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    摘要:介紹了SiemensCP341模塊和ModbusRTU協(xié)議，并詳述了用CP341模塊實現(xiàn)MODBUSRTU協(xié)議的方法和設(shè)計思路。證明了CP341模塊在和其它設(shè)備采用這種通訊協(xié)議時穩(wěn)定可靠，這種協(xié)議轉(zhuǎn)換方法很適合控制現(xiàn)場使用。

引言：

    液化石油氣罐區(qū)因存儲有大量易燃、易爆物料，對企業(yè)安全生產(chǎn)、人員的生命安全及生態(tài)環(huán)境都構(gòu)成了極大威脅，大部分液化氣罐區(qū)都構(gòu)成了一級重大危險源。增加自動化手段，實現(xiàn)安全聯(lián)鎖的“技防”手段是避免事故發(fā)生，確保安全生產(chǎn)的有效手段。本文闡述了浙大中控JX-300XP系統(tǒng)和西門子S7300PLC通訊技術(shù)在液化氣罐區(qū)的成功應(yīng)用。

一、控制系統(tǒng)簡介

    控制系統(tǒng)采用浙大中控JX-300XP系統(tǒng)。它是由浙大中控開發(fā)的WebFieldJX-300XP集散控制系統(tǒng)，它吸收了最先進(jìn)的通信技術(shù)、微電子技術(shù)；應(yīng)用了最新信號處理技術(shù)、高速網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、可靠的軟件平臺和軟件設(shè)計技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)；采用了高性能的微處理器、成熟的先進(jìn)控制算法；適應(yīng)更廣泛更復(fù)雜的應(yīng)用要求；全數(shù)字化、結(jié)構(gòu)靈活、功能完善。它的主要特點：永不死機的主控制卡技術(shù)；危險分散的小卡件模式；靈活多變的方案配置；簡單易用的中文界面及內(nèi)核；保護(hù)用戶投資的系統(tǒng)延續(xù)性。

    PLC系統(tǒng)采用熟悉的西門子S7300PLC來完成。西門子S7300是其模塊化結(jié)構(gòu)、易于實現(xiàn)分布式的配置以及性價比高、電磁兼容性強、抗震動沖擊性能好，使其在廣泛的工業(yè)控制領(lǐng)域中，成為一種既經(jīng)濟又切合實際的解決方案。

二、通訊系統(tǒng)簡述

    伺服液位計通訊：溫度信號直接接入伺服液位計，壓力通過HART進(jìn)伺服液位計，然后伺服液位計通過標(biāo)準(zhǔn)的V1通信協(xié)議把液位、溫度、壓力上傳至控制室數(shù)據(jù)采集單元NXA820，然后通過赫斯曼工業(yè)以太網(wǎng)交換機和通信網(wǎng)關(guān)NXA822，與罐區(qū)DCS系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)ModbusRS485形式實現(xiàn)通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)實時監(jiān)控。

    磁浮子液位計通訊：因球罐安裝的磁浮子液位計沒有遠(yuǎn)傳功能，無法在控制室內(nèi)實時監(jiān)測到罐液位情況。為此又增加了瑞安新欣的UHZ系列產(chǎn)品磁浮子液位計變送器，通過將磁浮子變送器4~20mA信號采集至PLC系統(tǒng)，PLC收集到信號以ModbusRS485通訊的形式送至DCS實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。現(xiàn)著重描述JX300XP與PLC之間的通訊。

    JX300XP與PLC之間采用ModbusRTU協(xié)議通訊。Modbus協(xié)議是目前工業(yè)領(lǐng)域最流行的協(xié)議，它是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言，通過此協(xié)議，控制器之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（如以太網(wǎng)）和其他設(shè)備之間可通信。它已成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。Modbus控制器數(shù)據(jù)通信采用Master/Slave（主/從站）方式通信，主站能初始化傳輸數(shù)據(jù)，從站根據(jù)主站提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。所以PLC系統(tǒng)增加通訊卡CP431實現(xiàn)與DCS的通訊。 

三、卡件應(yīng)用簡述

   CP341通訊模塊是西門子S7-300/400系列PLC中的串行通訊模塊，具有1個串行通訊口，可以使用這種通訊模塊實現(xiàn)S7300/400與其它串行通訊設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。

    XP248多串口多協(xié)議通訊卡是DCS系統(tǒng)與其他智能設(shè)備（PLC、變頻器）互連的網(wǎng)間連接設(shè)備，是SCnetⅡ網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之一，在SCnetⅡ網(wǎng)絡(luò)中處于與主控卡同等地位。其功能是將用戶智能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過通訊方式連入DCS系統(tǒng)中，通過SCnetⅡ網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)在DCS系統(tǒng)中的共享。

四、通訊實現(xiàn)方法

4.1CP341與XP248的端子XP526傳輸接口連接

    此種通訊的成功案例是：液化氣球罐區(qū)隱患治理改造項目，它采用了一種新型的數(shù)據(jù)采集模式,充分利用了伺服液位計的多功能、組態(tài)靈活方便的特點。把溫度、壓力接入伺服子液位計通過通訊的方式進(jìn)入DCS，而罐體的另一種測量方式磁浮子液位計則安裝遠(yuǎn)傳的磁浮子變送器由PLC采集數(shù)據(jù)也通過通訊的方式進(jìn)DCS。如圖1所示：

圖1PLC和DCS之間數(shù)據(jù)通訊方式

    在本項目中采用的傳輸接口形式為RS485。RS485可以說是最簡單高效的串口了，傳輸效率高，距離遠(yuǎn)。RS485采用一根雙絞線傳送，兩條線間的電壓差用于表示數(shù)字信號。通訊距離可達(dá)1200m，若采用合適的電路可達(dá)到2.5MB/s的傳輸速率。輸入輸出信號不能同時進(jìn)行（半雙工）。但是，RS485可用于多點通訊，一條信號線上可連接多臺設(shè)備。在雙絞線中橙綠兩對線繞的更緊一些，所以建議選取其中一對作為CP341與XP248通訊的連接電纜；其實在實際應(yīng)用中用較好的屏蔽電纜也可。其中CP341接線如圖2所示。

圖2CP341與其它串行通訊設(shè)備接線圖

    248卡件每個通道都支持RS232及RS485通訊方式，背板上有4個通訊方式跳線，可以對通訊方式進(jìn)行選擇。跳線方式與通訊方式對應(yīng)關(guān)系如圖3所示；

圖3跳線方式與通訊方式對應(yīng)關(guān)系

    CP341進(jìn)行RS485通訊時，通訊電纜采用雙絞線的2線電纜，將CP341的4（-）、11（+）與端子XP526的相應(yīng)端子連接。

4.2PLC端硬件通訊接口組態(tài)

    在本應(yīng)用中采用國際上通用的Modbus通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。此協(xié)議定義了控制器能夠認(rèn)識和使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。Modbus分為ASCII、RTU兩種協(xié)議，本應(yīng)用為RTU方式，Modbus規(guī)定了消息、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、命令和就答的方式，數(shù)據(jù)通訊采用Maser/Slave方式，Master端發(fā)出數(shù)據(jù)請求消息，Slave端接收到正確消息后就可以發(fā)送數(shù)據(jù)到Master端以響應(yīng)請求；Master端也可以直接發(fā)消息修改Slave端的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)雙向讀寫。在本應(yīng)用中PLC為數(shù)據(jù)的擁有端，故為從站Slave；而DCS擁有讀寫權(quán)，故為主站Master。

4.2.1首先在PLC硬件組態(tài)中插入CP341通訊卡，安裝Setup_PtP_V513這個文件夾內(nèi)的程序即ptp通訊文件。

    4.2.2再安裝Modbus-Slave315文件夾內(nèi)的程序即plc作為從機。然后PLC內(nèi)就能找到Modbus-Slave即可設(shè)置即：組態(tài)通訊接口參數(shù)，在通訊協(xié)議下選擇Modbus-Slaver協(xié)議。在“Protocol”參數(shù)設(shè)定，通訊波特率設(shè)為9600、數(shù)據(jù)位8位、停止位1位、校驗為偶校驗、CP341作為Modbus從站的地址為222。并規(guī)定消息、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、命令和就答的方式。所以在本應(yīng)用中最重要的工作就是設(shè)定通訊的數(shù)據(jù)區(qū)，從存儲區(qū)0-1023分配地址。對硬件組態(tài)存盤編譯,下載硬件組態(tài);如果SF亮,把通訊電纜與另一通訊組件連接,SF燈滅說明組態(tài)正確。

4.3PLC端通訊軟件編程

    定義組態(tài)了硬件接口通訊參數(shù)和通訊數(shù)據(jù)區(qū)后，為了該組態(tài)有效的工作，需要在軟件中編程，使之工作有效。打開PLC編程軟件的OB1組織塊，對CP341進(jìn)行軟件組態(tài)，在這里用到了西門子PLC用于Modbus-Slaver通訊的專用程序功能塊FB80“MODB_341”并建立相應(yīng)DB數(shù)據(jù)塊。將該程序下裝到PLC中后，則在PLC端的組態(tài)工作即告完成。見如圖：

在編程中注意事項：

首先注意對FB80塊初始化ANM180.0

SM180.0

AM180.1

RM180.1

二是數(shù)據(jù)位的調(diào)整，即PLC和DCS寄存器高位低位的調(diào)整。

4.4DCS端通訊接口硬件組態(tài)

    對浙大中控JX-300XPDCS進(jìn)行通訊組態(tài)，XP248通過SCControl圖形化編程軟件進(jìn)行通訊組態(tài)。SCControl軟件中已經(jīng)集成了通訊設(shè)置功能以及ModbusRTU功能塊、HostLink功能塊等。利用SCControl軟件提供的數(shù)值或邏輯運算功能，XP248可以根據(jù)需要將智能模塊輸出的數(shù)據(jù)實現(xiàn)復(fù)雜的轉(zhuǎn)換。（不支持SCControl中的I/O功能塊以及PID控制算法功能塊）。但在這個項目中僅僅讀取示值。

XP248組態(tài)主要幾個部分：

    首先是SCent組態(tài)。由于XP248與主控卡都掛接在SCentⅡ網(wǎng)絡(luò)上，其組態(tài)方法與主控卡相同所以也占用SCentⅡ網(wǎng)絡(luò)IP地址,掃描周期為0.5秒，通訊卡選XP248。

    其次是自定義位號組態(tài)。從下掛設(shè)備讀出或?qū)懭胂聮煸O(shè)備的數(shù)據(jù)都存放在自定義位號中，XP248通過這些自定義位號與控制系統(tǒng)的操作員站、服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

    最后是通訊組態(tài)。通訊組態(tài)也分為三個部分，一是對串口通訊參數(shù)組態(tài)，包括波特率、校驗方式等；二是命令組態(tài)包括具體的Modbus通訊

4.5DCS端通訊軟件編程

首先對SCControl內(nèi)置的XP248功能塊說明

4.5.1GW_SETCOM功能塊

功能：串口通訊參數(shù)設(shè)置模塊

輸入：

ComId：BITE(串口號0-3)

Baud：DWORD（波特率）

DataBit：BYTE（數(shù)據(jù)位5,6,7,8）

StopBit：BYTE（停止位1，2）

Verofy：BYTE（0：無校驗；1：偶校驗2：奇校驗；3：SPACE空格；4：MARK標(biāo)志）

AltTim：WORD（兩條命令之間的間隔時間，單位ms），當(dāng)該串口用于從機模式時，該值應(yīng)該置為0.

Duplex：BOOL（OFF:非冗余通道ON：冗余通道）

輸出：Link：BYTE（用于后續(xù)鏈接，是Comid的復(fù)制）

注意：功能塊引腳輸入在運行時不能改變。（奇校驗和偶校驗位跟在一個字節(jié)之后，說明一個字節(jié)信息的特性；具體傳輸時，先從低到高位傳信息字節(jié)，再傳校驗位）

4.5.2GW_MODBUS_RTU功能塊

功能塊：GW_MODBUS_RTU主機模塊

輸入：

CmdId：BYTE（命令號0-255，要求每條命令不能重復(fù)。通道冗余情況下，占連續(xù)兩個命令號，組態(tài)時只組偶數(shù)命令）

ComId：BYTE（串口號0-3）

Cycle：WORD（執(zhí)行周期，單位ms）

Acktim：WORD（命令最大的超時時間，單位ms，一般取200ms）

Slave：（Modbus從機地址）

Func：（功能號，支持1,2,3,4,5,6,15,16號命令）Modbus的命令

Start：WORD（數(shù)據(jù)起始編號1~65535）

Num：WORD（該命令操作的寄存器或線圈等的個數(shù)，Modbus協(xié)議對位變量（線圈或輸入狀態(tài)），一次最多可以存取2040個；對16位寄存器，一次最多可以存取127個。）

輸出：LinkBYTE（用于后續(xù)鏈接，是Cmdid）

注意：功能塊引腳輸入在運行時不能改變。每一條命令的CmdId都對應(yīng)一個緩存區(qū)，由此命令發(fā)出或受到的數(shù)據(jù)必然會此緩存區(qū)內(nèi)保留。串口作為主設(shè)備，其下掛設(shè)備的設(shè)備號就是Slave值。

根據(jù)功能塊說明進(jìn)行組態(tài)即可。

五、結(jié)束語

    通過使用CP341點對點通訊模塊和JX300-XP之間的通訊，解決了不同的應(yīng)用系統(tǒng)之間通過Modbus標(biāo)準(zhǔn)通訊進(jìn)行相互通訊的方法，同時也為將不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成到一個系統(tǒng)中提供了可能的實現(xiàn)方法。基于ModbusRTU通訊協(xié)議的X300XP與SiemensCP341之間的通訊，解決了西門子PLC與浙大中控JX-300XPDCS通訊的功能并且也解決了隱患治理中問題為生產(chǎn)車間的安穩(wěn)操作提供了保障；到目前為止，通訊系統(tǒng)運行效果良好可靠。

六、參考文獻(xiàn)：

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