基于西门子PCS7的多现场总线控制系统通讯

平国楠，王 琦，关燕鹏，孙竹梅

（山西大学 自动化系，太原 030013）

现场总线具有特别强的开放性和分布式结构，在生产现场应用十分广泛。现场总线具有许多优点，如互用性和互可操作性强、系统协议开放性高、智能化水平高和较好的功能自治性、系统高度分散性以及具有特别强的环境适应性[1-3]。随着经济发展，过程控制系统中现场仪表数字化和智能化程度逐步增强，生产过程检测与控制的点数与精度以及可靠性方面的要求越来越高，现场仪器仪表与主控系统间的通信愈加重要。

当主控系统与现场设备通信协议不同时，会产生多现场总线协议控制系统通讯不兼容问题。对工业现场数据采集和过程控制造成严重影响。本文通过试验平台，以西门子PCS7为主控系统，施耐德PLC及欧姆龙PLC为第三方设备，实现Profibus-DP网络、Modbus网络、Devicenet网络的互联，旨在解决多现场总线协议控制系统通讯问题。

1 系统设计

主控系统选取西门子PCS7，远程设备分别选取使用Modbus协议的Modicon M340 PLC和使用DeviceNet协议的欧姆龙PLC。以Modicon M340 PLC水箱液位控制系统和欧姆龙PLC制冷系统作为现场控制级，PCS7主控系统作为监控级。通过实现水箱液位和冷却水的现场控制和远程监视控制，表明西门子PCS7与Modbus现场总线协议控制系统及DeviceNet总线协议控制系统通讯成功。

硬件系统包括西门子DCS、欧姆龙PLC、Modicon M340 PLC和通信网关组成。集成系统结构如图1所示。

图1 系统结构Fig.1 System structure

1.1 西门子PCS7系统

西门子PCS7系统是先进的过程控制系统，主要包括 Step7、CFC、SFC、Simatic Net和 WinCC 以及PDM等软件，硬件选用S7-400高端CPU。本文使用1台PC机同时作为DCS服务器、操作员站、工程师站，完成数据采集、信息交互、DCS组态和维护。自动化站与现场设备通过Profibus-DP端口通讯，与服务器和工程师站通过CP443-1模块通过Ethernet实现通讯。硬件型号如表1所示。

1.2 Modbus现场总线

工业现场中大量设备使用Modbus协议进行通信，应用于各种数据采集和过程监控[4]。Modbus网络只有1个主机，支持247个从站。由于Modbus协议完全公开且免费，具有较好的开放性和经济性，成为了通用的现场总线，多数变频器、二次仪表和各个品牌的PLC都支持Modbus协议。本文通讯系统选用Modbus设备型号如表2所示。

表1 西门子PCS7硬件型号表Tab.1 Hardware model of Siemens PCS7

表2 Modbus设备型号表Tab.2 Hardware model of Modbus device

1.3 DevcieNet现场总线

DeviceNet协议具有成本低、开放性好的优点，主要用于设备层通讯，现已经成为IEC国际标准总线之一。它最多支持64个节点，通信速率为125 kb/s～500 kb/s，支持点对点，多主或主/从通信。可带电更换网络节点，也能在线修改网络配置。采用CAN物理层和数据链路层规约，支持选通、轮询、循环、状态变化和应用触发的数据传送。既适用于连接低端工业设备，又能连接变频器、操作终端这样的复杂设备。本文以欧姆龙PLC作为DeviceNet主站，DeviceNet/Profibus-DP连接器同时作为DeviceNet网络和Profibus-DP网络从站实现信息传输。

表3 DeviceNet通讯设备选型列表Tab.3 Hardware model of DeviceNet device

2 硬件连接及通信

系统通讯过程如图2所示，Modbus网络和DeviceNet网络数据分别通过Serial/Profibus-DP网关和DeviceNet/Profibus-DP网关传输至西门子DCS，通过设定扫描方式和扫描时间保证系统的实时性和数据传输的高效性。

图2 工作原理Fig.2 Working principle of system

DeviceNet与Profibus-DP通过映射关系进行数据转换，网关PD-100S中有Profibus网络输入缓冲区和Profibus网络输出缓冲区。网关读入的数据存入网络输入缓冲区，供Profibus读取。网关同时从网络输出缓存区取数据通过写命令输出到相应DeviceNet设备。PD-100S同时作为Profibus网络节点和DeviceNet网络节点，需占用两边网络节点位置。DeviceNet网络中进行通信首先要建立设备连接。将欧姆龙PLC DeviceNet主站模块连接器端子与Devicenet/Profibus-DP网关端子连接，管脚1和管脚5接24 V供电。

现场控制设备采用施耐德PLC Modicon M340，通过网关PM-160与控制级西门子DCS的控制器S7-400进行通信。Modicon M340 PLC能够对生产过程的各项数据进行采集。将采集到的参数设定相应变量，在特定的寄存器中进行存储。通过PLC中的变量表读出每个变量寄存器地址，能够明确知道该变量存储位置。网关设备中有Modbus PLC地址对应关系，在网关配置软件中，可以根据Modbus从站所读取数据的地址自动生成网关对应地址。网关从Modbus PLC侧读取数据存储至对应位置，再将数据从存储位置发送至西门子DCS。西门子DCS通过PCS7完成组态，在组态中通过导入网关PM-160的GSD文件，将网关组态至Profibus-DP网络上。通过编写相应程序，完成数据的读写，及实时监控。

3 系统组态及程序设计

3.1 DeviceNet系统组态

通过对网关PD-100S的设置，可以实现DeviceNet和Profibus-DP的数据通信，即可连接具有DeviceNet接口的主站设备到Profibus-DP网络，实现带Profibus-DP接口的PLC与DeviceNet接口的PLC之间的数据交换。主要设置如下：

配置DeviceNet PLC通过调试软件CX-Pro grammer Ver.8.1与PLC进行连接，对PLC进行编程和监控。修改计算机的IP地址与PLC的IP地址在同一网段。在软件CX-Programmer中进行硬件配置。

配置DeviceNet/Profibus-DP网关通过旋码开关与拨码开关的设置硬件地址，通过超级终端配置输入输出字节长度、网络状态字、数据交换方式以及工作方式。

为了能够更加直观地观察变量变化情况，使用组态王软件对欧姆龙PLC进行画面组态。

3.2 Modbus系统组态

Modbus系统组态主要分为Modbus PLC组态和网关组态两部分。

通过RS485连接计算机与Modbus PLC，使用串口通信软件Modbus Poll测试Modicon M340 PLC与计算机通信情况。测试通信正常后，使用Unity Pro软件对PLC进行配置。首先，根据设备实际型号在编辑器中配置机架、电源、CPU等模块。然后进行CPU通讯设置，设置PLC为Modbus从站，且参数与网关参数对应。最后编写程序进行调试。

使用软件PM-123配置PM-160，对Modbus和Profibus-DP现场总线的相关参数和命令进行设置。PM-123主要用于对子网即Modbus侧参数进行配置，包括协议类型、通信波特率、数据位、校验方式、通讯传输模式等。可对子网参数进行配置，增加节点并对节点地址进行设置，地址范围为0～247，增加命令对数据传输进行设置。

从地址默认为增加节点时设置的节点地址，功能码默认为本条命令的功能码。校验类别默认为CRC，字/字节映射方式为全字。这几项为不可修改项。内存映射起始地址为软件根据所填入的Modbus寄存器起始地址自动映射地址。

同样，为了能够更加直观地显示出变量变化情况进行了画面组态。

3.3 PCS7系统组态

如图3所示，首先组态自动化站。根据设备实际型号插入机架、电源模块、CPU、通信模块。将PD-100S网关和PM-160网关作为DP网络的子站组态在DP网络中。并分别在其中插入相应的I/O模块，进行数据读取。其次组态工程师站，通过CFC编写程序进行数据读写，并在OS站中组态相应画面。

图3 PCS7硬件组态Fig.3 Hardware configuration of PCS7

4 系统调试及结果

首先，实现 Serial/Profibus-DP网关与施耐德 PLC的Modbus通信。网关能够对施耐德PLC中的数值进行读取和写入。其次，完成了西门子DCS通过网关与施耐德PLC的通信[5]。之后，实现DeviceNet/Profibus-DP与欧姆龙PLC的通信。最终，实现西门子DCS与欧姆龙PLC通信并进行整体通信测试。通过PCS7组态画面能够反映Modbus PLC和欧姆龙PLC中数值变化情况，同时，Modbus PLC和欧姆龙PLC也能够根据西门子DCS指令进行相应动作，说明通信成功。

5 结语

本文针对多现场总线控制系统的通信不兼容问题，提出使用硬件集成Serial/Profibus-DP网关和DeviceNet/Profibus-DP网关的通信方案。通过西门子PCS7实现对水箱液位系统、制冷系统中数据的远程监视及控制，达到Modbus网络、DeviceNet网络和Profibus网路数据互通，实现了基于西门子PCS7的多现场总线控制系统的通信。可以在电厂的扩建和改造过程中，保留电厂原有的西门子监控级设备或使用Modbus协议和DeviceNet协议的现场总线仪表，降低电厂的扩改成本，并缩短电厂的扩改工期。扩展了西门子系统与现场设备的兼容性，对促进自动控制系统全厂一体化和现场总线发展具有较强的实际意义。

[1]印江，冯江涛.电厂分散控制系统[M].北京：中国电力出版社，2006.

[2]潘新民，王燕芳.微型计算机控制技术[M].2版.北京：电子工业出版社，2014.

[3]廖常初.S7-300/400 PLC应用技术[M].3版.北京：机械工业出版社，2011.

[4]孙竹梅，平国楠，王琦，等.西门子DCS与Modbus PLC的异构集成[J].自动化与仪器仪表，2016（12）：47-49.

[5]王琦，程晨，孙竹梅，等.Profibus-DP与Modbus协议通信兼容设计[J].工业仪表与自动化装置，2016（6）：53-56.