PLC用于监控系统的现场通讯管理

沈德荣

（浙江嘉化能源化工股份公司，浙江 嘉兴 314201）

氯碱行业整流系统监控和配电系统监控往往不使用同一现场通讯协议，而使用2套后台系统对整流系统和配电系统分别监控，同时，单套系统一般不与太多的整流控制系统进行监控。现建立并运行1个系统由2台WINCC 后台系统同时监控20台整流器及相应20台整流变压器的保护装置及其他动力配电装置的运行状态监视及控制整流器。

1 系统组成

监控网络组网图见图1。

（1）系统设置2台WINCC 监控后台，经2路PROFIBUS（通讯速率为500 kbps）与现场通讯PLC分别进行通讯，确保在任一后台系统故障时，另一台可以继续独立运行。

（2）现场通讯选用的PLC 与整流器控制柜用的PLC 完全相同，即西门子S200的266CPU，其自带的PORT0口和PORT1口可以作为主口运行，扩展模块EM277与上位机通讯。

（3）现场通讯用PLC 的PORT0口或PORT1口可以以PPI 方式与不超过4个从机通讯，链路长路不超过50 m；在此处，有通讯PLC-3的PORT0口与一期整流系统的4台整流器PLC 进行通讯；通讯PLC-4的PORT0口和PORT1口分别与二期整流系统的1～4 4台PLC 和二期整流系统的5～8 4台PLC进行通讯；通讯PLC-6的PORT0口和PORT1口分别与三期整流系统的1～4 4台PLC 和三期整流系统的5～8 4台PLC 进行通讯。

图1 监控网络系统图

（4）现场通讯用PLC 的PORT0口或PORT1口可以以自由口方式与多个MODBUS 协议数据收集用的MCU 单片机从机系统进行通讯，MCU 单片机系统以较低现场通讯速度与保护装置进行通讯，收集的数据由PLC 握手后，向PLC 传送并由PLC 在PLC 内存中保存与处理供后台调用。

2 通讯PLC 与整流PLC 的通讯

2.1 通讯PLC 与整流器PLC 通讯

（1）通讯PLC 每个PORT 口以PPI 主口方式与最多4个整流器PLC 进行通讯，通讯速率为19.2 kbps。

（2）通讯PLC 与每个整流器PLC 在同一时间里仅有1个NETR 或NETW 命令在现用状态，此时，每个通讯PLC 以2个PPI 主口与整流器通讯时可以确保同一时间内激活的NETR 或NETW 命令不超过8条。

（3）通讯PLC 预留2个VD 变量，供后台向整流器下达控制命令，其中一个直接与整流器通讯(以下简称命令变量)，另一个为后台同时下达的2个命令作缓存(以下简称命令缓存变量)，通讯PLC 在完成命令下达后，将命令缓存变量的值传送给命令变量作为新的命令，同时将命令缓存变量清零。

（4）通讯PLC 在每个整流器通讯完成的情况下首先检查该变量，只要该变量非零，且目标地址为该整流器，即发送解析后的NETW 命令，否则，发送循环读的NETR 命令，读数据的目标地址由整流器控制柜的PLC 程序确定，每次读数据最多为16个字节。

2.2 整流器PLC 数据归集

为提高通讯PLC 与整流器PLC 之间在较低的通讯速率下具备单位时间内足够的扫描次数。在整流器PLC 上需对上传的数据进行打包处理，对位信号尽可能组织到32位的四字节VD 格式，而对于精度稍低的模拟量数据及整流变压器档位数据等尽可能以8位单个字节的方式向上传送；总体打包后的数据以2组（最多3组）16个字节完成打包。

同时，为了后台能够显示重要动作的来源，可以安排首出的定义与位信号一起上传给通讯PLC，由通讯PLC 进行解码及信号复归处理。

以株州科瑞提供给浙江嘉代经能源化工公司三期离子膜烧碱用整流器为例的数据定义表见表1。

2.3 整流器操作命令

2.3.1 后台对通讯PLC 下达命令

由于采用2套后台系统对整个整流器系统进行控制，当后台需要对通讯PLC 的2个或以上变量进行写操作时，会对每个变量逐个进行写操作，因此，为避免2台电脑同时对通讯PLC 进行写入而产生误解析并对整流器误控，最简单的办法就是采用单个4字节变量完成每个命令的操作。

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位为控制的数据。如bit31～bit24可以设置为整流器PLC 地址；bit23～bit16可以设置为控制字；bit15～0为设定电流或者对指定地址写入的调试数据。在实际运用中，为了简化程序，通讯PLC的2个主口各对应的4个整流器使用不重复的地址，如PORT0口所带整流器的PLC 地址为2～5，PORT1口所带整流器的PLC 地址为6～9。

表1 离子膜烧碱用整流器数据定义表

实际的二期整流器采用株州科瑞的控制系统，在电流设定时不仅需要设置主控器的设定电流，同时，还需要设置从控制器的设定电流，这时，系统在通讯PLC 提供了2个VD 变量用于控制，即后台可以同时发送A 通道设定电流和B 通道设定电流。

2.3.2 通讯PLC 对整流器下达命令

通讯PLC 与每个整流器通讯完成后检查命令字，当命令变量非零且命令目标地址与当前整流器PLC 地址相同时，转发后台对整流器的操作命令，同时，完成命令缓存变量的移动和清零，否则，对目标整流器PLC 进行读操作。

通讯PLC 对整流器下达命令为对固定的整流器变量区写入，整流器根据数据块中命令字进行操作。通讯PLC 对整流器PLC 控制操作只有1个主站在操作。

2.3.3 后台对通讯PLC 命令字的参考编排

bit31～bit24整流PLC 的地址如POAT0口对应2～5；POAT1口对应6～9。

bit23～bit16控制字及对应bit15～bit0的操作数定义：

16#5A 整流变压器升档降压操作（操作数为零）；16#3C 整流变压器降标升压操作（操作数为零）；16#78整流控制器A 电流设定（操作数为电流设定值）；16#96整流控制器B 电流设定（操作数为电流设定值）；16#87整流器PLC 数据查询地址写入（操作数为地址设定值）；16#E1整流器PLC 在当前查询地址写入数据（操作数为数据设定值，仅当整流PLC 允许写入数据的位置方可写入，调试用）；16#A5整流器PLC 报警复位（操作数为零）。

3 通讯PLC 与通讯MCU 通讯

3.1 采用MCU 作为与PS690的接口

根据国电南京自动化股份有限公司的PS690系列保护测控装置的RS485口MODBUS 通讯协议的规定，PS690系列保护测控装置不能利用西门子S7-200的MODBUS 库程序进行通讯。为了和动力站配电装置能够用1个PLC 进行通讯转换，单个PLC 在9.6 kbps 速率下用2个通道与共计37台装置进行通讯，扫描时间将不能满足后台监视的要求，同时，单个链路的从站数量较多及电缆长度较长都不利于通讯稳定。根据PS690的通讯情况，单个主站一般不超过10个从站，最多不超过16个从站。因此，系统采用MCU 作为与PS690的接口。

3.2 通讯MCU 组成及通讯过程

（1）选用ATMEL 的ATmage162单片机作为通讯用单片机，对于本项目，ATmage162内置2个独立的USART 异步串行口，当采用7.372 8 MHz 振荡频率时，可以使2个USART 分别运行于115.2 kbps 和9.6 kbps。在本项目中USART0以MODBUS 协议按9.6 kbps 的速率与国电南京自动化股份有限公司的PS690U 系列保护测控装置进行通讯；USART1与PLC 以自由口方式按115.2 kbps 的速率进行通讯。

（2）MCU 板设置MCU 地址跳线来设定MCU 板的地址，MCU 根据MCU 板的地址来响应来自通讯PLC 的命令，包括握手与控制命令，在实际系统中，预留了控制操作命令的通道，但未配置操作命令，仅通过通讯用PLC 配置了装置时钟设定的命令。在PLC 与MCU 板通讯过程中，由通讯PLC 设置MCU与那些装置（地址）进行通讯，并规定开关量采集个数和模拟量采集个数。

（3）MCU 板根据PLC 规定的通讯地址和开关量模拟量采集个数主动进行循环采集，并把采集到的数据按采集程序以转发数据包的格式（每个数据包包括转存字节数和转存地址的相对偏移量和14个字节数据信息）保存在MCU 的存贮区内。根据PS690U 的通讯协议和点表，MCU 向PLC 每个装置每次上传开关量为10个字节，模拟量14个字节，每个装置上传模拟量最多为28个字节，PLC 一次握手最多转发24个数据包，即按8台装置轮询一周的数据即每台装置为1个位变量数据包和2个模拟量数据包。

（4）MCU 根据PLC 握手命令，向PLC 转发数据，并标识有无后续数据，直到最后一个数据包的传送，PLC 对MCU 发来的数据的偏移地址和转发字节数保存在PLC 的变量区，供后台读取，同时，PLC 对最多达69位的位变量，选取最多不超过32个位变量以32位的双字格式重新组合供后台访问与记录。同时，PLC 在读取无后续标志的报文时，在完成本报文处理后，发下一个PLC 的握手命令，握手命令包含对MCU 板的MODBUS 通讯控制。

3.3 通讯PLC 与MCU 间通讯报文格式

3.3.1 PLC 至MCU 报文格式

16#A5规定初值；

MCU 地址1～8 0为广播对时报文；

MODBUS 子站地址1～8；bit7为1时，为转发命令，bit7为0时，通讯握手；

MODBUS 子站读开关量数据长度；

MODBUS 子站读模拟量数据长度；

空位备用，填充任意值；

8位XOR BCC 校验值（从第2到第9字节）。

当MCU 地址为0时，为广播对时命令；3～8字节为时间格式，按年月日时分秒共6个字节，MCU将年调整为20xx 格式，将秒转为毫秒格式按对时规约下送。

当MODBUS 子站地址的首位为1时，3～8字节为MODBUS 命令除CRC 外的前6个字节（其中，MODBUS 地址的首位应为0），此功能可以由MCU向保护装置转发远方复归、遥控合开关及遥控分开关命令。

3.3.2 MCU 至PLC 报文格式

16#3CC3规定初值其中16#3C 由PLC 作为接收控制；

MCU 地址1～8；当bit7为1时，有后续报文；

转发字节数，当16#7F 时，无转发；

转发偏移地址指针（需乘以10）及无转发报文定义；

转发数据1～14；

8位XOR BCC 校验值（从第3到第19字节）；

8位XOR BCC 校验值（从第2位到第9位）。

当MCU 至PLC 传送为无报文时，第5个字节定义无报文类型，可由PLC 查询：16#FF 表示本次无数据传送；16#BC 为MCU 读得PLC 对本MCU 的握手报文BCC 错误；不论何种原因，PLC 均不转发数据并对下一PLC 进行握手通讯。

4 通讯PLC 内存的组织

（1）通讯PLC 内存由以下几部分组成：整流器控制PLC 通讯得到数据保存的内存及为后台访问进行转换的数据保存的内存；继电保护装置数据保存的内存及为后台访问将继电保护装置的数据进行处理的内存；PLC 程序所用的内存。

（2）为便于继电保护装置采集的数据在PLC 中的存贮，按当前项目每个通讯PLC 最多仅用1个PLC 口与通讯MCU 板通讯，每个MODBUS 子站在PLC 中安排50个VB 内存进行分配。同时，在这50个VB 内存中通讯读入内存为38个，有12个可以用作处理后数据的保存。

（3）整流器数据由于通讯变量总体数量较少，在VB1000以后与继电保护装置采集的数据存放位置可以重迭，同时，在同一区域内安排转换后的数据。在一期整流站需同时存放8台保护装置数据和4台整流器数据，在这里，8台继电保护装置数据需存放在VB100～VB845的内存中。

（4）用于继电保护装置采集PLC 程序所用内存尽可能安排内存的高端区域；用于整流器采集的PLC 程序所用内存安排在整充器数据区域。

5 通讯PLC 程序编制原则

（1）通讯PLC 与整流PLC 的通讯按照每个PLC从机在任何时候只占用1个NETR 或NETW 指令，并以命令优先为基本原则。

a.在任何通讯错误时,设置足够的延时后再恢复通讯。

b.在通讯PLC 预留控制用位，使后台能够控制通讯PLC 停止及开启与整流控制PLC 的通讯，提高后台与运行整流器的通讯可靠性。

（2）通讯PLC 与通讯MCU 的通讯

a.通讯PLC 与通讯MCU 之间一直采用循环轮询的方式进行通讯，并采用定帧长的方式握手并以定帧长的方式回答，通讯PLC 向通讯MCU 握手后，为提数据上传的速度，MCU 将连续将转发的报文传送给通讯PLC，直到缓存的数据全部送完。此时，最多一次返送24个数据帧。

b.通讯PLC 与通讯MCU 握手时，轮流将通讯MCU 的MODBUS 读取控制值下送给通讯MCU，使通讯MCU 退出再投运时，尽快获取本MCU 的通讯参数，投入正常通讯（通讯MCU 除设置通讯MCU地址跳线外，程序是一样的）。

c.中断程序对状态位的改变，在主程序中，确保仅允许在一处使用，以避免因中断程序返回位置不同，使程序执行错误。

d.接收通讯完成后，需检查有无命令存在，有命令时，以发送命令优先，在运行项目中仅采用对时命令。

（3）通讯PLC 中的数据处理程序

a.为了加速数据的上传，在本项目中对整流数据上传时对于VD212 PLC 查询数据与VB212～215有载变压器档位、整流器水压、水温及有载变压器上层油温共用一个数据区，在通讯PLC 中，需要根据整流PLC 中V202.0查询数据位来进行解析，对于V203.0～2故障首出表示故障1～7和没有故障均需要在通讯PLC 中完成解析后由后台读取；另一方面，对一些故障需由PLC 对各台整流器故障进行综合后由后台读取和报警，减少报警显示，突出重要报警。

b.对于每个微机保护装置的重要位变量在后台得到记录，也需要由通讯PLC 对保护装置的位变量进行重新组装后由后台读取，由于整流进线未配置保护装置，为在后台可以看到每条母线的电流和有功功率，也需要通讯PLC 进行加法计算。

c.通讯PLC 同时承担部分直接数据的采集和上传。

6 结语

（1）本文介绍系统目前已带有三期共20台整流控制PLC，三期共20台有载调压变压器的24台微机保护装置的数据收集以及动力站37台微机保护装置的数据收集。

（2）PROFIBUS 总线187.5 kbps 数据收集正常，PROFIBUS 总线实际运行速度为500 kbps，作为PROFIBUS 子站通讯PLC 为6个，小于OPC 允许12子站的规定。

（3）通讯PLC 的每个PPI 口子站均为4个，通讯速率为19.2 kbps，链路长度均在50 m 以内；通讯PLC 的每个自由口通讯MCU 子站最多为6个，且与通讯PLC 装在同一控制箱内，通讯速率为115.2 kbps；通讯MCU 与微机保护装置通讯在站内进行，每个MCU 与最多8个保护装置通讯，通讯速率为9.6 kbps。

（4）为了提高轮询的速度，通讯MCU 不采用协议转换器的工作方式，而是由通讯MCU 以主设备直接轮询的方式与微机保护装置通讯，再在通讯PLC 与其握手时，将数据传送给PLC，PLC 再根据数据的规定保存在相应位置，最终由PLC 提供给后台访问这些数据。

（5）由于将整流器PLC 数据和微机保护装置数据均由西门子S7-266的PLC 作为通讯管理用PLC来收集，由WINCC 组成的后台仅面向用于通讯控制的西门子的PLC 进行通讯，从而使系统运行更稳定。

（6）由于采用互为备用的2个后台对系统进行监控，同时简化了操作命令的编排，每班仅需1名中控运行人员便完全可以胜任，同时可在单台后台电脑故障时，保证生产正常进行。