如何实现西门子S7-300PLC与 Modbus通信的DCS控制系统设计

此次就西门子S7-300PLC与横河CS30型DCS集散控制系统的之间通信，给大伙介绍如何实现Modbus和 Profibus-DP协议设备的相互通信、Modbus转 Profibus-DP网关PM-160在当中的应用，以及这两种不同通信协议里的通信方式。

现代工业的迅速发展，不断促进着自动化控制技术及设备通信技术创新的发展。当前，PLC、DCS、智能仪表等已广泛应用到现场生产控制系统中，并发展到由上述设备相互协同、共同面向整个生产过程的分布式工业控制系统，所以现在现场总线通信技术至关重要。此次就某水利站分布式控制系统项目，介绍 Modbus转 Profibus-DP协议网关设备的应用。

一、系统组成

1、系统结构

本系统构成如下图，其中省去了西门子S7-300PLC之外的其它现场级控制设备。系统上位机采用横河CS3000型DCS集散控制系统，实现对其整个水利项目进行集中监控。下位机之一采用的是西门子S7-300 PLC，用来实现对现场各种智能仪表，包括现场电机、智能开关、变频器、传感器等执行、检测设备的启停控制、信息采集等操作。

在上图所示系统结构中，现场各种智能仪表(采用的是 Modbus协议或者各种非标协议，接口为RS485、RS422或者RS232)都能够通过通用串口( Modbus/RS-485/RS422/RS232)转 Profibus-DP网关PM160连接到西门子S7-300PLC。此时，网关PN160在串口侧的协议类型为 Modbus主站或者通用模式。横河DCS对西门子S7-300PLC的数据采集和监控同样需要使用通用串口( Modbus/Rs485/R5422/RS232)转 Profibus-DP网关PM-160，此时，网关PM-160在串口侧的协议类型为从站.

2、通信网络组成

PROFIBUS现场总线通讯协议包括三个主要部分

PROFIBUS DP：主站和从站之间采用轮循的通讯方式，主要应用于自动化系统中单元级和现场级通信。

PROFIBUS PA：电源和通信数据通过总线并行传输，主要用于面向过程自动化系统中单元级和现场级通讯。

PROFIBUS EMS：定义了主站和主站之间的通讯模型，主要用于自动化系统中系统级和车间级的过程数据交换。

2.2 Modbus协议

Modbus协议是一种适用于工业控制领域的主从式串口通讯协议，它采用查询通讯方式进行主从设备的信息传输，可寻址1-247个设备地址范围。协议包括广播查询和单独设备查询两种方式，二者区别就是广播查询不需要从设备回应信息，主、从设备查询通讯过程如下图

Modbus协议有两种传输模式：ASC模式和RTU模式。同波特率下，RTU模式较ASCⅡ模式能传输更多的数据，所以工业网络大都采用RTU模式。RTU模式下的信息传输报文格式如下图：

它没有起始位和停止位，而是由至少3.5个字符间隔时间作为信息的起始和结束标志。信息帧所有字符位由16进制字符0-9、AF组成。

2.3网络构成及硬件介绍

如图1所示，在该系统设计中有两个网络使用了 Modbus转 Profibus- DP网关PM-160。网关在这两个网络中的作用不一样，其中：

在上层网络中(建立西门子S7-30PLC和横河DCS连接通信)， Modbus转 Profibus-DP网关PM-160在 Modbus侧做 Modbus从站，在 Profibus-DP侧做从站，建立 Profibus-DP主站(西门子S7-300PLC)和Modbus主站的通信。

DCS通信部分采用横河型号为ALR121的通信模块，并配套橫河提供的 Modbus通信软件包，该通信模块最大通信数据容量为40字。通过网关配置软件对PM-160进行相关配置，将DCS的读、写指令及数据做相应转换、存储，并映射到西门子PLC的输入、输出映像区，以实现对上下位机控制信息的实时传输。

在下层网络中(建立西门子S7-300PLC和现场智能仪表的连接通信)， Modbus转 Profibus- DP网关PM-160在 Modbus例做 Modbus主站，在 Profibus-DP侧做从站，建立 Modbus从站(现场各种智能仪表、电机、智能开关、变频器、传感器等)与 Profibus-DP主站西门子S7-300PLC的通信。

二、 Modbus转 Profibus-DP网关PM-160的配置

1、 硬件配置

PM-160的 Profibus-DP从站地址可以通过网关的硬件旋码开关或者配置按钮来设置。旋码开关有两位，左侧位设置地址高位(十位)，右侧位设置地址低位(个位)。通过拨码开关可设置网关PM-160处于正常运行状态或者配置状态。当PM-160处于配置状态时，用户可通过配套配置软件设置相关读写命令和参数。

PM-160自带标准 Profibus-DP接口，用户可使用标准 Profibus-DP连接头和标准的 Profibus-DP电缆将其连接至 Profibus-DP现场总线中。

PM-160提供RS485、422、232三种串口， Modbus从站、主站设备以及用户非标串口设备可以通过这三种接口实现与网关PM-160的连接通讯。PM-160没有内置终端电阻，在进行RS485通信时，请注意在RS485总线终端各添加一个终端电阻(120欧姆)。

2、 软件配置

1)使用配套软件设置PM-160的现场总新和子网相关参数和命令通过拨码开关将PM-160设置为配置状态，打开安装的配置软件，当实现PLC与DCS通信时，子网协议类型设置为 Modbus从站，并设置串口通信波特率、数据位、奇偶校验位、停止位、PM-160作为 Modbus从站的地址、通信接口。其中，串口通信波特率、数据位、奇偶校验位、停止位的设置应该和所连接的 Modbus主站设备(DCS)一致。

当实现PLC与Modbus设备通信时，子网协议类型设置为Modbus主站，并设置串口通信参数、通讯传输模式、通信接口等。其中，串口通信参数的设置应该和所连接的Modbus从站设备一致。

其中，上图中的“节点-1”表示连接的从站设备地址为1，配置了“读保持寄存器”和“预置多个寄存器”两条命令，表示网关读取了从站对应地址的数据，并且能够输出数据到Modbus从站设备，命令配置方法如下：

Modbus寄存器起始地址：用户输入目标采集数据的 Modbus寄存器起始地址；

数据个数：目标数据的寄存器个数或者线圈条数；

内存映射起始地址： Modbus从站设备数据的对应内存缓冲区地址。

当实现PLC与非标协议设备通信时，子网协议类型设置为通用模式，并设置串口通信参数、控制方式、通信接口等。其中，串口通信参数的设置应该和所连接的非串口设备(现场智能仪表)一致，PM160支持的通用模式即透明传输模式。

2）在STEP7中对网关PM-160进行组态设置

在STEP7的硬件组态界面，导入PM-160对应的GSD文件，把PM-160的配置文件添加到STEP7的设备配置库中。用户可在硬件组态界面找到注册的设备：

Catalog->PROFIBUS DP->Additional Field Devices->General->CONVERTER->PM-160。

将PM-160添加到STEP7的组态页面后，可以插入相应的数据块进行映像区地址映射。PM-160提供的数据块如下：

推动需要的输入输出数据块到网关对应的槽位。如下图所示：

三、数据读写

1、DSC读写PLC数据

DSC作为Modbus主站通过PM-160读写PLC数据，使用04功能码读数据，对应的寄存器起始地址为OH（30001H），使用10H（03H）功能码写数据，对应的寄存器起始地址为OH（40001H）。

2、PLC读写现场智能仪表数据

1）PLC读写Modbus从站设备数据

PLC通过PM-160发送Modbus主站指令读写现场串口设备数据。映像区起始地址和网关内存映射起始地址对应关系如下：以下图的配置为例。

2)PLC读写非标串口设备数据

PLC的输出映射区前两个字节分别表示发送的串口数据长度和事务序列号，其它为要发送的串口数据。事务序列号变化，PLC发送相应长度的串口数据

在该系统中， Modbus转 Profibus- DP网关PM160扮演了三种角色：

建立 Modbus主站和 Profibus- DP主站之间的连接通信( Modbus主站模式)；

建立 Modbus从站和 Profibus- DP主站之间的连接通信( Modbus从站模式)；

建议非标串口设备和 Profibus-DP主站之间的连接通信(通用模式)。

自这个通信系统运行以来整个系统通讯正常，有效保证了整个水利工程控制系统的正常运行。使用 Modbus转Profibus-DP网关可以极大地方便自动化工业现场的控制和操作。

一文搞懂PLC与DCS的十大区别

说到控制系统很多人貌似说得头头是道，继续深究下去，什么是控制器，什么是PLC，什么是DCS，什么是FCS？三两句话介绍完基本概念后，顿时语塞，怎么聊都感觉说不到点上。今天就来说说什么是DCS？

我们首先可以明确的是：DCS是历史悠久的典型控制系统形态。控制系统分上下位机，上位机组态偏重GUI（图形用户界面），下位机组态偏重算法。

有朋友可能会问什么是组态？

其实组态就是搭建系统软件和硬件环境，再简单地说，组态就是用已有的简单功能组合出更复杂的功能。

那上下位机又是什么呢？

举个例子：设想自己开发一个控制系统。首先要做的是告诉计算机自己想干什么，然后由计算机通知控制器，最后控制器再告诉执行器具体该怎么做。这里面我其实只跟计算机发生对话，这里的计算机就是上位机，接受计算机指令的控制器就是下位机。

其实计算机和控制器本质上说都是计算机，只是外在表现形式，应用环境和编程方式的差异，导致我们必须采取一些便于理解的命名方式。上位机要跟人互动，所以偏重GUI，有显示器或触摸屏、鼠标和键盘灯外设等人机交互设备。下位机要跟执行机构互动，所以偏重算法，人们要把需求编写成可执行的程序下载到下位机，上位机给出的指令触发下位机程序执行，下位机更像是一个黑盒子，执行过程中人们无法直观的看到每一个过程和步骤，只能对结果进行分析，对不对？准不准？好不好？

那组态和上下位机跟DCS有什么关系呢？

Distributed Control System-->DCS（分布式控制系统），因为DCS也是控制系统，遵循控制系统的基本形态，也有上下位机，也要进行软件和硬件组态。Distributed分布式是讲DCS这个控制系统的特点和差异化。因此我们要搞明白什么是DCS就要从分布式这个特点开始。

1、DCS的进化史

人们普遍认为任何事物要分析他们的特点和差异化，就要回答两个哲学问题：从哪里来？到哪里去？

同理，我们想知道什么是DCS，什么是分布式，就离不开DCS的进化史和发展方向。

接下来我们从四次工业革命对过程工业控制系统的影响来聊一聊DCS的进化和发展。帮助大家更深刻的理解DCS。

第一次工业革命， 蒸汽时代，自动控制只能完成很简单的功能。按物理点位计算，只是现在的DI和DO，能实现的功能是：开和关，也就是一台机车的启停而已。最多就是在一些外设机械设备参与下实现正反转和简单的速度控制。家喻户晓的瓦特公认为是蒸汽机的发明者，但其实蒸汽机的出现比瓦特出生还要早许多，而最初期的DCS还跟蒸汽机有密切的关系。

第二次工业革命， 电气化时代，诸如继电器等电子设备普及，人们开始在现场就地控制一些大型设备。和之前对比改善在于，比如一个设备特别大，我用了就地控制就不用爬上设备去做启停操作了。再后来，人们还觉得麻烦，因为从这个设备跑到那个设备进行操作也很麻烦。所以，就把这些需要控制的按钮都放在一个屋子里，再装上简单的指示灯，操作员盯着显示屏上一大堆指示灯，随时准备按下操作台上一排排的启停按钮。

第三次工业革命， 信息时代，随着电子计算机技术的发展，控制系统一直发展，形成了成熟的集中控制系统，到现在CCR（Central Control Room）也可以叫做集控中心。为什么后来又分散了？因为人们发现集中控制会出现很多问题，当点位过于集中，控制规模过大的时候，如果某一个关键路径（模块）出现问题，可能导致很大一片控制区域瘫痪。这是中央集权制度的通病，一倒一大片。所以，人们考虑把硬件做的分散一些，并且分散到控制区域附近，增加操作员站，并且保留CCR。其中操作员站处理现场具体事务，CCR监管整个控制区域的衔接、协调事务。人们依然在控制室里面，但整个系统运行却更稳定了。

除此之外，为了提高通信效率，通过完善，又进化出了新种族FCS（Fildebus Control System，现场总线控制系统）意思是说原来你为了通信要为每一种甚至每一个控制组建配备一名类似通讯员一样的角色，可机构太臃肿、队伍太庞大导致效率低下，所以取消一对一的通信，大家都通过指定机构完成所有通信工作，这个指定机构就是现场总线（Fildebus）。

第四次工业革命， 物联网时代，人们做了很多完善工作，让控制系统看上去更高大上一些，更多决策辅助，更多数据统计和分析。于是分支出或添加了许多功能比如OEE、MES、ERP…

随着物联网时代的到来，最近又出来个新控制系统：ICS，大致思路是系统功能化、硬件模块化、组织机构扁平化…

2、DCS的系统构成

以上说了DCS的进化史，有点务虚了，朋友们会问，那现在DCS的基本形态和构成是怎样的呢？相信下面这张图能够很直观的解释DCS是什么、干什么用的？

举个例子：因为某个工艺需要，水箱液位需要保持在一定范围内，当水箱液位出现较大波动且超出此范围后，可以选择去现场手动调节控制水位的阀门，也可以通过DCS发出指令去调节。

就如下图所示，DCS相当于大脑，对眼睛看到的情况（即现场检测仪表传输过来的信号，如水位降低）做出反应（即发出指令，如增大进水阀开度），现场执行设备接受到指令做出相应的动作（如增大进水阀门开度，保持水位在一定范围）。

举了的这些个例子，好像都是过程工业范畴的，那么例如汽车等离散制造业呢？在那里有另外一个明星产品PLC。

PLC和DCS在工业自动化控制中占有举足轻重的地位，而工业自动化控制是国家工业发展战略的核心。PLC以及DCS在工业控制的各个环节中不断的升级、完善，已经成为现代工业生产制造中不可或缺的工具。

1、DCS和PLC的定义

DCS控制系统，在国内自控行业又称之为集散控制系统。即所谓的分布式控制系统，是相对于集中控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中控制系统的基础上发展、演变而来的。

DCS作为一个集过程控制和过程监控为一体的计算机综合系统，在通信网络的不断带动下，DCS系统已经成为了一个综合计算机，通信、显示和控制等4C技术的完整体系。其主要特点是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。

现如今的DCS系统可以广泛地用于工业装置的生产控制和经营管理，在化工、电力、冶金等流程自动化领域的应用已经十分普及。

PLC，即逻辑可编程控制器，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，是工业控制的核心部分。

2、DCS和PLC控制器的差别

DCS和PLC控制器的主要差别是在开关量和模拟量的运算上，即使后来两者相互有些渗透，但是仍然有区别。80年代以后，PLC除逻辑运算外，也增加了一些控制回路算法，但要完成一些复杂运算还是比较困难，PLC用梯形图编程，模拟量的运算在编程时不太直观，编程比较麻烦。但在解算逻辑方面，表现出快速的优点。而DCS使用功能块封装模拟运算和逻辑运算，无论是逻辑运算还是复杂模拟运算的表达形式都非常清晰，但相对PLC来说逻辑运算的表达效率较低。

3、DCS和PLC在火电厂的应用

在火电厂热工自动化领域，DCS和PLC是两个完全不同而又有着千丝万缕联系的概念。DCS和PLC都是计算机技术与工业控制技术相结合的产物，火电厂主机控制系统用的是DCS，而PLC主要应用在电厂辅助车间。DCS和PLC都有操作员站提供人机交互的手段、都依靠基于计算机技术的控制器完成控制运算、都通过I/O卡件完成与一次元件和执行装置的数据交换、都具备称之为网络的通信系统。

随着国内电厂装机容量的不断扩大及电力系统改革的推进，对辅助车间控制的要求也不断提高，在这个大环境，DCS系统进入辅助车间控制已成为趋势。NT6000DCS因其综合的技术经济优势，已经并将继续在辅助车间控制方面发挥越来越大的作用。

在辅助车间应用广泛的PLC也并不会就此退出热工自动化的历史舞台，前所未有的竞争压力，将会促使PLC厂商在技术上向DCS标准靠拢，在价格上作出更大的努力。DCS和PLC市场竞争的结果，将会使用户获得更大的利益。

4、DCS和PLC的控制处理能力

一个PLC的控制器，往往能够处理几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。而DCS的控制器，一般只能处理几百个I/O点（不超过500个I/O）。

从集散体系的要求来说，不允许有控制集中的情况出现，太多点数的控制器在实际应用中是毫无用处的，DCS开发人员根本就没有开发带很多I/O点数控制器的需要驱动，他们的主要精力在于提供体系的可靠性和灵活性。

而PLC不一样，作为一个独立的柔性控制装置，带点能力越强当然也就代表其技术水平越高了，至于整个控制体系的应用水平呢，这主要是工程商和用户的事情，而不是PLC制造商的核心目标。控制处理能力的另一个指标，运算速度，在人们印象当中PLC也比DCS要快很多。

新型的DCS控制器学习了大型PLC的设计，在控制周期方面的表现获得了大幅度的提高。以NT6000DCS的T2550控制器为例。控制器可以设置四个不同优先级的任务，最小运算周期可以设为10ms，配合高速I/O卡件，控制周期能够达到15~20ms。而模拟量运算设置在其它周期较长的任务中。

5、PLC和DCS的系统可扩展性和兼容性

市场上控制类产品繁多，无论DCS还是PLC，均有很多厂商在生产和销售。对于PLC系统来说，一般没有或很少有扩展的需求，因为PLC系统一般针对于设备来使用。一般来讲，PLC也很少有兼容性的要求，比如两个或以上的系统要求资源共享，对PLC来讲也是很困难的事。而且PLC一般都采用专用的网络结构，比如西门子的MPI总线性网络，甚至增加一台操作员站都不容易或成本很高。

DCS在发展的过程中也是各厂家自成体系，但大部分的DCS系统，比如横河YOKOGAWA、霍尼维尔、ABB等等，虽说系统内部（过程级）的通讯协议不尽相同，但操作级的网络平台不约而同的选择了以太网络，采用标准或变形的TCP/IP协议。diangon.com这样就提供了很方便的可扩展能力。在这种网络中，控制器、计算机均作为一个节点存在，只要网络到达的地方，就可以随意增减节点数量和布置节点位置。另外，基于windows系统的OPC、DDE等开放协议，各系统也可很方便的通讯，以实现资源共享。

6、PLC和DCS的数据库

DCS一般都提供统一的数据库。换句话说，在DCS系统中一旦一个数据存在于数据库中，就可在任何情况下引用，比如在组态软件中，在监控软件中，在趋势图中，在报表中……而PLC系统的数据库通常都不是统一的，组态软件和监控软件甚至归档软件都有自己的数据库。为什么常说西门子的S7 400要到了414以上才称为DCS？因为西门子的PCS7系统才使用统一的数据库，而PCS7要求控制器起码到S7 414-3以上的型号。

7、PLC和DCS的时间调度

PLC的程序一般不能按事先设定的循环周期运行。PLC程序是从头到尾执行一次后又从头开始执行。（现在一些新型PLC有所改进，不过对任务周期的数量还是有限制）而DCS可以设定任务周期。比如，快速任务等。同样是传感器的采样，压力传感器的变化时间很短，我们可以用200ms的任务周期采样，而温度传感器的滞后时间很大，我们可以用2s的任务周期采样。这样，DCS可以合理的调度控制器的资源。

8、PLC和DCS的网络结构

一般来讲，DCS惯常使用两层网络结构，一层为过程级网络，大部分DCS使用自己的总线协议，比如横河的Modbus、西门子和ABB的Profibus、ABB的 CAN bus等，这些协议均建立在标准串口传输协议RS232或RS485协议的基础上。现场IO模块，特别是模拟量的采样数据（机器代码，213/扫描周期）十分庞大，同时现场干扰因素较多，因此应该采用数据吞吐量大、抗干扰能力强的网络标准。基于RS485串口异步通讯方式的总线结构，符合现场通讯的要求。

IO的采样数据经CPU转换后变为整形数据或实形数据，在操作级网络（第二层网络）上传输。因此操作级网络可以采用数据吞吐量适中、传输速度快、连接方便的网络标准，同时因操作级网络一般布置在控制室内，对抗干扰的要求相对较低。因此采用标准以太网是最佳选择。TCP/IP协议是一种标准以太网协议，一般我们采用100Mbit/s的通讯速度。

PLC系统的工作任务相对简单，因此需要传输的数据量一般不会太大，所以常见的PLC系统为一层网络结构。过程级网络和操作级网络要么合并在一起，要不过程级网络简化成模件之间的内部连接。PLC不会或很少使用以太网。

9、PLC和DCS的应用对象规模

PLC一般应用在小型自控场所，比如设备的控制或少量的模拟量的控制及联锁，而大型的应用一般都是DCS。当然，这个概念不太准确，但很直观，习惯上我们把大于600点的系统称为DCS，小于这个规模叫做PLC。我们的热泵及QCS、横向产品配套的控制系统一般就是称为PLC。

10、DCS和PLC的市场情况和发展方向

在热工自动化领域，主厂房控制系统基本上毫无例外地使用DCS。而在辅助车间才使用PLC。其主要原因是早期的DCS系统非常昂贵，人们认为辅助车间的运行可以间断，可靠性要求不是很高，且模拟量控制要求较少，从降低成本的角度出发，往往选择PLC来构建控制系统。而锅炉、汽机和发电机的控制系统，要求长期稳定可靠地运行，信号中含有相当比例的模拟量，从系统的性能出发，人们不得不选择了昂贵的DCS。

另外，分析一下主厂房DCS和辅助车间控制系统的市场竞争情况，我们会发现一个有趣的现象。主厂房DCS的竞争往往在不同品牌的供应商或代理商之间展开，竞争激烈，DCS的价格不断下调。而辅助车间控制系统的竞争往往在同一品牌PLC的各个工程商之间进行，门槛较低，竞争更加激烈，但是PLC的价格下调幅度却并不如DCS明显。主要原因是DCS的生产商直接参与竞争，在巨大的市场压力下，不断下调设备制造费用和工程实施费用。而PLC的生产商不直接参与竞争，各个工程商只能下调自身有限的工程费用，空间有限。从现在情况看来，DCS与高档PLC的价格差距已不明显，辅助车间仍然较多地采用PLC，是市场的惯性使然。

PLC和DCS产品市场可谓风起云涌、竞争激烈。纵观PLC市场群星璀璨：世界上有200多家公司生产400多个品种系列的PLC，应用于电力、石油石化、冶金、材料、包装、造纸、汽车和市政各个行业。从行业角度来看，国外厂商占山为王，有着属于各自的势力范围。

DCS市场与PLC相差无几，基本由国外业内强者所把持，可喜的是一批本土厂商如Hollysys、Supcon、Xinhua等企业逐渐发展壮大。由于DCS技术含量高，很多对产品的需求都建立在项目的基础上，这样对DCS的需求也将是一个周期性较长的过程，因此DCS市场格局短时间内难有较大改变。当然，由于行业发展速度的不规律性，侧重行业不同的公司可能会因此而发生一些变化。

在今后的控制系统的发展中，我们将会看到DCS和PLC技术逐渐融合的局面，这对它们各自的发展以及各行各业的发展都有种促进的作用。

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