周平 （1981-）

男，湖北漢川人，學(xué)士，工程師，主要從事冶金、水處理行業(yè)，自動控制開發(fā)、改造工作。

摘要：本文簡要介紹了Modbus-TCP協(xié)議，工業(yè)以太網(wǎng)On TCP 、On ISO。針對寶鋼長材坯料生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化工程水處理項(xiàng)目中遇到的Quantum與S7 PLC間以太網(wǎng)通訊協(xié)議不兼容問題，給出了解決方案，并詳細(xì)介紹了配置過程和主要程序。

關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)；Modbus-TCP；工業(yè)以太網(wǎng)；IPCom；S7Com；Quantum；S7；PLC

Abstract: The article introduces the ModbusTCP protocol, Industrial Ethernet On TCP and On
 ISO. Based on the incompatible problem of Ethernet communication protocol between Quantum 
and S7 PLCs, we provide a solution to it. The configuration process and main program code 
are introduced in detail.

Key words: Ethernet; Modbus-TCP; Industrial Ethernet; IPCom; S7Com;  Quantum; S7; PLC

    隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多工業(yè)廠商開始將傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線構(gòu)架在以太網(wǎng)上，以太網(wǎng)技術(shù)正在逐漸從民用、商用應(yīng)用于工程領(lǐng)域。從目前工業(yè)自動化控制領(lǐng)域的發(fā)展情況來看，以太網(wǎng)技術(shù)最終取代現(xiàn)場總線是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢。西門子和施耐德兩家的PLC在工程項(xiàng)目中經(jīng)常遇到，西門子S7系列PLC支持On TCP 或On ISO 的以太網(wǎng)通訊，施耐德Quantum 和Premium PLC 支持Modbus TCP 通訊，但是兩個(gè)PLC之間通過以太網(wǎng)直接通訊一直未能解決。2008年，在上海金自天正信息技術(shù)有限公司從寶鋼承接的長材坯料生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化工程水處理項(xiàng)目中，需要應(yīng)用這個(gè)技術(shù)，在施耐德公司技術(shù)服務(wù)的支持、查閱文檔，并不斷嘗試下，終于成功解決。

1 Modbus-TCP簡介

    Modbus應(yīng)用層協(xié)議由美國Modicon公司（現(xiàn)為施耐德電氣旗下品牌）與1979年開發(fā)的，由于其簡單易用，得到了廣大工業(yè)自動化儀器儀表企業(yè)的采納與支持，實(shí)際已成為了業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。Modbus 應(yīng)用層協(xié)議位于ISO/OSI參考模型中的第7層，將它嵌入到不同的底層協(xié)議中形成了三種具體的通信方式：Modbus 串行鏈路、Modbus-Plus 和Modbus-TCP。Modbus-TCP實(shí)現(xiàn)了在TCP/IP以太網(wǎng)上以客戶/服務(wù)器方式的Modbus報(bào)文通信。這種通信模型是將Modbus 協(xié)議作為應(yīng)用層協(xié)議嵌入到底層TCP/IP中構(gòu)成的。與標(biāo)準(zhǔn)Modbus幀相比，Modbus-TCP幀中的尋址與校驗(yàn)交有TCP/IP協(xié)議完成。 

2 Industrial Ethernet On TCP or ISO簡介

   Industrial Ethernet是西門子通訊系統(tǒng)的新名字，過去叫做SINEC H1網(wǎng)。Industrial Ethernet 包括了所有西門子PLC在以太網(wǎng)上的通訊協(xié)議：其中就有ISO layer4 和TCP/IP通訊。

3 Quantum與S7 PLC系統(tǒng)的通訊實(shí)現(xiàn)

3.1 控制系統(tǒng)組成

    本系統(tǒng)整個(gè)結(jié)構(gòu)為典型以太網(wǎng)星型結(jié)構(gòu)，如圖 1所示。各PLC均為以太網(wǎng)上的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，包括多個(gè)施耐德Quantum PLC和西門子S7 PLC。其中Quantum PLC位于水處理電氣室，S7 PLC分布在連鑄、LF爐、電爐各電氣室，Quantum PLC作為公輔系統(tǒng)需與另外三套S7 PLC交換數(shù)據(jù)。

                              圖1   系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的配置

    要實(shí)現(xiàn)各個(gè)PLC通過以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，必須建立在協(xié)議統(tǒng)一的基礎(chǔ)上。Quantum PLC支持Modbus-TCP協(xié)議，而S7 PLC支持Industrial Ethernet On TCP協(xié)議，這兩個(gè)協(xié)議在應(yīng)用層不同，但是低層協(xié)議是相同的。在Quantum PLC 方面，施耐德提供有140NWM10000型模板，該模板支持IPCom服務(wù)，可以直接在IP層從以太網(wǎng)其它PLC中獲得數(shù)據(jù)。西門子S7 PLC方面，只需要提供支持Fetch/Write功能的CP通訊卡，具備該功能的通訊卡，所有對PLC的數(shù)據(jù)取存都是透明的，不需其他編程工作。配置步驟如下：

    (1) 配置140NWM10000模板，設(shè)置模板IP地址，如圖 2所示。

                              圖2   設(shè)置模板IP地址

    (2) 導(dǎo)入IPcom服務(wù)，并配置CPU與NWM10000傳輸通道占用的寄存器地址，如圖 3所示 。

    注意：每個(gè)通道占用80個(gè)字，也就是說每個(gè)通道可以傳輸80個(gè)字，地址設(shè)置不要重復(fù)。

                      圖3   配置CPU與NWM10000傳輸通道占用的寄存器地址

    (3)配置西門子S7 PLC，在HW Manager中配置CP卡，打開Fetch/Write功能，如圖 4所示。

                              圖4   配置CP卡

    (4) 在Netpro中新建連接，連接對象選擇“Unspecified”，類型選擇“TCP Connection”，如圖 5所示。

                        圖5   在Netpro中新建連接

    (5) 配置完成的連接，如圖 6所示。

                              圖6   配置完成

3.3 Unity編程實(shí)現(xiàn)：

    (1) 導(dǎo)入擴(kuò)展數(shù)據(jù)類型和擴(kuò)展功能塊，如圖7所示。

                                      圖7

    (2) 建立IPCOM_BUF數(shù)據(jù)類型的變量，如圖8所示。

    注意：每個(gè)IPCOM_BUF占用80個(gè)字的地址空間。

                                      圖8

    (3) 主要程序代碼，圖9為讀取S7 CPU DB塊中數(shù)值的代碼段。

                                      圖9

    S7FetchDB參數(shù)描述：

    輸入?yún)?shù)，如表 1 所示。

                                 表  1

名稱	類型	描述
Request_Org01	EBOOL	上升沿時(shí)向S7請求讀取數(shù)據(jù)
StartAddr	UINT	DB塊起始地址
DBNR	BYTE	DB塊
IP1 .. IP4	BYTE	要讀取的S7 IP地址:IP1.IP2.IP3.IP4.
Port	UINT	S7站點(diǎn)指定的Fetch端口號
Connect	BOOL	為“1”時(shí)，F(xiàn)B功能塊嘗試與遠(yuǎn)程S7CPU建立連接，如果連接成功，Activity 和 Connected為“1”，Error ==0.
SndRcvBufAddr	UINT	確定參數(shù)的起始地址，這個(gè)地址必須與變量表中定義的SndRcvBuf參數(shù)地址一致。
Path	UINT	指定連接序號。占用IPCOM配置時(shí)，對應(yīng)通道中的某一個(gè)連接（共4個(gè)通道，每個(gè)通道可提供4個(gè)TCP連接）

    輸出參數(shù)，如表 2所示。

                                 表  2

名稱		類型	描述
Done	BOOL		確認(rèn)功能塊執(zhí)行成功
FetchedValues	ANY_ARRAY_BYTE		從S7 CPU 抓取的數(shù)據(jù)存放地址
ErrorCode	UINT		相關(guān)S7通訊協(xié)議故障碼
Error	BOOL		功能塊執(zhí)行錯(cuò)誤
Stat	UINT		相關(guān)IPCom通訊系統(tǒng)故障狀態(tài)
Activity	BOOL		IPCom正常執(zhí)行中時(shí)為“1”
Connected	BOOL		TCP 連接建立后，為“1”

    (4) 主要程序代碼，圖 10為向S7 CPU中寫入數(shù)值。

                                      圖10

    S7WriteDB參數(shù)描述：

    輸入?yún)?shù)，如表 3所示。

                                表  3

名稱	類型	描述
Request_Org01	EBOOL	上升沿時(shí)向S7請求寫入數(shù)據(jù)
WriteValues	ANY_ARRAY_BYTE	向S7寫入的數(shù)據(jù)
StartAddr	UINT	DB塊起始地址
DBNR	BYTE	DB塊
IP1 .. IP4	BYTE	要寫入的S7 IP地址:IP1.IP2.IP3.IP4.
Port	UINT	S7站點(diǎn)指定的Write端口號
Connect	BOOL	為“1”時(shí)，F(xiàn)B功能塊嘗試與遠(yuǎn)程S7CPU建立連接，如果連接成功，Activity 和 Connected為“1”，Error ==0.
SndRcvBufAddr	UINT	確定參數(shù)的起始地址，這個(gè)地址必須與變量表中定義的SndRcvBuf參數(shù)地址一致。
Path	UINT	指定連接序號。占用IPCOM配置時(shí)，對應(yīng)通道中的某一個(gè)連接（共4個(gè)通道，每個(gè)通道可提供4個(gè)TCP連接）

    輸出參數(shù)，如表 4所示。

                                表  4

名稱		類型	描述
Done	BOOL		確認(rèn)功能塊執(zhí)行成功
ErrorCode	UINT		相關(guān)S7通訊協(xié)議故障碼
Error	BOOL		功能塊執(zhí)行錯(cuò)誤
Stat	UINT		相關(guān)IPCom通訊系統(tǒng)故障狀態(tài)
Activity	BOOL		IPCom正常執(zhí)行中時(shí)為“1”
Connected	BOOL		TCP 連接建立后，為“1”

4 結(jié)束語

    系統(tǒng)投用后，筆者成功地從三臺西門子PLC中讀寫到了數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)響應(yīng)正常、穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的效果。在統(tǒng)一的通訊協(xié)議下，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層次清晰、維護(hù)方便，為網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行打下了良好基礎(chǔ)。應(yīng)該指出的是，這種通訊方式還在起步階段，有些地方不夠成熟，仍需解決，比如：NWM10000通訊模板不支持冗余系統(tǒng)、配置軟件不能向下兼容、硬件升級后沒有相應(yīng)的配置軟件等，這些問題仍待解決。

其他作者：

陳    偉（1984-），男，江蘇南通人，學(xué)士，工程師；

么淑華（1970-），女，河北唐山人，學(xué)士，高級工程師。

參考文獻(xiàn)

[1] Modbus通信在PLC通道檢測中的應(yīng)用[J].電氣時(shí)代,2005,6:78---80.

[2] UDP and TCP Communication for Quantum and Premium PLCs running Unity Pro Applications 
System User Guide. 施耐德電氣.

[3] Data Exchange to Siemens S7 Controllers Quantum and Premium PLCs with S7Com Library 
System User Guide.施耐德電氣.