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核心提示：
1 引言
目前國(guó)內(nèi)的水電站從最初的“集中控制、功能分散方式”到當(dāng)今流行的“全分層分布開(kāi)放式運(yùn)行方式”，已全部采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)取代過(guò)去以繼電器常規(guī)控制方式，可實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值班”（少人值守），大大提高了水電站的自動(dòng)化水平。一般整個(gè)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(jī)系統(tǒng)）主要用于監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)、維護(hù),水電站運(yùn)行的監(jiān)視、操作、信息管理、遠(yuǎn)動(dòng)和優(yōu)化控制等.現(xiàn)地控制層按控制對(duì)象分散方式一般設(shè)置為機(jī)組現(xiàn)地控制單元（LCU）、開(kāi)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(duì)象的數(shù)據(jù)采集與處理、控制與調(diào)節(jié)、安全運(yùn)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(xiàng)目簡(jiǎn)介
湖南銅信溪水電站裝設(shè)三臺(tái)10MW水輪發(fā)電機(jī)組，整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)采用“全分層分布開(kāi)放式運(yùn)行方式”,上位機(jī)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(jī)組LCU、一套開(kāi)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(guò)編程實(shí)現(xiàn)Modbus/TCP協(xié)議與上位機(jī)系統(tǒng)通訊；同時(shí)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(jī)組、開(kāi)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(jià)比S7-300 CPU.通過(guò)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(kāi)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(chǎng)總線PROFINET。該CPU的推出,進(jìn)一步增強(qiáng)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(qiáng)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(kāi)放通訊 （PROFINET IO, PROFINET CBA）、S7 通訊、開(kāi)放式IE通訊、SIMATIC NET OPC Server和PG/OP通訊。本項(xiàng)目就是采用開(kāi)放式IE通訊編程實(shí)現(xiàn)Modbus/TCP協(xié)議與水電站上位機(jī)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(kāi)放式IE 通訊,其具有不占用CPU連接資源、最多可建立八個(gè)TCP/IP連接，完全基于開(kāi)放式TCP/IP協(xié)議、可與第三方設(shè)備在以太網(wǎng)上進(jìn)行通訊等優(yōu)點(diǎn)。
Modbus/TCP協(xié)議是簡(jiǎn)單的、中立廠商的用于管理和控制自動(dòng)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(jìn)行數(shù)據(jù)交換。Modbus/TCP協(xié)議結(jié)構(gòu)要求請(qǐng)求和響應(yīng)帶有六個(gè)字節(jié)的前綴，具體結(jié)構(gòu)如下：
byte 0: 事務(wù)處理標(biāo)識(shí)符 –通常為 0
byte 1: 事務(wù)處理標(biāo)識(shí)符 –通常為 0
byte 2: 協(xié)議標(biāo)識(shí)符= 0
byte 3: 協(xié)議標(biāo)識(shí)符= 0
byte 4: 長(zhǎng)度字段 （上半部分字節(jié)） = 0 （所有的消息長(zhǎng)度小于256）
byte 5: 長(zhǎng)度字段 （下半部分字節(jié)） = 后面字節(jié)的數(shù)量
byte 6: 單元標(biāo)識(shí)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(shí)有效
byte 13:寄數(shù)據(jù)1（高字節(jié)）————-寫寄存器時(shí)有效
byte 14:寄數(shù)據(jù)1（低字節(jié)）————-寫寄存器時(shí)有效
需要注意的是Modbus/TCP協(xié)議所有的請(qǐng)求都是通過(guò)端口號(hào)502發(fā)送的，而CPU315-2PN/DP模塊的端口號(hào)只能設(shè)置為2000至5000。
4 軟件實(shí)現(xiàn)
4.1 編程指令說(shuō)明
在CPU315-2PN/DP這一邊，不是通過(guò)NetPro設(shè)置通訊連接，而是通過(guò)編寫程序?qū)崿F(xiàn)。為了能通過(guò)用戶程序和其它與TCP/IP兼容的通訊伙伴通過(guò)開(kāi)放式IE通訊實(shí)現(xiàn)交換數(shù)據(jù)，STEP7（V5.3+SP1或以上）提供了四個(gè)功能塊（FB）和一個(gè)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(kāi)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(kù)中。
開(kāi)放式IE通訊只能通過(guò)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?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)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(gè)連接創(chuàng)建一個(gè)這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一個(gè)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(dòng)嘗試重新建立連接。
4.2 程序執(zhí)行過(guò)程
整個(gè)以太網(wǎng)通訊程序分成以下五個(gè)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(hào)、上位機(jī)系統(tǒng)中操作員工作站IP地址和開(kāi)始等待建立連接標(biāo)志（FB65_REQ=1）。
2） 建立連接
由開(kāi)始等待建立連接標(biāo)志（FB65_REQ=1）調(diào)用FB65等待上位機(jī)系統(tǒng)中操作員工作站請(qǐng)求建立連接。如果上
目前國(guó)內(nèi)的水電站從最初的“集中控制、功能分散方式”到當(dāng)今流行的“全分層分布開(kāi)放式運(yùn)行方式”，已全部采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)取代過(guò)去以繼電器常規(guī)控制方式，可實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值班”（少人值守），大大提高了水電站的自動(dòng)化水平。一般整個(gè)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(jī)系統(tǒng)）主要用于監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)、維護(hù),水電站運(yùn)行的監(jiān)視、操作、信息管理、遠(yuǎn)動(dòng)和優(yōu)化控制等.現(xiàn)地控制層按控制對(duì)象分散方式一般設(shè)置為機(jī)組現(xiàn)地控制單元（LCU）、開(kāi)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(duì)象的數(shù)據(jù)采集與處理、控制與調(diào)節(jié)、安全運(yùn)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(xiàng)目簡(jiǎn)介
湖南銅信溪水電站裝設(shè)三臺(tái)10MW水輪發(fā)電機(jī)組，整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)采用“全分層分布開(kāi)放式運(yùn)行方式”,上位機(jī)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(jī)組LCU、一套開(kāi)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(guò)編程實(shí)現(xiàn)Modbus/TCP協(xié)議與上位機(jī)系統(tǒng)通訊；同時(shí)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(jī)組、開(kāi)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(jià)比S7-300 CPU.通過(guò)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(kāi)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(chǎng)總線PROFINET。該CPU的推出,進(jìn)一步增強(qiáng)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(qiáng)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(kāi)放通訊 （PROFINET IO, PROFINET CBA）、S7 通訊、開(kāi)放式IE通訊、SIMATIC NET OPC Server和PG/OP通訊。本項(xiàng)目就是采用開(kāi)放式IE通訊編程實(shí)現(xiàn)Modbus/TCP協(xié)議與水電站上位機(jī)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(kāi)放式IE 通訊,其具有不占用CPU連接資源、最多可建立八個(gè)TCP/IP連接，完全基于開(kāi)放式TCP/IP協(xié)議、可與第三方設(shè)備在以太網(wǎng)上進(jìn)行通訊等優(yōu)點(diǎn)。
Modbus/TCP協(xié)議是簡(jiǎn)單的、中立廠商的用于管理和控制自動(dòng)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(jìn)行數(shù)據(jù)交換。Modbus/TCP協(xié)議結(jié)構(gòu)要求請(qǐng)求和響應(yīng)帶有六個(gè)字節(jié)的前綴，具體結(jié)構(gòu)如下：
byte 0: 事務(wù)處理標(biāo)識(shí)符 –通常為 0
byte 1: 事務(wù)處理標(biāo)識(shí)符 –通常為 0
byte 2: 協(xié)議標(biāo)識(shí)符= 0
byte 3: 協(xié)議標(biāo)識(shí)符= 0
byte 4: 長(zhǎng)度字段 （上半部分字節(jié)） = 0 （所有的消息長(zhǎng)度小于256）
byte 5: 長(zhǎng)度字段 （下半部分字節(jié)） = 后面字節(jié)的數(shù)量
byte 6: 單元標(biāo)識(shí)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(shí)有效
byte 13:寄數(shù)據(jù)1（高字節(jié)）————-寫寄存器時(shí)有效
byte 14:寄數(shù)據(jù)1（低字節(jié)）————-寫寄存器時(shí)有效
需要注意的是Modbus/TCP協(xié)議所有的請(qǐng)求都是通過(guò)端口號(hào)502發(fā)送的，而CPU315-2PN/DP模塊的端口號(hào)只能設(shè)置為2000至5000。
4 軟件實(shí)現(xiàn)
4.1 編程指令說(shuō)明
在CPU315-2PN/DP這一邊，不是通過(guò)NetPro設(shè)置通訊連接，而是通過(guò)編寫程序?qū)崿F(xiàn)。為了能通過(guò)用戶程序和其它與TCP/IP兼容的通訊伙伴通過(guò)開(kāi)放式IE通訊實(shí)現(xiàn)交換數(shù)據(jù)，STEP7（V5.3+SP1或以上）提供了四個(gè)功能塊（FB）和一個(gè)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(kāi)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(kù)中。
開(kāi)放式IE通訊只能通過(guò)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?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)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(gè)連接創(chuàng)建一個(gè)這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一個(gè)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(dòng)嘗試重新建立連接。
4.2 程序執(zhí)行過(guò)程
整個(gè)以太網(wǎng)通訊程序分成以下五個(gè)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(hào)、上位機(jī)系統(tǒng)中操作員工作站IP地址和開(kāi)始等待建立連接標(biāo)志（FB65_REQ=1）。
2） 建立連接
由開(kāi)始等待建立連接標(biāo)志（FB65_REQ=1）調(diào)用FB65等待上位機(jī)系統(tǒng)中操作員工作站請(qǐng)求建立連接。如果上
