1  引言

　　目前国内的水电站从初的“集中控制、功能分散方式”到当今流行的“全分层分布开放式运行方式”，已全部采用计算机控制系统取代过去以继电器常规控制方式，

　　监控系统设计原则

　　1.1 水电站工业电视监控系统的目标是为电站提供一套先进的工业电视监控系统，电站按 “无人值班（少人值守）、远方集中监控（视）”原则设计。

　　1.2 水电站的工业电视监控系统要求在各分控端能实时监视关键设备、场所的实际运行状况，对重点现场进行遥控，能观察电站全厂的环境情况。

　　1.3 系统的设计应满足先进性、兼容性、可扩展性、可靠性和经济性的原则。

　　先进性：整个系统在建成后的五年内应保持先进，系统所采用的设备与技术能适应以后发展。

　　一般整个水电站监控系统在物理上分为两层：电站控制层和现地控制层。要用于监控系统的组态、维护，水电站运行的监视、操作、信息管理、远动和优化控制等。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller,PLC），它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC,plc自1966年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国，日本，德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。

　　2 项目简介

　　湖南铜信溪水电站装设三台10MW水轮发电机组，上位机系统设置二套操作员工作站、一套工程师工作站和一套通讯工作站，现地控制层设置三套机组LCU、一套开关站及公用LCU和一套闸门LCU。LCU主要采用西门子S7-300集成PROFINET接口的CPU315-2PN/DP模块，通过编程实现Modbus/TCP协议与上位机系统通讯。具体网络结构如图1所示。

　　图1：湖南铜信溪水电站网络结构

　　3 CPU315-2PN/DP模块及Modbus/TCP协议

　　CPU315-2PN/DP是西门子2004年底推出的一款高性价比S7-300 CPU。　SIMATICS7-300目前可以提供两种配有集成PROFINET接口的CPU：高性能CPU 317-2PN/DP和新型中端CPU315-2 PN/DP。

　　两款CPU均能通过PROFINET连接I/O现场设备，例如，使用PROFINET接口模块的SIMATICET200S分布式I/O系统。

　　STEP 7包含有所需的驱动。在此处也可以延伸到低端PROFIBUS上的设备，而无须重新连接编程器。

　　现场设备也能够使用额外集成的PROFIBUS接口进行连接，而且，PROFINET接口可用于单元级的通讯。这是我们针对模块化设备和机器工程而使用分布式智能的一种念。

　　PROFINET CPU 能够使用STEP 7在工业以太网上通过编程器/PC进行编程。

　　优点：

　　附加模板上的集成接口

　　从管理级到现场级的集成通讯

　　能够通过PROFINET/PROFIBUS上的以太网用作网络接口

　　因为使用了创新性的微型存储卡，可免于维修该CPU的推出，进一步增强了S7-300 PLC的通信功能，使S7-300连接以太网的成本大大降低，并为PROFINET技术的普及提供了强有力支持。基于PROFINET的开放通讯 （PROFINET IO, PROFINET CBA）、S7 通讯、开放式IE通讯、SIMATIC NET OPC Server和PG/OP通讯。本项目就是采用开放式IE通讯编程实现Modbus/TCP协议与水电站上位机系统通讯。

　　Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。Modbus-TCP 则是运行在TCP/IP 上的Modbus 报文传输协议。通过此协议，控制器相互之间通过网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。Modbus-TCP 协议已经成为一通用工业网络应用层的标准，在2004 年成为国家标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。

　　Modbus协议初由Modicon公司开发出来，在1979年末该公司成为施耐德自动化（Schneider Automation）部门的一部分，现在Modbus已经是工业领域的协议。许多工业设备，包括PLC，DCS，智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通讯标准。Modbus/TCP协议是一种面向TCP连接的协议，只有在建立了TCP连接后，才能以半双工的方式进行数据交换。Modbus/TCP协议结构要求请求和响应带有六个字节的前缀，具体结构如下：

　　byte 0: 事务处理标识符 –通常为 0

　　byte 1: 事务处理标识符 –通常为 0

　　byte 2: 协议标识符= 0

　　byte 3: 协议标识符= 0

　　byte 4: 长度字段 （上半部分字节） = 0 （所有的消息长度小于256）

　　byte 5: 长度字段 （下半部分字节） = 后面字节的数量

　　byte 6: 单元标识符 （原“从站地址”）

　　byte 7: MODBUS 功能代码

　　byte 8:寄存器地址（高字节）

　　byte 9:寄存器地址（低字节）

　　byte 10:寄存器数量（高字节，固定为0）

　　byte 11:寄存器数量（低字节）

　　byte 12:后面数据字节数量-----写寄存器时有效

　　byte 13:寄数据1（高字节）-----写寄存器时有效

　　byte 14:寄数据1（低字节）-----写寄存器时有效

　　需要注意的是Modbus/TCP协议所有的请求都是通过端口号502发送的，而CPU315-2PN/DP模块的端口号只能设置为2000至5000。

　　4  软件实现

　　4.1编程指令说明

　　在CPU315-2PN/DP这一边，不是通过NetPro设置通讯连接，而是通过编写程序实现。STEP7（V5.3+SP1或以上）提供了四个功能块（FB）和一个用户定义数据类型（UDT）用于组态连接和数据交换：

　　1）FB63“TSEND”：用于发送数据

　　2）FB64“TRCV”：用于接收数据

　　3）FB65“TCON”：用于建立连接

　　4）FB66“TDISCON”：用于断开连接

　　5）UDT65“TCON_PAR”：包括组态连接属性的数据结构

　　以上功能块（FB）包含在Standard Library > Communication Blocks库中。

　　要编程建立连接，需要创建一个包含UDT65“TCON_PAR”数据结构的数据快（DB）。该数据结构包含建立连接所需的所有参数，需要为每个连接创建一个这样的数据结构。一个连接建立之后，将受到 CPU 的监控，如果中间发生了中断，则自动尝试重新建立连接。

　　4.2程序执行过程

　　整个以太网通讯程序分成以下五个部分：

　　1）初始化

　　初始化程序在OB100中执行，主要设置连接ID、CPU315-2PN/DP端口号、上位机系统中操作员工作站IP地址和开始等待建立连接标志（FB65_REQ=1）。

　　2）建立连接

　　由开始等待建立连接标志（FB65_REQ=1）调用FB65等待上位机系统中操作员工作站请求建立连接。如果上位机系统中操作员工作站请求建立了连接，且FB65被无错误执行建立了连接（FB65_DONE=1），设置开始接收数据标志（FB64_EN_R=1）和复位开始等待建立连接标志。

　　3）接收数据

　　由开始接收数据标志（FB64_EN_R=1）调用FB64开始接收数据。如果上位机系统中操作员工作站发送了数据，且被FB64被无错误接收后（FB64_BDR=1），则调用Modbus/TCP协议处理程序（FB74）对接收到的数据进行判断和处理。如果上位机系统中操作员工作站没有发送数据或发生了数据FB64执行后有错误发生，则程序不做任何处理，还是等待接收数据。

　　4）Modbus/TCP协议处理

　　首先判断接收数据数量、寄存器地址和功能码是否正确。如果正确，则进行读/写数据处理，并准备正确响应所需数据。如果错误，则设置非法数据地址或非法功能码标志，并准备错误响应所需数据。

　　5）发送数据

　　由开始发送数据标志（FB63_REQ=1）调用FB63开始发送数据。不管发送完成是否正确，只要发送数据完成了就设置开始接收数据标志（FB64_EN_R=1）和复位发送数据标志（FB63_REQ=0），然后开始等待接收数据。

　　4.3 程序块

　　为了实现CPU315-2PN/DP与水电站上位机系统中操作员工作站的数据交换，PLC需要下表1所示程序块：