DCS控制系统与S7-200 PLC的通信实现及应用

赵劲松，田 龙，司华良

(云南云天化股份有限公司红磷分公司，云南 开远 661600)

0 引言

可编程逻辑控制器(programmable logic controller， PLC)作为一种广泛使用的控制系统，往往用于小单元装置和关键设备机组的控制，可形成独立的通信控制单元网络。对流程化生产装置而言，需要生产装置各单元数据信息的互通互连，形成统一的生产操作控制体系。本文通过对Modbus通信协议数据交换原理的研究，利用数据通信的方法实现远程PLC与主控分散控制系统(distributed control system，DCS)的通信。

磷矿浆浮选技术改造项目自动压滤机装置控制系统使用西门子S7-200 PLC为核心的逻辑控制系统，采用Modbus_RTU通信协议建立与ABB Freelance2000 DCS之间的通信，把PLC数据引入到DCS操作画面进行监控。

1 系统配置及通信系统组成

1.1 系统配置

磷矿浆生产主装置控制系统选用ABB Freelance2000(AC800F 现场总线版),配置了冗余的以太网模件E813E、Profibus-DP模件FI830F和串行接口模件FI820F。自动压滤机装置控制系统采用的PLC为SIEMENS (西门子)SIMATIC S7-200，CPU为226CN，分别配置2块DI/DO扩展模块(EM223)、1块AI模块(EM231)组成。

西门子S7-200 CPU-226CN PLC支持2个RS-485通信/编程口，具有点对点(point to point,PTP)通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力。Port0通信口支持Modbus RTU协议，成为Modbus RTU从站。此功能是通过S7-200的自由通信口模式实现。

1.2 通信系统组成

1.2.1 Modbus通信协议简介

Modbus协议为MODICON 公司产品,是全球工业领域最流行的通信协议之一。MODBUS 协议已经基本被工业自动化设备,包括PLC、DCS、智能仪表等作为通信标准[1]。不同生产制造商的检测控制设备均能够通过此MODBUS 协议进行数据交换,实现集中监控。

1.2.2 通信系统硬件组成和连接方式

磷矿浆生产主装置DCS的控制器AC800F单元使用了冗余的以太网模件E813E、Profibus-DP模件FI830F和串行接口模件FI820F。其中，以太网模件E813E用于连接操作员站和工程师站。Profibus-DP模件FI830用于控制器与S800 I/O站连接，进而对主装置的现场数据进行采集。PLC与DCS的通信连接如图1所示。

图1 PLC与DCS的通信连接图

2 通信设置和基本组态

①在PLC作为从站，对于S7200串口通信的组态，先用MBUS-INIT指令使能和初始化Modbus通信，其只在第一个循环周期内执行一次[2-3]。编程时使用SM0.1调用子程序MBUS_INIT指令进行初始化从站，并指定相应参数。初始化从站框图如图2所示。

图2 初始化从站框图

Mode：输入数值选择通信协议；当设置为1时，将PLC的端口0指定为Modbus协议并启用协议；当设置为0时，将PLC的端口0指定给PPI，并禁止Modbus协议。

Addr：指定PLC的从站地址，取值1～247。

Baud：波特率设置，可选1 200、2 400、4 800、9 600、19 200、38 400。

Parity:奇偶校验，设置与Modbus主站奇偶校验一致。0=无校验；1=奇校验；2=偶校验。

Delay：附加字符间延时，默认值为0。

MaxIQ:参与通信的最大I/O点数，默认值为128。

MaxAI:参与通信的最大AI寄存器数目，0～32间数值设置。32用于CPU224、CPU226。

MaxHold：参数设置Modbus地址为保持寄存器数目(VW)。

HoldStart：参数为保持寄存器的起始地址(VB)。

Done：初始化成功后置1。

Error：错误代码，0=无错误。

②编程时使用SM0.0调用MBUS_SLAVE指令，用于服务来自Modbus主站的请求。调用命令必须在每个循环周期都执行，以便检查和相应Modbus请求。组态设置如图3所示。

图3 组态设置图

Done：当MBUS_SLAVE指令响应Modbus请求时Done输出接通，没有服务请求时断开。

Error：输出包含该指令的执行结果。

③从站地址与S7-200的地址对应。

Modbus地址是以00001、30004的形式出现。Modbus与S7-200数据存储区对应关系如表1所示。

表1 Modbus与S7-200数据存储区对应关系

表1中：T为S7-200中缓冲区的起始地址，即HoldStart

④ABB DCS的通信参数组态。

在系统硬件中插入串行接口模件，并设置Modbus RTU的通信参数。Modbus RTU串口通信的基本参数包括[3]：波特率、数据位、停止位和奇偶校验。其中，波特率表示的是传输速率，数据位一般默认为8位，停止位一般设为1位，奇偶校验可选择无奇偶校验、奇校验或偶校验。对于挂在同一条ModbusRTU串口通信总线上的所有节点来说，这些基本参数都必须一致。

⑤ABB DCS中读取PLC通道数据的组态。

在系统项目树中的FBD组态中插入MODBUS主读多个线圈模块，并设置Modbus的通信参数。设置参数包括：从站地址、读取从站输入、输出数据类型、数据长度等。通过ABB CBF编程软件中的FBD功能图块读取到PLC的通信数据并进行转换，在人机界面上显示。

3 数据交换原理

MODBUS串行通信协议规定了消息、数据结构、命令和应答的方式。数据通信采用主从方式，主站发出数据请求消息，从站接收到正确消息后就可以发送数据到主站以响应请求；主站也可以直接发送消息修改从站的数据，实现双向读写[4]。主-从查询回应周期如图4所示。

图4 主-从查询回应周期示意图

4 结束语

Modbus RTU通信技术成熟可靠、开放透明，企业应用门槛低，组态方便、灵活。Modbus协议在化工企业中DCS与PLC通信得到广泛应用。但其也有缺点：传输数据量大时，通信速度很慢，满足不了生产要求[5]。如果应用Modbus TCP/IP协议，通过以太网通信可极大提高传输速率，应用更为简便。

从磷矿浆尾矿自动压滤装置S7-200 PLC与Freelance2000的通信情况来看，系统一直稳定可靠，数据显示、报警均正常。操作人员不仅可以很方便地在DCS操作画面上看到压滤机的各运行参数，而且可以在DCS上操作、查看各参数的历史记录(包括数字量及模拟量)。利用这一功能，还能有效地对压滤机跳停事故进行调查分析。该系统对优化生产操作控制起到辅助作用，对其他类似项目具有借鉴和推广作用。