1 引言

目前國內(nèi)的水電站從最初的“集中控制、功能分散方式”到當今流行的“全分層分布開放式運行方式”，已全部采用計算機控制系統(tǒng)取代過去以繼電器常規(guī)控制方式，可實現(xiàn)“無人值班”(少人值守)，大大提高了水電站的自動化水平。一般整個水電站監(jiān)控系統(tǒng)在物理上分為兩層：電站控制層和現(xiàn)地控制層。電站控制層（或稱上位機系統(tǒng)）主要用于監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)、維護，水電站運行的監(jiān)視、操作、信息管理、遠動和優(yōu)化控制等。現(xiàn)地控制層按控制對象分散方式一般設(shè)置為機組現(xiàn)地控制單元（LCU）、開關(guān)站及公用現(xiàn)地控制單元（LCU）和閘門現(xiàn)地控制單元（LCU），現(xiàn)地控制單元（LCU）主要采用PLC完成控制對象的數(shù)據(jù)采集與處理、控制與調(diào)節(jié)、安全運行監(jiān)視、事件順序記錄（SOE）、數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)通訊等。

2 項目簡介

湖南銅信溪水電站裝設(shè)三臺10MW水輪發(fā)電機組，整個監(jiān)控系統(tǒng)采用“全分層分布開放式運行方式”，上位機系統(tǒng)設(shè)置二套操作員工作站、一套工程師工作站和一套通訊工作站，現(xiàn)地控制層設(shè)置三套機組LCU、一套開關(guān)站及公用LCU和一套閘門LCU。LCU主要采用西門子S7-300集成PROFINET接口的CPU315-2PN/DP模塊，通過編程實現(xiàn)Modbus/TCP協(xié)議與上位機系統(tǒng)通訊；同時配置相應(yīng)的數(shù)字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入模塊，完成機組、開關(guān)站、公用和閘門等設(shè)備的控制與調(diào)節(jié)。具體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1：湖南銅信溪水電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 CPU315-2PN/DP模塊及Modbus/TCP協(xié)議

CPU315-2PN/DP是西門子2004年底推出的一款高性價比S7-300 CPU。通過集成的通信接口（MPI/DP，PN），該CPU可直接連接MPI網(wǎng)絡(luò)、Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)、開放式工業(yè)以太網(wǎng)，以及基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的新一代現(xiàn)場總線PROFINET。該CPU的推出，進一步增強了S7-300 PLC的通信功能，使S7-300連接以太網(wǎng)的成本大大降低，并為PROFINET技術(shù)的普及提供了強有力支持。集成的IE/PROFINET接口支持多種通訊服務(wù)：基于PROFINET的開放通訊 (PROFINET IO, PROFINET CBA)、S7 通訊、開放式IE通訊、SIMATIC NET OPC Server和PG/OP通訊。本項目就是采用開放式IE通訊編程實現(xiàn)Modbus/TCP協(xié)議與水電站上位機系統(tǒng)通訊。軟硬件版本為V2.3.0 或更高、帶有集成PROFINET接口的CPU，均支持開放式IE 通訊，其具有不占用CPU連接資源、最多可建立八個TCP/IP連接，完全基于開放式TCP/IP協(xié)議、可與第三方設(shè)備在以太網(wǎng)上進行通訊等優(yōu)點。

Modbus/TCP協(xié)議是簡單的、中立廠商的用于管理和控制自動化設(shè)備的Modbus系列通訊協(xié)議的派生產(chǎn)品。Modbus/TCP協(xié)議是一種面向TCP連接的協(xié)議，只有在建立了TCP連接后，才能以半雙工的方式進行數(shù)據(jù)交換。Modbus/TCP協(xié)議結(jié)構(gòu)要求請求和響應(yīng)帶有六個字節(jié)的前綴，具體結(jié)構(gòu)如下：

byte 0: 事務(wù)處理標識符 –通常為 0

byte 1: 事務(wù)處理標識符 –通常為 0

byte 2: 協(xié)議標識符= 0

byte 3: 協(xié)議標識符= 0

byte 4: 長度字段 （上半部分字節(jié)） = 0 (所有的消息長度小于256)

byte 5: 長度字段 (下半部分字節(jié)) = 后面字節(jié)的數(shù)量

byte 6: 單元標識符 (原“從站地址”)

byte 7: MODBUS 功能代碼

byte 8:寄存器地址（高字節(jié)）

byte 9:寄存器地址（低字節(jié)）

byte 10:寄存器數(shù)量（高字節(jié)，固定為0）

byte 11:寄存器數(shù)量（低字節(jié)）

byte 12:后面數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)量-----寫寄存器時有效

byte 13:寄數(shù)據(jù)1（高字節(jié)）-----寫寄存器時有效

byte 14:寄數(shù)據(jù)1（低字節(jié)）-----寫寄存器時有效

需要注意的是Modbus/TCP協(xié)議所有的請求都是通過端口號502發(fā)送的，而CPU315-2PN/DP模塊的端口號只能設(shè)置為2000至5000。

4 軟件實現(xiàn)

4.1 編程指令說明

在CPU315-2PN/DP這一邊，不是通過NetPro設(shè)置通訊連接，而是通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)。為了能通過用戶程序和其它與TCP/IP兼容的通訊伙伴通過開放式IE通訊實現(xiàn)交換數(shù)據(jù)，STEP7（V5.3+SP1或以上）提供了四個功能塊（FB）和一個用戶定義數(shù)據(jù)類型（UDT）用于組態(tài)連接和數(shù)據(jù)交換：

1) FB63“TSEND”：用于發(fā)送數(shù)據(jù)

2) FB64“TRCV”：用于接收數(shù)據(jù)

3) FB65“TCON”：用于建立連接

4) FB66“TDISCON”：用于斷開連接

5) UDT65“TCON_PAR”：包括組態(tài)連接屬性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

以上功能塊（FB）包含在Standard Library > Communication Blocks庫中。

開放式IE通訊只能通過TCP/IP 建立以太網(wǎng)連接，通訊是面向連接的，只有與通訊伙伴建立了連接后才能傳送數(shù)據(jù)。

要編程建立連接，需要創(chuàng)建一個包含UDT65“TCON_PAR”數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)快（DB）。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含建立連接所需的所有參數(shù)，需要為每個連接創(chuàng)建一個這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一個連接建立之后，將受到 CPU 的監(jiān)控，如果中間發(fā)生了中斷，則自動嘗試重新建立連接。

4.2 程序執(zhí)行過程

整個以太網(wǎng)通訊程序分成以下五個部分：

1) 初始化

初始化程序在OB100中執(zhí)行，主要設(shè)置連接ID、CPU315-2PN/DP端口號、上位機系統(tǒng)中操作員工作站IP地址和開始等待建立連接標志（FB65_REQ=1）。

2) 建立連接

由開始等待建立連接標志（FB65_REQ=1）調(diào)用FB65等待上位機系統(tǒng)中操作員工作站請求建立連接。如果上位機系統(tǒng)中操作員工作站請求建立了連接，且FB65被無錯誤執(zhí)行建立了連接（FB65_DONE=1），設(shè)置開始接收數(shù)據(jù)標志（FB64_EN_R=1）和復位開始等待建立連接標志（FB65_REQ=0）。如果上位機系統(tǒng)中操作員工作站沒有請求建立連接或請求建立了連接FB65執(zhí)行后有錯誤發(fā)生，則程序不做任何處理，還是等待建立連接。

3) 接收數(shù)據(jù)

由開始接收數(shù)據(jù)標志（FB64_EN_R=1）調(diào)用FB64開始接收數(shù)據(jù)。如果上位機系統(tǒng)中操作員工作站發(fā)送了數(shù)據(jù)，且被FB64被無錯誤接收后（FB64_BDR=1），則調(diào)用Modbus/TCP協(xié)議處理程序（FB74）對接收到的數(shù)據(jù)進行判斷和處理。如果上位機系統(tǒng)中操作員工作站沒有發(fā)送數(shù)據(jù)或發(fā)生了數(shù)據(jù)FB64執(zhí)行后有錯誤發(fā)生，則程序不做任何處理，還是等待接收數(shù)據(jù)。

4) Modbus/TCP協(xié)議處理

首先判斷接收數(shù)據(jù)數(shù)量、寄存器地址和功能碼是否正確。如果正確，則進行讀/寫數(shù)據(jù)處理，并準備正確響應(yīng)所需數(shù)據(jù)。如果錯誤，則設(shè)置非法數(shù)據(jù)地址或非法功能碼標志，并準備錯誤響應(yīng)所需數(shù)據(jù)。程序執(zhí)行完成后設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)標志（FB63_REQ=1）和復位開始接收數(shù)據(jù)標志（FB64_EN_R=0）。

5) 發(fā)送數(shù)據(jù)

由開始發(fā)送數(shù)據(jù)標志（FB63_REQ=1）調(diào)用FB63開始發(fā)送數(shù)據(jù)。不管發(fā)送完成是否正確，只要發(fā)送數(shù)據(jù)完成了就設(shè)置開始接收數(shù)據(jù)標志（FB64_EN_R=1）和復位發(fā)送數(shù)據(jù)標志（FB63_REQ=0），然后開始等待接收數(shù)據(jù)。

4.3 程序塊

為了實現(xiàn)CPU315-2PN/DP與水電站上位機系統(tǒng)中操作員工作站的數(shù)據(jù)交換，PLC需要下表1所示程序塊：

程序塊	說明
OB100	當CPU重新啟動時，OB100被運行。在該OB中設(shè)置連接ID、CPU端口號、操作員工作站IP地址和開始等待建立連接標志。
OB1	在每個周期都運行，主要調(diào)用以太網(wǎng)通訊控制程序（FB73）。
FB63	發(fā)送數(shù)據(jù)功能塊，由以太網(wǎng)通訊控制程序（FB73）調(diào)用。
FB64	接收數(shù)據(jù)功能塊，由以太網(wǎng)通訊控制程序（FB73）調(diào)用。
FB65	建立連接功能塊，由以太網(wǎng)通訊控制程序（FB73）調(diào)用。
FB73	以太網(wǎng)通訊控制程序，用于實現(xiàn)以太網(wǎng)的通訊控制。
FB74	Modbus/TCP協(xié)議處理程序，實現(xiàn)對接收到的數(shù)據(jù)進行判斷、處理并準備上傳所需數(shù)據(jù)。
DB1	用于存放遠方遙控數(shù)據(jù)，從操作員工作站寫入的遙控數(shù)據(jù)保存在該DB中。
DB2	用于存放遠方遙調(diào)數(shù)據(jù)，從操作員工作站寫入的遙調(diào)數(shù)據(jù)保存在該DB中。
DB5	用于存放遙信數(shù)據(jù)，操作員工作站讀取的遙信數(shù)據(jù)保存在該DB中。
DB6	用于存放遙測數(shù)據(jù)，操作員工作站讀取的遙測數(shù)據(jù)保存在該DB中。
DB7	用于存放定值數(shù)據(jù)，操作員工作站讀取/寫入的定值數(shù)據(jù)保存在該DB中。
DB8	用于存放SOE數(shù)據(jù)，操作員工作站讀取的SOE數(shù)據(jù)保存在該DB中。
DB83	FB73與操作員工作站1通訊背景數(shù)據(jù)塊。
DB84	FB73與操作員工作站2通訊背景數(shù)據(jù)塊。
DB105	具有2個UDT65連接屬性的數(shù)據(jù)塊，該DB封裝了與操作員工作站1、2通訊的參數(shù)。
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