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核心提示：
1 引言
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
在CPU315-2PN/DP這一邊，不是通過NetPro設置通訊連接，而是通過編寫程序實現。為了能通過用戶程序和其它與TCP/IP兼容的通訊伙伴通過開放式IE通訊實現交換數據，STEP7（V5.3+SP1或以上）提供了四個功能塊（FB）和一個用戶定義數據類型（UDT）用于組態連接和數據交換：
1） FB63“TSEND”：用于發送數據
2） FB64“TRCV”：用于接收數據
3） FB65“TCON”：用于建立連接
4） FB66“TDISCON”：用于斷開連接
5） UDT65“TCON_PAR”：包括組態連接屬性的數據結構
以上功能塊（FB）包含在Standard Library > Communication Blocks庫中。
開放式IE通訊只能通過TCP/IP 建立以太網連接，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據。
要編程建立連接,需要創建一個包含UDT65“TCON_PAR”數據結構的數據快（DB）。該數據結構包含建立連接所需的所有參數，需要為每個連接創建一個這樣的數據結構。一個連接建立之后，將受到 CPU 的監控，如果中間發生了中斷，則自動嘗試重新建立連接。
4.2 程序執行過程
整個以太網通訊程序分成以下五個部分：
1） 初始化
初始化程序在OB100中執行，主要設置連接ID、CPU315-2PN/DP端口號、上位機系統中操作員工作站IP地址和開始等待建立連接標志（FB65_REQ=1）。
2） 建立連接
由開始等待建立連接標志（FB65_REQ=1）調用FB65等待上位機系統中操作員工作站請求建立連接。如果上
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
在CPU315-2PN/DP這一邊，不是通過NetPro設置通訊連接，而是通過編寫程序實現。為了能通過用戶程序和其它與TCP/IP兼容的通訊伙伴通過開放式IE通訊實現交換數據，STEP7（V5.3+SP1或以上）提供了四個功能塊（FB）和一個用戶定義數據類型（UDT）用于組態連接和數據交換：
1） FB63“TSEND”：用于發送數據
2） FB64“TRCV”：用于接收數據
3） FB65“TCON”：用于建立連接
4） FB66“TDISCON”：用于斷開連接
5） UDT65“TCON_PAR”：包括組態連接屬性的數據結構
以上功能塊（FB）包含在Standard Library > Communication Blocks庫中。
開放式IE通訊只能通過TCP/IP 建立以太網連接，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據。
要編程建立連接,需要創建一個包含UDT65“TCON_PAR”數據結構的數據快（DB）。該數據結構包含建立連接所需的所有參數，需要為每個連接創建一個這樣的數據結構。一個連接建立之后，將受到 CPU 的監控，如果中間發生了中斷，則自動嘗試重新建立連接。
4.2 程序執行過程
整個以太網通訊程序分成以下五個部分：
1） 初始化
初始化程序在OB100中執行，主要設置連接ID、CPU315-2PN/DP端口號、上位機系統中操作員工作站IP地址和開始等待建立連接標志（FB65_REQ=1）。
2） 建立連接
由開始等待建立連接標志（FB65_REQ=1）調用FB65等待上位機系統中操作員工作站請求建立連接。如果上
