多种通信协议在智能PLC中的应用分析

赵海斌

(中国钢研科技集团有限公司 安泰环境工程技术有限公司，北京 100081)

多种通信协议在智能PLC中的应用分析

赵海斌

(中国钢研科技集团有限公司 安泰环境工程技术有限公司，北京 100081)

以加热炉电气控制系统为例说明多种通信协议在西门子S7-200 smart系列PLC中的使用方法及注意事项。系统中S7-200 smart CPU同时使用了Modbus-RTU、USS和以太网通信协议分别与系统中的不同设备进行通信。实践证明，该PLC通过合理的编程使用，可以实现多种通信方式混合使用，成本低廉、功能强大、通信可靠，成为小型自动化系统的首选产品。

Modbus通信；USS通信；以太网通信；S7-200 smart

引 言

西门子S7-200 smart系列PLC集成以太网接口和3路高速脉冲输出，选用高速处理器芯片，基本指令执行时间为0.15 μs，相比S7-200具有机型丰富、性能卓越、编程高效、经济便捷的特点。由于上市时间较短，在很多行业中还没有案例可供参考，其多种通信接口还需要实践验证。有关此款PLC的通信接口配置及应用，在说明书中有较为详细介绍，但是在实际使用中，由于加热炉的工艺控制需求，单纯依靠某种通信方式不能满足系统设计要求，需要在PLC中综合运用多种通信方式，在说明书中有关多种通信协议综合使用的参考资料很少。本文从实际需求出发，阐述了smart多种通信接口同时使用在实际应用中遇到的问题及注意事项，通过优化程序设计，最终将三种通信协议成功地应用于smart控制系统中，以低成本的方式满足了工艺控制要求，增强了产品的市场竞争力。

1 控制系统配置

1.1 系统基本结构

该加热炉以S7-200 smart作为核心控制器完成系统数据采集、逻辑控制、数据运算、速度协调控制等功能。上位机选用触摸屏，与smart通过以太网接口通信，完成过程数据显示及记录功能。温度控制选用智能温控仪表及热电偶实现炉内温度实时控制，炉内多区域温度设定及实际值数据通过Modbus-RTU通信与smart进行数据交换，完成炉内多区域温度设定及显示功能。加热炉的进料及出料速度匹配控制选用西门子V20变频器控制变频电机实现。由于smart本身集成RS485接口，与扩展RS485接口不能同时使用Modbus或USS协议通信，因此smart与变频器之间数据交换选用USS协议实现。选用本体集成的RS485通信接口，连接成总线与多台变频器进行通信。这样smart本体配置通信接口和扩展的通信接口均被配置使用，有助于实现不同控制设备间的多个数据交换。

整套控制系统的通信网络配置图如图1所示，系统主要包括1台PLC、1台触摸屏、1台温控仪表和8台变频器。

图1 系统通信网络配置图

系统具体配置如下：

① PLC型号选用smart系列ST40，自带24点输入和16点输出，晶体管型输出，无扩展模板。ST40本体集成一个以太网接口和一个RS485接口，通过扩展CM01信号板可以增加一个RS485接口。本体集成的RS485接口，使用USS驱动协议与变频器进行通信，扩展的RS485接口使用Modbus-RTU协议与智能仪表通信。ST40本体集成的以太网接口，支持西门子S7协议，可以与编程设备或触摸屏进行通信连接。

② 智能温控仪表选择伯特公司产品，采用单片微处理器设计，内置PID调节功能，配置RS485通信接口，支持标准Modbus-RTU协议。

③ 变频器选用西门子SINAMICS V20系列，该变频器内置常见的连接宏和应用宏，设置简单，集成USS和Modbus通信接口，灵活便捷。

1.2 通信线路连接

Modbus通信是一种主从网络，允许一个主站和一个或多个从站通信。smart作为通信主站，智能仪表作为从站，通信线路连接如图2所示。

图2 Modbus通信连接线路图

USS协议采用单主站主-从访问机制。smart P作为通信主站，V20变频作为通信从站。线路连接如图3所示。

图3 USS通信连接线路图

偏置电阻用于在复杂环境下确保通信线上的电平在总线未被驱动时保持稳定，终端电阻用于吸收网络上的反射信号，一个完善的总线型网络必须在两端接偏置和终端电阻。通信口的等电位连接线建议使用单独的较粗导线，不要使用通信电缆的屏蔽层代替，因为连接线上可能有较大的电流，会导致通信中断。由于smart通信端口为非隔离型的，在不加中继及隔离的情况下，通信双绞电缆最长为50 m，电缆屏蔽层应可靠接地，通信线与动力线分开布线，减小外界信号干扰。

2 Modbus通信实现及注意事项

Modbus协议是由Modicon公司在1979年发明的，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议，此协议支持传统的RS232、RS422、RS485和以太网设备，许多工业设备(包括PLC、DCS、智能仪表等)都在使用Modbus协议作为通信标准。在Modbus系统中有2种传输模式可供选择，这2种传输模式与从机通信的能力是同等的，在实际应用中，应视所用Modbus主机而定，每个Modbus系统只能使用一种模式，不允许2种模式混用。一种模式是ASCII(美国信息交换码)，另一种模式是RTU(远程终端设备)。

S7-200 smart只支持Modbus协议RTU通信模式，本项目中PLC作为通信主站，智能仪表作为通信从站。编程软件中自带了Modbus-RTU主站协议库的标准功能块，包括主站初始化功能块MBUS_CTRL和主站读写子程序功能块MBUS_MSG。 在用户程序中调用此功能块，可以读写Modbus RTU从站的数字量、模拟量I/O以及保持寄存器中的内容。

读写子程序功能块MBUS_MSG在用户程序中只能有一个处于运行状态，否则会导致通信报错。当需要读写多个不连续的变量时，需要多次调用此功能块，此时需要编写主站轮询访问程序，控制每时刻只有一个MBUS_MSG功能模块被调用。

如果依照说明书编写通信程序，在实际应用中，出现了smart与智能仪表通信连接成功后，经过一段时间通信中断的情况，导致温度数据不更新，显示温度不能反映实际温度变化。经过反复分析验证，发现是由于PLC和智能仪表通信速率不匹配，主站频繁读写从站寄存器数据，从站响应速度跟不上，导致数据读取失败。

针对这个问题，在程序中做了优化，降低主站数据读取的频次，写入数据时，在主站有写入需求时才写入，更改后通信恢复正常。

3 USS协议通信实现及使用要点

USS(Universal Serial Interface)通用串行通信接口是西门子专门为传动装置开发的通信协议，支持多点通信，一个网络上最多可以有31个从站，报文格式简单可靠，数据传输灵活高效。USS协议工作机制，通信总是由主站发起，主站不断循环轮询各个从站，从站根据收到的指令，决定是否响应以及如何响应，从站永远不会主动发送数据。

smart编程软件提供了USS通信的标准指令库，指令库包含初始化功能块USS_INIT、传动装置控制功能块USS_CTRL和USS参数读写功能块。

由于通过调用传动控制功能块USS_CTRL，只支持读取变频器的实际运行频率，用户不能更改功能块，在实际应用中，变频器的运行电流等参数也需要参与工艺控制，要读取这个变量，需要通过用户编写程序单独调用参数读写指令块实现。如果要读取多个变频器的运行电流，需要调用多个读写指令块实现，同样需要编写轮询程序进行控制，保证每时刻只有一个读写指令块被调用。

在程序设计中，调用8个功能块USS_CTRL分别控制8个变频器的启停和速度设定。这8个功能块不需要编写轮询程序，只需设定不同的访问地址，程序会根据初始化功能块USS_INIT的Active参数自动控制。读取实际电流等参数，需要多次调用参数读写功能块USS_RPM_R，轮询程序如下 ：

1 LD SM0.1

R V9.0，2

R V0.0，1

2 LD V0.0

EU

S V9.0，1

3 LD SM0.1

CALL USS_INIT，1，19200，0，2#1111111110, V0.0, VB300

4 LD V9.0

= L 60.0

LD V9.0

EU

= L63.7

LD L60.0

CALL USS_RPM_R, L63.7, 3, 27, 0, &VB3600, V9.4,VB3618, VD3500

5 LD V9.4

EU

MOVR VD3500, VD3550

R V9.0, i

S V9.1, i

6 LD V9.1

= L60.0

LD V9.1

EU

= L63.7

LD L60.0

CALL USS_RPM_R, L63.7, 4, 27, 0, &VB3620, V9.5,VB3619, VD3504

7 LD V9.5

EU

MOVR VD3504, VD3554

R V9.1, i

S V9.6, i

4 以太网通信使用要点

S7-200 smart CPU均提供一个以太网端口，该端口不支持TCP、UDP和ISO on TCP等开放式用户通信和Modbus TCP通信，只支持西门子S7协议，可以实现与支持S7协议的以太网端口设备通信。通过编程软件Step7-Micro/Win smart调试smart时，需中断其他以太网设备通信，最多可以连接8个HMI设备。有关smart以太网通信接口支持通信协议的局限性，需在使用前重点关注。

结 语

在Modbus通信应用中，通过优化读写速率，最后得以稳定运行，实践证明Modbus通信虽然简单易用，但是需要通过编程匹配使用，单纯依靠指令库程序难以稳定运行，需要具体情况具体分析。

[1] 西门子.S7-200 smart 系统手册V2.2,2016.

[2] 廖常初.S7-200 SMART PLC编程及应用[M]. 北京:机械工业出版社,2015.

[3] 西门子.西门子V20变频器操作手册,2013.

赵海斌(工程师)，研究方向为冶金自动化控制。

Application Analysis of Multiple Communication Protocols in Intelligent PLC

Zhao Haibin

(Advanced Environment Engineering Technology Co.,Ltd.,China Iron&Steel Research Institute Group,Beijing 100081,China)

In this article,the electric control system of heating furnace is taken as an example to show how to use various communication protocols in SIEMENS S7-200 smart series PLC.The system uses Modbus-RTU,USS and ethernet communication protocol in S7-200 smart CPU to communicate with different devices in the system.Through the use of reasonable programming,practice has proved that the PLC can be used to achieve a variety of communication methods.With the advantage of low cost,powerful function and reliable communication,it will become the first choice for the small automation systems.

Modbus communication;USS communication;ethernet communication;S7-200 smart

TP273

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士然

2017-02-24)