基于S7-400H PLC与上位机双机双网Modbus TCP冗余通信

金星

(上海市政养护管理有限公司，上海 201105)

0 引 言

城市地铁具有快速、安全、运载能力强的优点，是解决城市交通拥堵最有效的手段之一[1]。地铁的环境与设备监控系统(BAS)主要对车站及区间隧道内的空调通风、给排水、照明和电梯扶梯等机电设备进行全面的运行管理与控制[2]。地铁环境与设备监控系统在特殊工况下须承担一定的防灾任务，因此对地铁的正常运营和乘客人身安全至关重要，属于安全系统，因此《地铁设计规范》对系统的可靠性提出要求[3]。地铁运行要求BAS系统具有极高的可靠性，特别是选择具有支持冗余技术的高可靠系统，通过冗余设计进一步提高系统的可靠性[4]。其中对于PLC及上位机系统通信的冗余度要求也较高，某些情况下要求支持PLC与上位机双机双网冗余通信。

西门子S7-400H系列冗余PLC提供使用以太网CP443-1模块的开放式Modbus/TCP进行冗余通信的功能。但该功能基于单CPU配置一块以太网CP443-1模块的方式，只支持上位机双机单网的通信方式，无法支持上位机双机双网冗余通信的方式。在西门子S7-400H系列冗余PLC提供使用以太网CP443-1模块的开放式Modbus/TCP进行冗余通信功能的基础上，通过与上位机通信标志位的判断进行内部DB数据块的切换，实现单CPU配置两块以太网卡与上位机双机双网冗余通信的方式。

1 系统结构

图1 双机单网冗余通信示意图

地铁地下车站两端的冗余PLC控制器采用西门子的S7-400H型，以靠近车控室端为主端, 远离车控室端为从端[5]。在主端西门子S7-400H系列冗余PLC中，通过CP443-1以太网模块基于开放式Modbus TCP冗余通信的方式与上位机进行双机单网的冗余通信，如图1所示。但在地铁项目中，由于对系统的冗余度与稳定性要求较高，提出PLC与上位机应采用双机双网冗余通信的方式，如图2所示。

图2 双机双网冗余通信示意图

在双机单网冗余通信系统中，PLC的以太网CP443-1模块及上位机均处于一个网段中。S7-400H在同一时刻只有通过其中一个连接与通信伙伴建立通信，但正在通信的连接中断时，功能块库会使CPU自动切换到其他通信链路而无须用户手动切换。

而在双机双网冗余通信系统中，PLC中一块CPU下挂载的两块以太网CP443-1模块处于不同的网段中,而一台上位机也安装了两块以太网卡，处于两个网段中。

2 双机单网冗余通信结构分析

西门子对于使用以太网CP443-1模块的开放式Modbus TCP进行冗余通信的功能，提供“Modbus TCP CP Redundant V1.0”安装包，里面提供了相应的安装软件及使用说明。

双机单网Modbus TCP冗余通信系统中，对PLC的以太网CP443-1模块及上位机的网卡进行配置，使之处于同一个网段中，见图1。图3给出了对系统功能块FB1733"MODB4H"背景数据块数据的配置。

图3 双机单网FB1733"MODB4H"的背景数据块数据配置

按图3配置后，将上位机需读取的PLC数据存放在地址为4****的Input Register中，用上位机使用功能码04进行读取。而上位机对相应设备进行遥控或遥信的PLC地址则在3****的Holding Register中。具体相应DB块对应的Modbus地址如图4所示。

通过该配置，上位机通过图1中1A、1B、2A、2B这4条链路对冗余PLC进行数据读写操作，所进行读写的均为对DB1*数据块的操作。

图4 DB1*块数据对应Modbus地址

3 双机双网冗余通信结构设计

为实现双机双网冗余通信结构，应按西门子所提供的以太网CP443-1模块的开放式Modbus TCP冗余通信链路，重复配置两个Modbus TCP通信链路。图5给出了对系统功能块FB1733"MODB4H"的背景数据块数据的配置。

图5 双机双网FB1733"MODB4H"的背景数据块数据配置

图5中Sever1部分的配置对应图2中从10.101.3.50、51这两张网卡读写的PLC数据块DB3*。图5中Sever2部分的配置对应图2中从10.1.3.50、51这两张网卡读写的PLC数据块DB4*。

图6为Sever1对应的数据块DB3*和Sever2对应的数据块DB4*，分别对应Modbus地址。

图6 DB3*、 DB4*块数据对应Modbus地址

如图6所示，虽然Modbus地址相同，但是从10.101.3.50、51这两张网卡进行读写操作对应的DB数据块和从10.1.3.50、51这两张网卡进行读写操作对应的DB数据块是不同的，无法直接实现双机双网冗余通信功能。要上位机通过图2中1A、1B、2C、2D、3A、3B、4C、4D这八条链路实现双机双网冗余通信的功能，还需进行以下功能设计。

3.1 上位机与冗余PLC通信检测机制设计

对于上位机和PLC之间的通信要先进行通信链路的选择与判断。

上位机采用轮询机制，按照1A、1B、2C、2D、3A、3B、4C、4D的顺序，对这八个链路通道进行轮询。如先对链路1A状态进行检测，如果通道状态正常，则只通过链路1A对相应10.101.3.50网卡进行读写操作。如链路1A状态监测不响应或返回错误，则对链路1B进行检测，如链路1B检测通道状态正常，则通过链路1B对相应10.101.3.51网卡进行读写操作，以此类推。

在上位机与冗余PLC建立相应通信链路后，上位机在每次读写操作前发心跳下去，以便PLC确定激活的通信链路。具体办法为：上位机在每次读写操作前，向双方约定的一个Mobus地址写入1，而PLC通过在每次运行程序时检测该地址对应的DB3*或DB4*数据块地址哪个为1，来确认上位机是通过1A、1B、3A、3B链路进行读写，还是通过2C、2D、4C、4D链路进行读写操作的。PLC程序判断过后，然后对约定的Mobus地址进行复位，以便每次运行时判断上位机进行读写操作建立的链接。

如确定上位机与PLC约定发送心跳的Modbus地址为40002，发送数值为1。冗余PLC中编写程序在每次执行前，先检测DB31.DBX3.0和DB41.DBX3.0。如果DB31.DBX3.0值为1，判断上位机是通过1A、1B、3A、3B链路对PLC进行读写操作。如果DB41.DBX3.0值为1，则判断上位机是通过2C、2D、4C、4D链路对PLC进行读写操作。

3.2 上位机对冗余PLC读取数据机制

在上位机与冗余PLC通信链路检测后，上位机对冗余PLC进行读写操作。如图6所示，上位机通过链路1A、1B、3A、3B所读取数据对应的内部数据块为DB36、37数据块，通过链路2C、2D、4C、4D所读取的数据对应内部数据块为DB46、47数据块。对于上位机读取PLC内数据，无需判断通信链路，只需将上位机所需读取数据同时复制到DB36、37和DB46、47相同的地址即可。

如上位机需读取PLC中DI点I0.0～I99.7的值，可在程序中将DI点I0.0～I99.9复制到DB36.DBX0.0～DB36.DBX99.7，并同时在程序中将DI点I0.0～I99.9复制到DB46.DBX0.0～DB46.DBX99.7。上位机读取DI点I0.0～I99.7的值Modbus地址为30001～30050，无论上位机与PLC的通信链路走哪条链路，读取的数值均相同且为DI点I0.0～I99.7的值。

3.3 上位机对冗余PLC写入数据机制

在上位机与冗余PLC通信链路检测后，上位机对冗余PLC进行写入操作。首先根据DB3*和DB4*的格式、大小，设置相同格式、大小的DB11、12、13数据块，作为上位机写入数据的转存地址。

如图6所示，上位机通过链路1A、1B、3A、3B所读取数据对应的内部数据块为DB31、32、33数据块，通过链路2C、2D、4C、4D所读取数据对应的内部数据块为DB41、42、43数据块。由于上位机在同一时间只可能通过1A、1B、2C、2D、3A、3B、4C、4D这八条链路中的一条链路向PLC写入数据，这就需要通过3.1章节中的上位机与冗余PLC通信检测机制来判断具体建立的是哪条通信链路，并以此判断被上位机写入数据的是DB31、32、33数据块还是DB41、42、43数据块。最后根据判断结果将DB31～33或DB41～33数据块使用SFC20(BLKMOV)系统功能块复制到DB11～13数据块，程序将根据DB11～13数据块中的遥控、遥调数据执行相应程序。

4 结束语

通过基于西门子冗余PLC“OPEN Modbus TCP CP Redundant V1.0”软件包，在此基础上通过PLC内部程序的开发，并与上位机通信软件的配合，实现了西门子冗余PLC本身并不支持的PLC与上位机双机双网Modbus/TCP冗余通信功能。系统冗余的目的主要是让系统具有高可靠性[6]，该功能明显达到了增加PLC与上位机通信可靠性的目的。该功能在南京地铁项目中投入实际使用，使用效果达到设计目标，运行情况良好。