73聲明的參數
通過FB73封裝了以太網通訊控制程序，當需要與計算機建立一個連接時只需在OB1調用一次FB73，當需要建立多個連接時多次調用FB73即可。注意：CPU315-2PN/DP最多可建立八個TCP/IP連接。
4.5 Modbus/TCP協(xié)議處理程序
Modbus/TCP協(xié)議處理程序采用面向對象的結構化編程方法，在一個功能塊（FB74）中封裝了數據數量、數據地址和功能碼判斷，處理并準備上傳所需數據等全部過程。為此必須聲明用于Modbus/TCP協(xié)議處理程序（FB74）輸入、輸出和輸入/輸出參數。具體聲明的參數如下表4所示：
|
地址 |
聲明 |
名稱 |
類型 |
初始值 |
說明 |
|
0.0 |
IN_OUT |
Byte_Count |
Int |
0 |
以太網通訊接收到數據的長度 |
|
2.0 |
IN_OUT |
Data_DB |
Int |
0 |
存放通訊臨時數據的數據塊 |
表4：FB74聲明的參數
5 結束語
本程序的難點在于實現對不同數據塊的讀取和寫入，通過Modbus/TCP協(xié)議結構中寄存器地址字節(jié)8 （寄存器高字節(jié)）對應數據塊號、寄存器地址字節(jié)9 （寄存器低字節(jié)）對應數據塊字節(jié)號就可解決。
自本系統(tǒng)運行以來，CPU315-2PN/DP與上位機系統(tǒng)操作員工作站1、2通訊一直正常，從未出現過通訊中斷現象，有效地保證了湖南銅信溪水電站監(jiān)控系統(tǒng)的正常運行, 應用這種方法不需要采用西門子公司OPC能有效降低整個水電站監(jiān)控系統(tǒng)成本。可見，采用通過開放式IE通訊與上位機系統(tǒng)通訊是一種行之有效的方法，實現了讀取遙信、遙測、定值、SOE和寫入遙控、遙調和定值等功能，完全滿足《DL/T578-1995水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)基本技術條件》實時性、可靠性和通訊安全性要求。由此看來，西門子PLC集成PROFINET接口的CPU模塊采用開放式IE通訊與第三方智能設備通過以太網交換數據是一種值得推廣的方式。
參考文獻
1. 使用STEP7 V5.3編程手冊 2004.1
2. 用于S7-300和S7-400的語句表編程參考手冊 2004.1
3. 用于S7-300和S7-400的系統(tǒng)軟件和標準功能參考手冊 2005.7
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