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?，F(xiàn)地控制層按控制對象分散方式一般設置為機組現(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)絡通訊等。

湖南銅信溪水電站裝設三臺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、公用和閘門等設備的控制與調(diào)節(jié)。具體網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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、Profibus-DP網(wǎng)絡、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：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)要求請求和響應帶有六個字節(jié)的前綴，具體結(jié)構(gòu)如下：

byte 0: 事務處理標識符 –通常為 0

byte 1: 事務處理標識符 –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置為2000至5000。

4.1 編程指令說明

在CPU315-2PN/DP這一邊，不是通過NetPro設置通訊連接，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，并準備正確響應所需數(shù)據(jù)。如果錯誤，則設置非法數(shù)據(jù)地址或非法功能碼標志，并準備錯誤響應所需數(shù)據(jù)。程序執(zhí)行完成后設置發(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：

表1：PLC所需程序塊

為了正確組態(tài)連接參數(shù)，必須了解連接結(jié)構(gòu)（UDT65）中每個參數(shù)的含義。連接結(jié)構(gòu)（UDT65）的說明如下表2所示：

表2：連接結(jié)構(gòu)（UDT65）說明

4.4 以太網(wǎng)通訊控制程序

以太網(wǎng)通訊控制程序采用面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)化編程方法，在一個功能塊（FB73）中封裝了以太網(wǎng)通訊的建立連接、接收數(shù)據(jù)、調(diào)用Modbus/TCP協(xié)議處理程序和發(fā)送數(shù)據(jù)等過程。為此必須聲明用于以太網(wǎng)通訊控制程序（FB73）輸入、輸出和輸入/輸出參數(shù)。具體聲明的參數(shù)如下表3所示：

表3：FB73聲明的參數(shù)

通過FB73封裝了以太網(wǎng)通訊控制程序，當需要與計算機建立一個連接時只需在OB1調(diào)用一次FB73，當需要建立多個連接時多次調(diào)用FB73即可。注意：CPU315-2PN/DP最多可建立八個TCP/IP連接。

4.5 Modbus/TCP協(xié)議處理程序

Modbus/TCP協(xié)議處理程序采用面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)化編程方法，在一個功能塊（FB74）中封裝了數(shù)據(jù)數(shù)量、數(shù)據(jù)地址和功能碼判斷，處理并準備上傳所需數(shù)據(jù)等全部過程。為此必須聲明用于Modbus/TCP協(xié)議處理程序（FB74）輸入、輸出和輸入/輸出參數(shù)。具體聲明的參數(shù)如下表4所示：

表4：FB74聲明的參數(shù)

本程序的難點在于實現(xiàn)對不同數(shù)據(jù)塊的讀取和寫入，通過Modbus/TCP協(xié)議結(jié)構(gòu)中寄存器地址字節(jié)8 （寄存器高字節(jié)）對應數(shù)據(jù)塊號、寄存器地址字節(jié)9 （寄存器低字節(jié)）對應數(shù)據(jù)塊字節(jié)號就可解決。

自本系統(tǒng)運行以來，CPU315-2PN/DP與上位機系統(tǒng)操作員工作站1、2通訊一直正常，從未出現(xiàn)過通訊中斷現(xiàn)象，有效地保證了湖南銅信溪水電站監(jiān)控系統(tǒng)的正常運行, 應用這種方法不需要采用西門子公司OPC能有效降低整個水電站監(jiān)控系統(tǒng)成本。可見，采用通過開放式IE通訊與上位機系統(tǒng)通訊是一種行之有效的方法，實現(xiàn)了讀取遙信、遙測、定值、SOE和寫入遙控、遙調(diào)和定值等功能，完全滿足《DL/T578-1995水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)基本技術(shù)條件》實時性、可靠性和通訊安全性要求。由此看來，西門子PLC集成PROFINET接口的CPU模塊采用開放式IE通訊與第三方智能設備通過以太網(wǎng)交換數(shù)據(jù)是一種值得推廣的方式。

1. 使用STEP7 V5.3編程手冊 2004.1

2. 用于S7-300和S7-400的語句表編程參考手冊 2004.1

3. 用于S7-300和S7-400的系統(tǒng)軟件和標準功能參考手冊 2005.7