武汉西门子分公司

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西门子将基于TSN来强化工业通讯

• 基于展会机器人模型，演示机器控制器之间的TSN（时间敏感型网络）通信

• 标准化的接口**服务质量

• 基于TSN的OPC UA PubSub：在高网络负载条件下也能实现可靠通信

• 网络组件、通信处理器、软件和网络管理

在2018年汉诺威工业博览会上，西门子展示了一个展会模型来演示时间敏感型联网（TSN）的优势：即使在高网络负载条件下，TSN也能在机器和工厂之间实现更加强大和可靠的以太网通信。该模型使用OPC UA PubSub（发布/订阅）和TSN进行机器对机器（M2M）通信。TSN的可靠性使得汽车、机械工程和餐饮等行业的自动化应用拥有显着优势。*一批西门子产品预计将于2018年底推出：即具有TSN功能的网络组件、通信处理器、软件和网络管理系统。

展会模型由两个机器人组成，机器人通过Profinet与Simatic控制器进行通信，模型由此展示两个机器人的同步运动。TSN网络使用基于TSN的OPC UA PubSub确保两个控制器之间的同步。PubSub原则起到了至关重要的作用：诸如机器控制器之类的发布者向网络发送的数据，所有订阅者都能接收到。用户自行“决定”是否需要这些信息。预留带宽可确保TSN网络内的数据以完全可预测的方式传输，而不受网络负载的影响。

该模型将OPC UA与TSN的优势相结合：TSN结合了现有标准，并从扩展QoS（服务质量）机制、时间同步、低延迟传输和无缝冗余等方面优化了以太网。对可靠通信有较高要求的用户尤其会受益于QoS优先级的显着优点：预留带宽和可预测的等待时间确保每个应用都获得所需的通信渠道。该模型还演示了同时使用TSN通信和标准以太网通信的方式，数据通过通信处理器从控制器传输到MindSphere。

TSN现在已经达到了实用所需的技术成熟度（包括标准），并且*一批组件已经面市。西门子和其他制造商现在可以将新的应用程序接入到其现有的工业网络中。

1．西门子SENTRON PAC3200 仪表介绍

西门子的SENTRON PAC3200多功能电力仪表是一种用于面板安装的仪表，可用来计量、显示配电系统多达50个测量变量，例如电压、电流、功率、有功功率、频率以及较大值、较小值和平均值。中文大屏幕图形液晶显示使用户可远距离读表。PAC3200仪表如下图所示。

图1:仪表PAC3200

1.1 SENTRON PAC3200 MODBUS RTU通信扩展模块介绍

PAC3200多功能仪表的本体没有MODBUS RTU通信的功能，如果希望将PAC3200作为从站连接到MODBUS RTU网络与主站进行数据交换必须选用外部扩展通信模块――SENTRON PAC RS485模块。(注意: PAC RS485 扩展模块使用错误的固件版本时将不能工作
SENTRON PAC3200 电力监测设备的固件版本较低应为FWV2.0X。 较早的版本不支持
PAC RS485 扩展模块。)该扩展模块具有下列性能特点：
        ? 可通过设备正面设置参数
        ? 即插即用
        ? 支持 4.8/9.6/19.2 以及 38.4 KBd 通信传输速率
        ? 通过6针螺钉端子接线
        ? 不需要外接辅助电源
        ? 通过模块上的 LED 显示状态

PAC3200 MODBUS RTU通信扩展模块如下图所示。

（1） 通信接线端子

（2） 安装螺钉

（3） 通风口

（4） LED

图2:PAC3200 MODBUS RTU 通信模块

 

1.2 SENTRON PAC3200 MODBUS RTU通信扩展模块的接线

SENTRON PAC3200 MODBUS RTU通信扩展模块的接线如下图所示

图3:PAC3200 MODBUS RTU 通信模块的接线图

 

1. 将电缆连接到端子排上相应的螺栓端子。
2. 将电缆屏蔽层的一端连接到保护性接地PE。
3. 将信号公共端连接到保护性接地。 这样也使得扩展模块接地。
4. 在*一个和最后一个通信节点上，在正信号和负信号之间接入总线端接电阻器。 为
此，PAC RS485 扩展模块中集成了一个120 Ohm 的总线端接电阻器。 如果需要其它
电阻值，请使用外部总线端接电阻器。 将它连接到*一个和最后一个通信节点。

1.3 SENTRON PAC3200 MODBUS RTU通信的方式

1．SENTRON PAC3200设备支持的功能码如下：
 

FC	功能码	数据类型		访问权限
02	输入的状态	位	输入	R
03	输出寄存器	寄存器	输出	R
04	输入寄存器	寄存器	输入	R
06	单一输出寄存器	寄存器	输出	RW
10	多个输出寄存器	寄存器	－	RW
2B	设备识别	－	－	R

表1: SENTRON PAC3200设备支持的功能码

R—可读
RW—可读写

2．SENTRON PAC3200 MODBUS RTU 与S7-1200进行通信
S7-1200 PLC可以通过功能代码0x03 和0x04 访问仪表PAC3200的被测量数据。
下表是一些PAC3200 被测量的数据。

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表2: SENTRON PAC3200设备的一些被测量数据

2．西门子SENTRON PAC3200 仪表与S7-1200进行通信的接线图

下图是SENTRON PAC3200仪表与S7-1200进行MODBUS RTU 通信的接线图。

图4:S7-1200与PAC3200进行MODBUS RTU 进行通信的接线图

3．硬件需求
S7-1200 PLC目前有3种类型的CPU：
        1）S7-1211C CPU。
        2）S7-1212C CPU。
        3）S7-1214C CPU。
这三种类型的CPU都可以使用MODBUS通信协议通过通信模块CM1241 RS485来实现S7-1200与PAC3200仪表的通信。

本例中使用的PLC硬件为：
        1）PM1207电源 ( 6EP1 332-1SH71 )
        2） S7-1214C ( 6ES7 214 -1BE30 -0XB0 )
        3) CM1241 RS485 ( 6ES7 241 -1CH30 -0XB0 )
        4) 模拟器 ( 6ES7 274 -1XH30 -0XA0 )

本例中使用的PAC3200仪表硬件为：
        1） PAC3200 （7KM2112-0BA00-3AA0）
        2） MODBUS RTU 模块 （7KM9300-0AB00-0AA0）
        3） MODBUS 通信电缆 ( 6XV1830-0EH10)

 

3．软件需求

1) 编程软件 Step7 Basic V10.5 ( 6ES7 822-0AA0-0YA0)

4．S7-1200 MODBUS RTU的通信方式
S7-1200作为MODBUS RTU主站的通信方式是由DATA_ADDR 和 MODE 参数来选择 Modbus 功能类型的。
DATA_ADDR（从站中的起始 Modbus 地址）： *要在 Modbus 从站中访问的数据的起始地址。MB_MASTER 使用 MODE 输入而非功能代码输入。 MODE 和 Modbus 地址范围一起确定实际 Modbus 消息中使用的功能代码。

下表列出了 MB_MASTER 参数 MODE、Modbus 功能代码和 Modbus 地址范围之间的对应关系。

表3: MB_MASTER的MODBUS 功能

5．S7-1200 与PAC3200 进行MODBUS RTU的通信组态

我们通过一个实例来介绍如何在Step7 Basic V10.5 中组态S7-1214C 和PAC3200的MODBUS RTU通信。

5. 1 PLC 硬件组态

首先在Step7 Basic V10.5中建立一个项目，如图1所示。

图5： 新建S7 1200项目

在硬件配置中，添加CPU1214C和通信模块CM1241 RS485模块，如图2所示。

图6： S7 1200硬件配置

在CPU的属性中，设置以太网的IP地址，建立PG与PLC的连接，如下图所示。

图7： S7 1200 IP地址的设置

5. 2 PAC3200参数设置
在SENTRON PAC 电力监测设备的主菜单中，调用“设置”>“RS485 模块”，出现下面的设置画面：

图8： PAC3200 MODBUS RTU 通信参数的设置

1. 地址的设置范围：1-247。本例中设为8。
2. 波特率的设置范围：4800，9600，19200，38400。本例中设为38400。
3. 设置外部通信的数据位、奇偶校验位及停止位：
        ? 8E1=8 个数据位，奇偶校验位为even， 1 个停止位
        ? 8O1=8 个数据位，奇偶校验位为odd， 1 个停止位
        ? 8N2=8 个数据位，无奇偶校验位， 2 个停止位
        ? 8N1=8 个数据位，无奇偶校验位， 1 个停止位
        本例中根据S7-1200 MODBUS MASTER 的参数设置为 8N1。
4. 协议的设置：可选项为：SEABUS,MODBUS RTU。
本例中设为MODBUS RTU。
5．响应时间的设置：注意与波特率的设置相匹配，本例中设为10mS。

 

6．S71200 与PAC3200的MODBUS RTU通信原理与编程的实现

6. 1 S7 1200 PLC与PAC3200 通过MODBUS RTU 通信的基本原理

S7 1200提供了专用的MODBUS库进行MODBUS通信，如下图所示：

图9： S7 1200提供的专用MODBUS库

西门子PLC S7-1200的模块CM1241 RS232和CM1241 RS485都可以实现MODBUS RTU的通信，本例中采用CM1241 RS485模块来实现与仪表PAC3200的MODBUS RTU 的通信。
S7-1200的MODBUS RTU通信的基本原理是：
首先S7-1200 PLC的程序调用一次MODBUS 库中的功能块MB_COMM_LOAD来组态CM1241 RS232和CM1241 RS485模块上的端口，对端口的参数进行配置。
其次调用MODBUS 库中的功能块MB_MASTER或者MB_SLAVE作为MODBUS 主站或者从站与支持MODBUS协议的设备进行通信。

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