如何实现西门子S7-300PLC与DCS控制系统的相互通信.pdf

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1、如何实现西门子S7-300 PLC与DCS控制系统的相互通信目录i.弓I言.12.系统组成.22.1.系统结构.22.2.通信网络组成.22.2.1.Profibus 协议简介.22.2.2.Modbus 协议简介.32.2.3.网络构成及硬件介绍.53.Modbus 转 Profibus-DP 网关 PM-160 的配置.53.1.Modbus 转 Profibus-DP 网关 PM-160 的硬件配置.63.2.Modbus 转 Profibus-DP 网关 PM-160 的软件配置.63.2.1.使用配套软件设置PM-160的现场总新和子网相关参数和命令.63.2.2.在STEP7中对网

2、关M-160进行组态设置.74.西门子PLC与DCS通讯.74.1.应用场景：.74.2.解决方案：.74.3.网络拓扑：.74.4.参数配置：.85.数据读写.155.1.DCS 读写 PLC 数据.155.2.PLC读写现场智能仪表数据.155.2.1.PLC读写Modbus从站设备数据.155.2.2.PLC读写非标串口设备数据.156.结束语.161.引言现代工业的迅速发展，不断促进着自动化控制技术及设备通信技术创新的发展。当前，PLC、DCS、智能仪表等已广泛应用到现场生产控制系统中，并发展到由上述设备相互协同、共同面向整个生产过程的分布式工业控制系统。在此系统中，现场总线通信技术至

3、关重要。本文就某水利站分布式控制系统项目，介绍上海泗博自动化的Modbus转Profibus-DP协议网关设备的应用。2.系统组成2.1.系统结构本系统构成如图1,其中略去了西门子S7-300PLC之外的其它现场级控制设备。系统上位机采用横河CS3000型 DCS集散控制系统，实现对整个水利项目进行集中监控。下位机之一采用的是西门子S7-300系列P LC,实现对现场各种智能仪表，包括现场电机、智能开关、变频器、传感器等执行、检测设备的启停控制、信息采集等操作。图1系统结构在上图所示系统结构中，现场各种智能仪表(采用的是Modbus协议或者各种非标协议，接口为RS485、RS422或者RS23

4、2)都能够通过上海泗博自动化的通用串口(Modbus/RS485/RS422/RS232)转Profibus-DP网关PM-160连接到西门子S7-300PLC。止 匕 时，网关PM-160在串口侧的协议类型为Modbus主站或者通用模式。横河DCS对西门子S7-300PLC的数据采集和监控同样需要使用上海泗博自动化的通用串口(Modbus/RS485/RS422/RS232)转 Profibus-DP 网关 PM-160,止 匕 时，网关 PM-160 在串 口侧的协议类型为Modbus从站。2.2.通信网络组成2.2.1.Profibus 协议简介PROFIBUS是目前国际上通用的现场总线

5、标准之一，以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，已成为最重要的和应用最广泛的现场总线标准。PROFIBUS现场总线通讯协议包括三个主要部分：PROFIBUS DP：主站和从站之间采用轮循的通讯方式，主要应用于自动化系统中单元级和现场级通信。PROFIBUSPA：电源和通信数据通过总线并行传输，主要用于面向过程自动化系统中单元级和现场级通讯。PROFIBUSFMS：定义了主站和主站之间的通讯模型，主要用于自动化系统中系统级和车间级的过程数据交换其中，PROFIBUS-DP是高速网络，通讯速率达到12M。PROFIBUS-DP可以连接远程I/O、执行机

6、构、智能马达控制器、人机界面HMI、阀门定位器、变频器等智能设备，一条PROFIBUS-DP总线可以最多连接123个从站设备。PROFIBUS-DP的拓扑结构可以是总线型、星型和树型，通讯介质可以是屏蔽双绞线、光纤，也支持红外传输，采用双绞线时，不加中继器最远通讯距离可达1.2公里，最多可以采用9个中继器，最远通讯距离可达9公里。采用光纤时，最远通讯距离可达100公里以上，其中采用多膜光纤，两点间最远距离可达3公里，采用单膜光纤时，两点间最远距离可达3公里。2.2.2.Modbus协议简介Modbus协议是一种适用于工业控制领域的主从式串口通讯协议，它采用查询通讯方式进行主从设备的信息传输，可

7、寻址1-247个设备地址范围。协议包括广播查询和单独设备查询两种方式，二者区别就是广播查询不需要从设备回应信息，主、从设备查询通讯过程见图2：图2 Modbus主、从设备查询响应Modbus协议常用功能码如表1所示：表1 Modbus协议常用功能码功能码名称作用01读线图状态读取一维避辑线网的当前状态：ON or OFF02读输入状态读取一组输入线圈的节前状态：ON or OFF03读保持寄存器读取一个或多个保持寄存器中的值04读输入将在曙读取一个或多个输入寄存器中的信05号单个线圈强阻个逻轼线圈的状态06写单个寄存器把一个具体的信装入个保持需存照15写多个线网强范多个逻轼线圈的状态16写多个

8、寄存藩将匈具体的值装入多个f QS 微 袋 黑Modbus协议有两种传输模式：ASCII模式和RTU模式。同波特率下，RTU模式较ASCII模式能传输更多的数据，所以工业网络大都采用RTU模式。RTU模式下的信息传输报文格式如表2：表2 Modbus RTU信息报文格式起始符设备地址功能码数据校验结束符TI-T2-T3-T41 byte1 byteN byte2 byteTI-T2-T3-T4它没有起始位和停止位，而是由至少3.5个字符间隔时间作为信息的起始和结束标志。信息帧所有字符位由16进制字符0-9、A-F组成。Modbus RTU通讯协议帧结构：表3 RTU通讯协议帧格式类型Bit数备

9、注起始位!数据位8最小的有效位先发送向偶校验位1无校验则无停止位校验时停止位I B ih 无校验位时停止例Bit或2BitModbus RTU方式主站读取从站寄存器数据示例：主设备查询。表4主设备查询格式地址功能阳第一个寄存渊的岛字甘地址第一个寄存物的低？节地比寄存渊的数子的岛字节寄存的数中的他字节校验010300100001XX(2Bytes)Modbus RTU方式主站读取从站寄存器数据示例：从设备响应。表 5 从设备响应格式地址功能码字节数数据高宗节数据低字节校验0103022520XX(2Bytes)2.2.3.网络构成及硬件介绍如 图1所示，在该系统设计中有两个网络使用了上海泗博自动

10、化的Modbus转Profibus-DP网关PM-160o网关在这两个网络中的作用不一样，其中：在上层网络中（建立西门子S7-300PLC和横河DCS连接通信），Modbus转Profibus-DP网关PM-160在Modbus侧做Modbus从站，在Profibus-DP侧做从站，建立Profibus-DP主站（西门子S7-300 PLC）和Modbus主站（横河CS3000）的通信。DCS通信部分采用横河型号为ALR121的通信模块，并配套横河提供的Modbus通信软件包，该通信模块最大通信数据容量为4000字。通过上海泗博自动化的网关配置软件对PM-160进行相关配置，将DCS的读、写指

11、令及数据做相应转换、存储，并映射到西门子PLC的输入、输出映像区，以实现对上下位机控制信息的实时传输。在下层网络中（建立西门子S7-300PLC和现场智能仪表的连接通信），Modbus转Profibus-DP网关PM-160在Modbus侧做Modbus主站，在Profibus-DP侧做从站，建立Modbus从站（现场各种智能仪表（现场电机、智能开关、变频器、传感器等）与Profibus-DP主站（西门子S7-300PLC）的通信。串口网络（现场智能仪表）设备接口为RS485或者RS232,它们都可以通过上海泗博自动化的Modbus转Profibus-DP网关PM-160实现与西门子S7-30

12、0PLC的连接通信。其中，通过使用网关的配套配置软件对PM-160进行相关配置，将需要采集的从站设备信息通过网关读、写命令及数据转换、存储，映射到西门子PLC的输入、输出映射区，以实现PLC对现场智能仪表数据的采集和监控。3.Modbus 转 Profibus-DP 网关 PM-160 的配置PM-160是通用型Modbus/RS485/RS422/RS232到Profibus-DP的协议转换网关，在网关RAM中建立了 Modbus/RS485/RS422/RS232到Profibus-DP的映射数据区，由软件实现Modbus/RS485/RS422/RS232到Profibus-DP的协议转

13、换和数据交换。凡具有RS485/422/232接口的设备（Modbus协议或者非标协议）都可以通过PM-160与现场总线Profibus-DP互联。其中，PM-160在与Profibus-DP通讯是作为Profibus-DP从站，PM-160在与串口设备通信时，可以作Modbus主站、Modbus从站，也支持与非标串口设备实现数据透明传输。通过在西门子STEP7中注册网关PM-160的GSD文件，即可在该编程软件中对该网关进行相关硬件和软件配置，完成相应的通讯功能。请见如下详细的硬件和软件配置方法：3.1.Modbus 转 Profibus-DP 网关 PM-160 的硬件配置PM-160的P

14、rofibus-DP从站地址可以通过网关的硬件旋码开关或者配置按钮来设置。旋码开关有两位，左侧位设置地址高位（十位），右侧位设置地址低位（个位）。通过拨码开关可设置网关PM-160处于正常运行状态或者配置状态。当PM-160处于配置状态时，用户可通过配套配置软件设置相关读写命令和参数。PM-160自带标准Profibus-DP接口，用户可使用标准Profibus-DP连接头和标准的Profibus-DP电缆将其连接至Profibus-DP现场总线中。PM-160提供RS485/422/232三种串口，Modbus从站、主站设备以及用户非标串口设备可以通过这三种接口实现与网关PM-160的连接通

15、讯。PM-160没有内置终端电阻，在进行RS485通信时，请注意在RS485总线终端各添加一个终端电阻（120欧姆）。3.2.Modbus 转 Profibus-DP 网关 PM-160 的软件配置3.2.1.使用配套软件设置PM-160的现场总新和子网相关参数和命令通过拨码开关将PM-160设置为配置状态，打开安装的配置软件（产品光盘或者访问http:/ 3 PM-160在 Modbus侧 作 Modbus从站（连 接 PLC和 DCS）当实现PLC与Modbus设备通信时，子网协议类型设置为Modbus主站，并设置串口通信参数、通讯传输模式、通信接口等。其中，串口通信参数的设置应该和所连接

16、的Modbus从站设备一致：图 4 PM-160在 Modbus侧 作 Modbus主站（连接PLC和 Modbus从站）其中，图4中的 节点-1”表示连接的从站设备地址为1,配置了“读保持寄存器 和 预置多个寄存器 两条命令，表示网关读取了从站对应地址的数据，并且能够输出数据到Modbus从站设备，命令配置方法如下：图 5 PM-160在 Modbus侧 作 Modbus主站（命令配置）Modbus寄存器起始地址：用户输入目标采集数据的Modbus寄存器起始地址；数据个数：目标数据的寄存器个数或者线圈条数；内存映射起始地址：Modbus从站设备数据的对应内存缓冲区地址。当实现PLC与非标协议

17、设备通信时，子网协议类型设置为通用模式，并设置串口通信参数、控制方式、通信接口等。其中，串口通信参数的设置应该和所连接的非标串口设备（现场智能仪表）一致：PM-160支持的通用模式即透明传输模式，用户可通过数据中的数据长度和事务序列号以判断数据完整性和是否是一帧新的数据。图 6 通用模式3.2.2.在STEP7中对网关M-160进行组态设置在 STEP7的硬件组态界面，导入PM-160对应的GSD文件，把 PM-160的配置文件添加到STEP7的设备配置库中。用户可在硬件组态界面找到注册的设备：Catalog-PROFIBUSDP-Additional FieldDevices-General

18、-CONVERTER-PM-160。图 7 组态界面将 PM-160添加到STEP7的组态页面后，可以插入相应的数据块进行映像区地址映射。PM-160提供的数据块如下：图 8 PM-160提供的数据块推动需要的输入输出数据块到网关对应的槽位。如下图所示，将数据块24Words Input,24WordsOutput拖动到Profibus-DP从站地址为3 的PM-160的槽位中，此时，对应的映射区地址分别为256,PLC程序需通过PIW256(PIB256)或者PQW256(PQB256)对相应的数据进行寻址访问。4.西 门 子PLC与DCS通讯4.1.应用场景:西门子S7系列PLC(S7-2

19、00/300/400)控制系统与DCS系统进行数据交互。DCS系统可以支持标准的Modbus RTU或者ModbusTCP通讯协议。4.2.解决方案：选配工业通讯桥接器NET30-MPIPRO,无需硬件组态和编写通讯程序，通过简单的配置实现DCS系统与西门子PLC系统的Modbus通讯。4.3.网络拓扑：桥接器的串口 1(PPI/MPI/PROFIBUS协议)，连接西门子PLC的通讯口，网络(ModbusTCP)或者串口 2(ModbusRTU)连接DCS的通讯接口。DCS系统西门子PLC4.4.参数配置:1、西门子通讯参数配置2、modbus 配置3、以太网参数配置 BZMZJLNH50MP

20、1 PRO：19j.168.1.188_a q：E 3 0-I H FED口 地 皿192 168 I IBS%tA c 8租日壬序列1000902S5 255.2S5 0本身：0 3 0.11IH A网费：192 168 I 14 一西iH r a m no拥*椀：a-45-54-0l-T-02T MS次 回！故后11州a田 王 皓 198从第|TQ4户 机，讯J t i2 “T、：】王系.必 _*)密口心d直心3从诂.I T角址：】9 2陋1 186 口_*孑网|自：295 ZW Z5B 0I t t IM 1 1a a x i ms t l a a *,a a x 2 rcJylMisr

21、as玄孑信皿肃I：1：991z 1 I te e in ffttih物R收委e m4、地址映射表1、三菱：X元件支持Modbus之02功能码；Y元件支持Modbus之01、05、15功能码；D元件支持Modbus之03、06、16功能码。一、三菱 FX3G-40MR/ES-A:1类型设备编号MODBI S编号实际痘址读数字量输入X00-X031133131133160 x3400-0 x3403写继电器输出Y00-Y03013057-0130600 x3300-0 x3303读16位寄存器D0D3400001 4000040 x0000.0 x0003写16位寄存器D4-D7400005-40

22、00080 x0004-0 x00072、西门子：I 元件支持Modbus之 02功能码；Q 元件支持Modbus之 01、05、Q 功能码;V 元件支持Modbus之 03、06、16功能码。二、西门子 S7-200CP1226AC7DC7RLY：101类型设备如号IODBUS 端号实际地址读数字量输入I0.0-I0.310000M000040 x0000-0 x0003写继电器输出Q0.0-Q0.3000001-0000040 x0000-0 x0003读16位寄存器 W0A W6400001-4000040 x0000-0 x0003写16位寄存器VW8-VW14400005-40000

23、80 x0004-0 x00073、欧姆龙：CIOO元件支持Modbus之 02功能码；CI0100元件支持Modbus之 01、05、15功能码;D 元件支持Modbus之 03、06、16功能码。三、欧姆龙 CP1H-X40DR-A：201类型设备编号MODBUS 号实际地址读数字量输入0.00-0.03100001-1000040 x0000-0 x0003写继电器输出100.00-100.03001601-0016040 x0640-0 x0643读16位寄存器D0-D3400001-4000040 x0000-0 x0003写16位寄存器D4-D7400005T000080 x000

24、4.0 x00074、松下:X 元件支持Modbus之 02功能码；Y 元件支持Modbus之 01、05、15功能码；DT元件支持Modbus之 03、06、16功能码。四、松下 AFPX-C40R：301类型设备编号IODBUS 编号实际地址读数字量输入X0-X3100001-1000040 x0000-0 x0003写继电器输出Y0-V3000001-0000040 x0000-0 x0003读16位寄存器DT0-DT3400001-4000040 工0000-0 x0003写16位寄存器D T4D I7400005-4000080 x0004-0 x00075、台达：X 元件支持Mod

25、bus之 02功能码;Y 元件支持Modbus之 01、05、15功能码；D 元件支持Modbus之 03、06、16功能码。五、台达 DVP-12sA2:401类型设备编号VODBUStS 号实际地址读数字量输入X0.X3101025-1010280 x0400-0 x0403写继电器输出Y0-Y30012814)012840 x0500-0 x0503读16位寄存器D0-D3404097-4041000 x1000-0 x1003写16位寄存器D4-D74041014000040 x0000-0 x0003写16位寄存器D0004-D0007400005*4060080 x0004-0 x

26、00079、汇川：X元件支持Modbus之02功能码；Y元件支持Modbus之01、05、15功能码；D元件支持Modbus之03、06、16功能码。九、汇川 H2u-2416lI-XP：801类型设备编号MODBI S 编号实际地址读数字量输入X00-X03063489-0634920 xF800-0 xF803写维电器输出YO0-Y03064513-0645160 xF 00-0 xFC03读16位寄存器D0-D3400001-4000040 x0000-0 x0003写16位寄存器D4-D7400005-4000080 x0004-0 x000710、英威腾：X元件支持Modbus之02

27、功能码；Y元件支持Modbus之01、05、15功能码；D元件支持Modbus之03、06、16功能码。十、英威廉 IVC2H-I616MAT6；901类型设备编号MODBUS编号实际地址读数字量输入XO0-X03100001-1000040 x0000-0 x0003马继电器输出Y00.Y03000001-0000040 x0000-0 x0003读16位寄存器D0-D3400001-4000040 x0000*0 x0003写16位寄存器D4-D7400005*4060080 x0004*0 x000711、基恩士：R0元件支持Modbus之0 2功能码；R500元件支持Modbus之01

28、、05、15功能码;DM元件支持Modbus之03、06、16功能码。H 一、基恩士 KV-X40AR:1001类型设备编号MODBUS编号实际地址读数字量输入R000-R00310000M000040 x0000-0 x00031写继电器输出R500-R503009081-0000840 x0050-0 x0053|读16位寄存器DM0-DM3400001-4000040 x0000-0 x0003写16位寄存器DM4-DM74000UST060080 x0004-0 x000712、施耐德：更新固件后支持01、02、15功能码I元件支持Modbus之02功能码；Q元件支持Modbus之01

29、、15功能码；M元件支持Modbus之03、06、16功能码。十二、施耐德 TI218LDAE40DRPH、：1101类型设备编号MODBUS编号实际地址读数字量输入%I0.0%IX0.3100001-1000040 x0000 0 x0003写继电器输出%QX0.0%QX0.3000001-0000040 x0000-0 x0003读16位寄存器%MV0-%MW3400001 16功能码。十七、罗克韦尔1766-I.32BWA:1601类型设备编号MODBUS编号实际地址读数字量输入1:0/04:0/3(B11:0/0-Bl 1:0/3)100001 1000040 x0000-0 x000

30、3写继电器输出Q:0/0-Q:0/3(B10:0/0-B 10:0/3)0000010000040 x0000-0 x0003读 16位寄存器N13:0-D13:3400001-4000040 x0000.0 x0003写 16位寄存器N13:4-N13:740000S-4000080 x0004-0 x000718、合信：I 元件支持Modbus之 0 2 功能码；Q 元件支持Modbus之 01、05、15功能码;V 元件支持Modbus之 03、06、16功能码。十八、合信 CTH200 系列 CPU H226L：1701 ，JkJ?类型设备编号IODBUS 编号实际地址读数字量输入10

31、.0-103100001-1000040 x0000-0 x0003写继电器输出Q0.0-Q0.3000001-0000040 x0000-0 x0003读 16位寄存器 V0.V6400001-4000040 x0000.0 x0003写 16位寄存器W8-VV14400005-4000080 x0004-0 x000719、富 士（无协议编程实现）X 元件支持Modbus之 02功能码；Y 元件支持Modbus之 01、15功能码；D 元件支持Modbus之 03、16功能码。十九、SPE NW 0P40R-31：1801类型设备编号VODBUS编号实际地址读数字量输入X00-X03100

32、001-1000040 x0000-0 x0003写继电器输出Y00-Y03000001-0000040 x0000-0 x0003读16位寄存器D0-D3400001-4000040 x0000-0 x0003写16位寄存器D4-D7400005-10()0080 x0004-0 x00072 0 步科：I 元件支持Modbus之 02功能码；Q 元件支持Modbus之 01、05、Q 功能码;V 元件支持Modbus之 03、06、16功能码。二十、步科 K508-40AR：1901类型设备端号IODBUS 编号实际地址读数字量输入%10.0-%10.3100001-1000040 x00

33、00-0 x0003写继电器输出%Q0 0%Q0.3()00001-0000040 x0000-0 x0003读16位寄存器W0-%VW6400101-4001040 x0064-0 x0067写16位雷存器%VV8%VV14400105.4001080 x0068-0 x006B5.数据读写5.1.DCS读写PLC数据DCS作为Modus主站通过PM-160读写PLC数据，使用04H功能码读数据，对应的寄存器起始地址为0H(30001H),使用10H(03H)功能码写数据，对应的寄存器起始地址为0H(40001H)。5.2.PLC读写现场智能仪表数据5.2.1.PLC读 写Modbus从站设

34、备数据PLC通过PM-160发送Modbus主站指令读写现场串口设备数据。映像区起始地址和网关内存映射起始地址对应关系如下：以图9 中的配置为例。图9 PLe映像区起始地址(命令配置)图10 PLC通过PM-160读写Modbus从站设备数据地址对应关系5.2.2.PLC读写非标串口设备数据PLC的输入映射区前两个字节分别表示接收的串口数据长度和事务序列号，其它为接收到的数据。事务序列号变化，表示接收到了一帧新的串口数据。其中，可通过配置软件设置是否开启串口数据长度功能。PLC的输出映射区前两个字节分别表示发送的串口数据长度和事务序列号，其它为要发送的串口数据。事务序列号变化，PLC发送相应长度的串口数据。6.结束语在该系统中，Modbus转Profibus-DP网关PM-160扮演了三种角色：建立Modbus主站和Profibus-DP主站之间的连接通信（Modbus主站模式）；建立Modbus从站和Profibus-DP主站之间的连接通信（Modbus从站模式）；建议非标串口设备和Profibus-DP主站之间的连接通信（通用模式）。自本通信系统运行以来，整个系统通讯正常，有效保证了整个水利工程控制系统的正常运行。使用上海泗博自动化的 Modbus转 Profibus-DP网关可以极大地方便自动化工业现场的控制和操作。