AB7000网关在水利泵站测控系统中的应用

安利娟，贾 涛，曹永恒，张 维，陈英凯，王富强

(中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032)

0 前言

在多数企业自动化和信息化项目中，由于各设备生产厂家开发平台不同，不同设备、系统之间的通讯方式和通讯协议也不相同，造成各系统间数据共享性差，信息难以及时沟通，易造成控制层、管理层决策上的障碍，因此，网络之间的互联显得越来越重要。工业网关为联接不同现场总线网络提供了一种解决方案，使用不同的网关产品，可以联接任意两种现场总线网络，简单地实现I/O数据交换，使不同的网络之间进行联接并相互通讯。

陕西某抽黄灌区泵站自动化监控系统，为了实现泵站内所有设备的本地和远程控制操作、主要设备参数的实时监测、故障报警、运行过程模拟显示以及当地图像监视等功能，不同设备需要与西门子S7-400PLC进行数据通讯，并将相关数据实时上传到上位监控系统。其中综合保护系统、直流控制系统、温度检测系统、配电系统设备等都采用以RS485为接口的ModbusRTU串行通讯方式，中国重型机械研究院股份公司采用了Anybus Communicator的AB7000网关将不同设备通讯协议转换为西门子PLC支持的Profibus-DP现场总线协议，很好地解决了各设备与PLC间的数据交换及通讯。

1 控制系统组成

该泵站的自动化监控系统配置了2台HMI监控站、1个PLC主站、1个视频监控站、现场I/O站、多视频监控点、报表打印机等，控制系统采用工业以太网、现场总线及串行通信为通讯方式进行数据交换;其中主控制站采用西门子S7-400系列PLC通过以太网交换机与上层操作监控站相连;现场操作站采用西门子Profibus-DP总线作为底层通讯方式，通过此方式将远程操作站、仪表等与PLC控制系统进行无缝链接，同时由于该总线具有通讯稳定、抗干扰强等特点，有效地保证了系统控制的稳定与准确;高压控制系统的综合保护装置、直流屏、温度巡检仪、配电系统等作为从站采用Modbus RTU协议通过Anybus Communicator的AB700网关设备转换为Profibus-DP协议与PLC实现数据的实时采集与交换，并通过以太网将数据传送到HMI监控站进行实时监控与记录。系统组态结构如图1所示。

图1 系统组态结构Fig.1 Structure diagram of system configuration

2 系统硬件配置

该泵站的自动化监控系统主站PLC硬件主要采用了西门子S7-400系列PLC控制器，CPU选用了412-1DP型作为主站，各远程控制站选用配有300系列I/O模块的ET200M作为从站。同时在该项目中采用了Anybus Communicator的AB7000网关把ModbusRTU协议的网络转为ProfibusDP协议的网络，通过AB7000网关将综合保护系统、直流控制系统、温度检测系统、配电系统等作为从站设备将串行数据发至上层网络，实现数据的实时采集和交换。

2.1 数据交换方式

该系统利用 Anybus Communicator系列的AB7000网关联接非联网的、带有串行接口的自动化设备(综合保护装置、直流屏、温度巡检仪、配电装置等)到Profibus现场总线网络，实现使用串行协议的自动化设备与Profibus现场总线网络之间的智能转换。对于带有Modbus-RTU接口的自动化设备，AB7000作为Modbus-RTU主站使用，为Modbus-RTU设备提供协议转换。

Profibus现场总线和串行网络之间的数据交换方式是所有数据都被储存在Communicator内部的存储器缓冲区中，现场总线和自动化设备之间的数据交换使用Communicator内部的存储器的输入/输出缓冲区。在Communicator所连接的两个网络都有一个内部的I/O数据存储器。如图2所示，串行子网上收发的数据将作为I/O数据映射到上层工业网络上，I/O数据临时存储在网关内部数据缓冲区内，转发过程可以根据串行数据的帧格式进行配置，从而实现只将纯数据映射为I/O数据。对于上层网络的控制关系，数据交换只需要对指定区域的数据进行读写就可实现与串行子网的数据交换。数据和串行通讯协议的处理是在串行网关内部完成的，不需要PLC参与，因此简化了将串行设备集成至工业网络的工作并且提高了数据传输效率。

图2 智能数据映射交换方式Fig.2 Exchange mode of intelligent data mapping

2.2 AB7000网关配置

在使用Anybus网关时需先对网关本身进行配置，然后再进行PLC的配置。因为在PLC中的Anybus网关进行I/O配置时，需要与网关本身的I/O字节数一致。

AB7000要实现与带有Modbus-RTU接口的工业设备的联网，无需创建脚本和串行数据帧，只需使用Anybus Configuration Manager配置软件中的可视化模版向导进行连接配置即可。

该系统采用AB7000网关配置时，首先需选择现场网的类型，是Profibus-DP;其次再配置“Protocol Mode”为 Master Mode(对应 Modbus RTU);子网的配置，先配置子网的接口参数:通讯率为9 600 bps;数据位8位;没有奇偶校验;物理通讯口为RS485;一个停止位;在配置软件界面“子网”上点击右键添加一个Modbus-RUT从站。配置从站地址，添加数据交换命令，根据系统通讯数据要求分别添加读、写寄存器命令0x03和0x10。

配置AB7000时使用输入寄存器区和输出寄存器区这两个区来进行现场网和子网之间的数据交换。配置命令时，对于读寄存器的命令，如0x03，在编辑其响应信息帧时寄存器地址用输入寄存器区;对于写寄存器的命令，如0x10，在编辑其请求信息帧时寄存器地址用输出寄存器区。其数据资源见表1。

表1 数据资源列表Tab.1 Data list

使用Anybus Config Tool对网关进行配置之后，通过“子网监视器”功能查看网关的I/O字节数。网关配置完成并与子网上的串行设备通讯正常，LED5应为绿色常亮，LED6应为绿色闪烁。网关与串行子网正常通讯后，可以使用网关的“节点监视器”功能查看网关内部数据区的数据。

2.3 PLC系统与AB7000网关配置

通过西门子Step7软件实现对PLC系统的配置。在配置Profibus总线之前，先要配置PLC和主站硬件。该系统选用西门子S7412-1 CPU和4A电源、工业以太网模块以及标准机架。运行Simatic软件环境新建一个工程，在insert工具栏选择插入 SIMATIC 400 Station。双击 SIMATIC 400站点图标，选择“Hardware”打开硬件配置，添加导轨、电源和 PLC，添加配置 Profibus网络，在对话框中点击“Properties”，选择正确的参数并点击“OK”完成PLC配置。导入ABC-PDP的GSD文件到PLC，网关可在硬件目录中显示出来，名称为Anybus-C PDP，添加ABC-PDP网关到PLC网络中。在硬件目录中双击网关“Anybus-C PDP”插入到DP网络中。

硬件添加完成后需要根据具体应用的要求对PLC读写I/O数据区进行配置，且要求与网关数据区输入输出字节数相一致。根据网关输入输出数据区的字节数，模块(module)的选择有两种形式，一种读取字节数不多时，可以根据字节数对模块进行自由地选择和组合;另一种如果需要读取超过4个字节的完整数据，需要使用“Universal Module”，设置起始地址、输入输出数据大小以及偏移地址等。该PLC网络配置如图3所示。

图3 PLC网络配置Fig.3 PLC network configuration

2.4 PLC编程

适用于大多数应用的PLC能够从I/O映像中以字节(Byte)、字(Word)或双字(Double Word)形式直接读取1个、2个或4个字节完整数据。但是如果需要读取其它形式的超过4个字节完整数据区，则必需使用系统功能块SFC14和SFC15。该设计编程中需要在硬件配置中指定一个完整数据区，因此在配置中选择“Universal Module”，并进行属性设置。选择需要的数据类型(In，Out，or In/Out)，然后再设置数据偏移、长度和单位。如某一个站点，配置输出数据长度为64字节，输入数据长度为64字节，完整性为整个长度，地址偏移为10和16。

要读取所设置的完整数据，确保数据以整个长度完整地传输，PLC程序使用了 SFC14和SFC15系统功能块。SFC14的功能是从过程映像的输入区域读取数据，并将数据复制到另一个存储位置;SFC15的功能是从任意存储位置读取数据并将其复制到工程映像的输出数据区中。该功能块数据所读取或写入过程映像的位置在硬件配置中定义，其具体编程实例如图4所示，输入输出数据见表2。

图4 程序实例Fig.4 Program example

表2 SFC14、SFC15传输数据Tab.2 Data transmission of SFC14 and SFC15

3 结束语

AB7000网关模块在泵站自动化监控系统中的使用已经四五年时间，该系统性能稳定可靠、数据传输实时准确。AB7000网关模块也应用于其他工业场合，很好地解决了各异构系统间数据传输及通讯问题，为联接不同现场总线网络提供了一种有效解决方案。

［1］崔坚.西门子工业网络通讯指南［M］.北京:机械工业出版社，2005.

［2］如何在西门子S7 PLC中配置Anybus Communicator Profibus DP［Z］.应用指南，2009.

［3］谢崇宝.灌区用水管理信息化结构体系［M］.北京:中国水利水电出版社，2010.

［4］李纪人，潘世兵，张建立.中国数字流域［M］.北京:电子工业出版社，2009.