基于ModBus与WinCC的釜液位监控系统

王华强，龙　灏

(合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥　230009)

0　引言

在配料控制系统中，反应釜及原料罐的液位是控制系统开泵、开阀的重要依据之一。液位智能仪表大多数都是直接安装在现场，在监控室获得每个测量点的液位十分困难。实现液位温度等模拟信号的监控主要有以下几种途径：

(1)智能仪表4～20 mA标准信号经过安全栅，直接送入PLC，该方法需使用相应的AI、AO模块，但该方法硬件复杂、接线繁琐且造价昂贵，未充分利用智能仪表的通讯功能。

(2)智能仪表直接和上位机通讯，利用VC等程序编写通讯软件，未使用相应的控制器，通用性差，功能单一。

(3)基于CP341的ModBus通讯，西门子公司推荐使用ModBus slave模式，但购买相关驱动的价格昂贵[1]。

故在保证通讯稳定与功能实现的前提下，提出了基于CP341的ASCII通讯方式，并利用WinCC实现了液位的监控与归档。

1　项目背景与系统结构

反应釜配料控制系统共有10种物料与6种溶剂，依据配方，物料与物料、物料与溶剂按照配方经由各自管道下入釜中，经搅拌电机搅拌，经过一系列可控的化学反应之后形成所需的合成革材料。限于篇幅，只介绍液位监控系统的设计。

液位监控系统采用S7-300 PLC，CPU314，机架上有PS模块、CP343-1以太网通讯模块、CP341串行通讯处理模块，及I/O模块。支持MODBUS-RTU协议的16个超声波液位计通过CP341与PLC-300通讯。S7-300通过CP343-1，经由交换机与5台上位机IPC通讯，上位机的监控由WinCC实现。系统结构图如图1所示。

图1　系统结构图

2　ModBus通讯实现

2．1ModBus通信与通讯帧定义

ModBus定义了2种串行传输模式：RTU模式和ASCII模式，各互联的ModBus设备只有处于同一通讯模式下才能进行相互操作。RTU模式在支持ModBus的智能仪器仪表和PLC等设备中得到广泛的应用，系统基于CP341的ASCII通讯形式实现ModBus-RTU通讯[2]。

不同厂商所提供的ModBus协议数据格式略有不同，该项目使用S7-300与特力声UTG21-PS型超声波液位计，S7-300作为主站，超声波液位计作为从站。通信信息组成：地址码、功能码、数据段、CRC校验码[3]。超声波液位计保持寄存器如表1所示。

表1　UTG21-PS型超声波液位计寄存器

超声波液位计中液位测量值所在保持寄存器的地址为0002H，每个测量值占用4个字节，数据类型为IEEE754浮点型。通讯数据格式采用无奇偶校验帧格式，1位起始位，8位字长，1位停止位[3]。实际通讯S7-300与超声波液位计通讯帧格式定义如表2、表3所示。

表2　读寄存器帧

表3　读寄存器返回帧

例如，读取1号液位计液位计信号(共4个字节)。命令代码为：01H，03H，00H，02H，00H，02H，C9H，15H。根据ModBus帧格式定义：01H为地址码，03H为功能码读取多个寄存器的值，0002H为保持寄存器起始地址，0002H为保持读取寄存器数，C915H为CRC码。仪表回传：01H，03H，04H，00H，00H，C8H，42H，A5H，01H。按照ModBus帧格式定义：01H为地址码，03H为功能码，04H为返回字节个数，0000C842H即为返回的浮点型液位瞬时数据(转换为十进制为100)，A501H即为CRC码。

2．2S7-300CRC校验程序设计

CRC校验即循环冗余校验，是数据通讯领域中最常见的一种差错校验方法，也是通讯成功与否的关键之一[4]。考虑到校验程序要经常调用，在Step7中建立函数FC1实现CRC校验算法。使用语句表编程语言。定义FC1输入为DB-No(INT)、DBB-Start(INT)；DBB-Counts(INT)。输出变量定义为CRC-H(BYTE)，CRC-L(BYTE)。程序算法步骤如下：

(1)设置CRC寄存器，并给其赋值FFFF(hex)。

(2)将待校验数据(起始位、停止位位不参加计算)的第一个8-bit字节与16位CRC寄存器的低8位进行异或，并把结果存入CRC寄存器。

(3)CRC寄存器向右移一位，MSB补零，移出并检查LSB。

(4)如果LSB为0，重复第三步；若LSB为1，CRC寄存器与A001H相异或。

(5)重复第三与第四步直到8次移位全部完成。此时该字节数据处理完毕。

(6)重复第二至第五步直到所有数据全部处理完成。

(7)最终CRC寄存器的内容即为CRC值。

2．3PLC与超声波液位计通讯程序设计

PLC与液位计的通讯实现采用轮循的方式。在程序中一个智能从站对应一个DB发送数据块和一个DB接收数据块。在Step7中提供系统功能块：FB7 “P_RCV_RK”用于接收功能块、FB8 “P_SEND_RK”用于发送功能块，可实现对不同液位计的轮循。主站程序轮询流程图如图2所示。

图2　主站程序轮询流程图

首先进行初始化，初始化阶段主要完成CP341模块的参数化设置，复位接收缓冲区等工作。在Step7中的HW config 中设置CP341的属性，填入需要设置的CP341的CPU地址，“Protocol”处选择ASCII形式，并在弹出的“Protocol”窗口内设置CP341的波特率9 600 bit/s、奇偶校验方式(无)、数据格式(1位开始位，8位数据位，1位停止位)、字符延迟时间设定为4 ms[4]。接口类型为RS485半双工。为了实现S7-300对多个从站的轮循，程序构造了一个轮询计数器，通过修改轮询计数器的值来修改主站发送数据帧的站地址。

初始化完成后，按照通讯定义的帧格式，生成1#从站读数据，包括从站地址、功能码、读取寄存器的首地址、寄存器的个数、调用FC1生成的CRC校验码。启动发送功能，调用FB8 “P_SND_RK”发送数据到从站，FB8将返回状态信息，判断是否发送完成，如果发送错误，则重新启动发送[5]。发送完成后，置位发送标志位M9．0，构造上升沿脉冲使FB7“REQ”始能有效，准备接收从站返回数据。同时启动超时定时器T9，如果超时定时时间到，还没有接收到数据，则放弃等待，开始轮询下一从站。接收完成后，做如下几方面处理：

(1)根据接收数据的地址标识符判断是来自哪个从站的数据，调用FC1进行CRC校验，如接收正确完成，复位发送成功标志位，将接收的数据4～7字节转移到指定的从站数据块中，同时清空数据接收缓冲区。

(2)复位接收完成标志位，同时修改轮循计数器的值，准备轮询下一个从站，复位超时定时器，启动一个100 ms延时定时器，延时时间到后开始轮询下一从站。确保程序高效正确的运行，避免由于通讯故障导致PLC程序死锁。

程序设计需要注意的问题：

(1)ModBus通讯中，数据传输时先低字节，后高字节，需要对接收过的数据高低字节进行交换方可写入相应的接收DB块中。

(2)通过控制接收发送标志位，可以有效保证程序正确执行，使程序结构更加清晰完整。

通过上述操作，即可实现S7-300对10个液位传感器的轮循、数据查询、解析功能，保证程序运行正常。重要DB块定义及参数地址如表4所示。

表4　重要参数地址

3　基于以太网的上位机监控

3．1上位机与WinCC的配置

配备CP343-1模块的S7-300与多台上位机通过交换机即可构成以太网网络，通讯介质为双绞线。配置以太网需要注意的问题：

(1)分别在HW config中设置CP343-1的IP地址，在Set PG/PC中设置上位机的IP地址。该项目中5台工控机的IP地址为192．168．0．1～192．168．0．5，CP343-1的IP地址为192．168．0．11。

(2)在WinCC项目管理器窗口中添加SIMATIC S7 Protocol Suite驱动程序，在TCP/IP下建立相应的连接。该TCP/IP连接的系统参数中逻辑设备名称必须与本机的网络适配器名一致。并在新建立连接的属性里填写相应的IP地址、机架号、槽号[6]。

(3)在新建连接中建立相应的外部变量，16个液位外部变量起始地址对应为DB1．DD0～DB16．DD0，数据类型为浮点数32位IEEE754。

3．2WinCC画面组态

WinCC是Windows Control Center的简称，集成了SCADA、组态、脚本语言和OPC等先进技术，为用户提供了Windows操作系统下使用各种通用软件的功能[7]。该项目使用WinCC版本为6．2。

打开图形编辑器，添加相应的文本、I/O域，修改I/O域属性，将I/O域连接相应的外部变量。在选项板中调用相应的智能对象棒图。修改棒图的属性：对象的工程驱动值同样连接对应的外部变量。在棒图的颜色属性中使用动态对话框。事件名称为变量，表达式为对应的外部变量，数据类型为模拟量，表达式数值范围为0～0．2 m、4．8～5．0 m时棒图颜色填充为红色，其他范围为绿色，即可实现当液位过高或过低时警示。液位监控主画面如图3所示。

图3　液位监控画面

工业现场的安全至关重要，当危险情况发生时，需利用各种方式第一时间通知监控室人员，在WinCC中可直接调用Windows的API函数，在棒图的属性中添加C动作，即可实现液位过高和过低时语音报警[8]。代码如下：

long_main(char*lpszPictureName，char*

lpszObjectName，char*lpszPropertyName)

{#progma code(“Winmm．dll”)

void WINAPI PlaySoundA(char*pszSound，char*hmode，DWORD dwflay)；

#progma code()

if((“level1”>4．8)&& (“level1”<0．2))

PlaySoundA(“D：WinCCmediaSound．wav”，

Null，8)；

return 1020；

}

WinCC使用变量记录来组态过程值的归档，首先组态外部变量过程值归档，定义采集和归档周期。然后在图形编辑器中调用WinCC Online Table Control控件，即可在运行系统显示过程数据。液位归档如图4所示。

图4　液位归档画面

4　结束语

论述了配料系统液位监控系统设计，基于ModBus与以太网通讯网络，并在上位机上使用WinCC监控显示。实现了液位信号的快速采集、处理、监控、报警，保证了系统安全稳定运行。同时基于CP341的ASCII码通讯程序设计也省去购买硬件狗及相应驱动的费用。系统具有实时性好、稳定性高、经济等特点，在工厂实际生产中运行良好稳定，值得在同类型的自动化企业中推广。

参考文献：

[1]王海波．基于CP341的Modbus RTU通讯的设计与实现．工矿自动化，2009(8)：90-92．

[2]郎学政，许同乐，李中华．基于Modbus协议的PLC在自动供水监控系统中的应用．仪表技术与传感器，2012(2)：62-65．

[3]曹振国，许琳．智能化仪器仪表原理及应用．北京：中国水利水电出版社，2011：268-274．

[4]王延年，陈红，高霞．基于CP341模块的MODBUS RTU从站协议免驱动通信．西安工程大学学报，2010，24(6)：786-790．

[5]廖常初．S7-300/400 PLC 应用技术．北京：化学工业出版社，2008：210-217．

[6]刘华波，王雪，何文雪，等．组态王软件WinCC及其应用．北京：机械工业出版社，2009：72-78．

[7]西门子有限公司自动化与驱动集团．深入浅出西门子WinCC．北京：北京航天航空大学出版社，2004：1-5．

[8]杨路明，雷亚军．组态软件WinCC在自动监控系统中的应用．计算技术与自动化，2003，22(4)：21-24．