西門子開放式IE通訊在水電站監控系統中的應用

　　目前國內的水電站從最初的"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取代過去以繼電器常規控制方式，可實現"無人值班"(少人值守)，大大提高了水電站的自動化水平。一般整個水電站監控系統在物理上分為兩層：電站控制層和現地控制層。電站控制層（或稱上位機系統）主要用于監控系統的組態、維護，水電站運行的監視、操作、信息管理、遠動和優化控制等。現地控制層按控制對象分散方式一般設置為機組現地控制單元（LCU）、開關站及公用現地控制單元（LCU）和閘門現地控制單元（LCU），現地控制單元（LCU）主要采用PLC完成控制對象的數據采集與處理、控制與調節、安全運行監視、事件順序記錄（SOE）、數據及網絡通訊等。
　　2、項目簡介
　　湖南銅信溪水電站裝設三臺10MW水輪發電機組，整個監控系統采用"全分層分布開放式運行方式"，上位機系統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，現地控制層設置三套機組LCU、一套開關站及公用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Modbus/TCP協議與上位機系統通訊；同時配置相應的數字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入模塊，完成機組、開關站、公用和閘門等設備的控制與調節。具體網絡結構如圖1所示。

圖1：湖南銅信溪水電站網絡結構

　　3、CPU315-2PN/DP模塊及Modbus/TCP協議
　　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網絡、Profibus-DP網絡、開放式工業以太網，以及基于工業以太網技術的新一代現場總線PROFINET。該CPU的推出，進一步增強了S7-300 PLC的通信功能，使S7-300連接以太網的成本大大降低，并為PROFINET技術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Modbus/TCP協議與水電站上位機系統通訊。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協議、可與第三方設備在以太網上進行通訊等優點。
　　Modbus/TCP協議是簡單的、中立廠商的用于管理和控制自動化設備的Modbus系列通訊協議的派生產品。Modbus/TCP協議是一種面向TCP連接的協議，只有在建立了TCP連接后，才能以半雙工的方式進行數據交換。Modbus/TCP協議結構要求請求和響應帶有六個字節的前綴，具體結構如下：
　　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: 協議標識符= 0
　　byte 3: 協議標識符= 0
　　byte 4: 長度字段 （上半部分字節） = 0 (所有的消息長度小于256)
　　byte 5: 長度字段 (下半部分字節) = 后面字節的數量
　　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）
　　byte 9:寄存器地址（低字節）
　　byte 10:寄存器數量（高字節，固定為0）
　　byte 11:寄存器數量（低字節）
　　byte 12:后面數據字節數量-----寫寄存器時有效
　　byte 13:寄數據1（高字節）-----寫寄存器時有效
　　byte 14:寄數據1（低字節）-----寫寄存器時有效
　　需要注意的是Modbus/TCP協議所有的請求都是通過端口號502發送的，而CPU315-2PN/DP模塊的端口號只能設置為2000至5000。
　　4、軟件實現
　　4.1編程指令說明