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湖南西乾电气设备有限公司
主营：西门子代理商,西门子PLC代理商,西门子V90代理商
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西门子V90授权代理商 西门子电机代理商 西门子V90伺服总代理 西门子V90一级代理商-西门子代理商
湖南西乾电气设备有限公司在经营活动中精益求精，具备如下业务优势：
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2、逻辑控制模块 LOGO！230RC、230RCO、230RCL、24RC、24RCL等
3、SITOP系列直流电源 24V DC 1.3A、2.5A、3A、5A、10A、20A、40A
SIEMENS HMI触摸屏：TD200/TD400C/SMART700IE/SMART1000IE/TP700/TP1200/TP900/TP1500
SIEMENS 交、直流传动装置
1、 交流变频器及伺服：MM420/430/440、G120、G110、V10、V20、V60、V70、V80、V90及6SE70系列（FC、VC、SC）
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SIEMENS 数控伺服
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2、伺服系统： 611A/U/D:6SN1123,6SN1145,6SN1146,6SN1118,6SN1110,6SN1124,6SN1125,6SN1128
3、伺服系统：S120: 6SL304、6SL3210、6SL3130、6SL3055、6SL3054
SIEMENS
西门子自动化与驱动产品合作伙伴
湖南环辰泰瑞电气设备有限公司
西门子中国一级代理商产品**：
1．华北地区：北京、天津、河北、内蒙古（3个市，2个省）。
2．东北地区：辽宁、吉林、黑龙江、大连，齐齐哈尔（3个省、2市）。
3．华东地区：上海、江苏、浙江、安徽、福建、江西、山东、（7个省）。
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6．西北地区：陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆、山西、（6个省、区）。
如何实现西门子S7-300 PLC与DCS控制系统的通信
如何实现西门子S7-300 PLC与DCS控制系统的通信——上海泗博自动化Modbus转Profibus-DP网关的应用
摘 要：本文就西门子S7-300系列PLC与横河CS3000型DCS集散控制系统的之间的通信，介绍如何实现Modbus和Profibus-DP协议设 备的相互通信、上海泗博自动化的Modbus转Profibus-DP网关PM-160在其中的应用，以及这两种不同通信协议的通信方式。
关键词：Modbus协议 Profibus-DP协议 Modbus转Profibus-DP 串口转Profibus-DP 分布式控制系统 通信网络
一、 引言
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。在此系统中，现场总线通信技术至关重要。本文就某水利站分布式控制系统项目，介绍上海泗博自 动化的Modbus转Profibus-DP协议网关设备的应用。
二、 系统组成
1、 系统结构
本系统构成如图1，其中略去了西 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系列PLC，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。
图1 系统结构
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）都能够通过上海泗博 自动化的通用串口（Modbus/RS485/RS422/RS232）转Profibus-DP网关PM-160连接到西门子S7-300PLC。此 时，网关PM-160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上海泗博自 动化的通用串口（Modbus/RS485/RS422/RS232）转Profibus-DP网关PM-160，此时，网关PM-160在串口侧的协议 类型为Modbus从站。
2、 通信网络组成
2.1 Profibus协议简介
PROFIBUS 是目前国际上通用的现场总线标准之一，以其*特的技术特点、严格的认证
规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，已成为较重要的和应用较广泛的
现场总线标准。
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 FMS：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
其中，PROFIBUS-DP 是高速网络，通讯速率达到12M。PROFIBUS-DP 可以连接远程I/O、执
行 机构、智能马达控制器、人机界面HMI、阀门定位器、变频器等智能设备， 一条PROFIBUS-DP 总线可以较多连接123 个从站设备。PROFIBUS-DP 的拓扑结构可以是总线型、星型和树型，通讯介质可以是屏蔽双绞线、光纤，也支持红外传输，采用双绞线时，不加中继器较远通讯距离可达1.2 公里，较多可以采用9 个中继器，较远通讯距离可达9 公里。采用光纤时，较远通讯距离可达100 公里以上，其中采用多膜光纤，两点间较远距离可达3 公里，采用单膜光纤时，两点间较远距离可达3 公里。
2.2 Modbus协议简介
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见图2：
图2 Modbus主、从设备查询响应
Modbus协议常用功能码如图3所示：
图3 Modbus协议常用功能码
Modbus协议有两种传输模式：ASCII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图4：
图4 Modbus RTU信息报文格式
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、A-F组成。
Modbus RTU通讯协议帧结构：
图5 RTU通讯协议帧格式
Modbus RTU方式主站读取从站寄存器数据示例：主设备查询。
图6 主设备查询格式
Modbus RTU方式主站读取从站寄存器数据示例：从设备响应。
图7 从设备响应格式
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上海泗博自动化的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S7-300PLC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S7-300 PLC）和Modbus主站（横河CS3000）的通信。DCS通信部分采用横河型号为ALR121的通信模块，并配套横河提供的Modbus通信软件 包，该通信模块较大通信数据容量为4000字。通过上海泗博自动化的网关配置软件对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侧做Modbus主站，在Profibus-DP侧做从站，建立 Modbus从站（现场各种智能仪表（现场电机、智能开关、变频器、传感器等））与Profibus-DP主站（西门子S7-300PLC）的通信。串口 网络（现场智能仪表）设备接口为RS485或者RS232，它们都可以通过上海泗博自动化的Modbus转Profibus-DP网关PM-160实现与 西门子S7-300PLC的连接通信。其中，通过使用网关的配套配置软件对PM-160进行相关配置，将需要采集的从站设备信息通过网关读、写命令及数据 转换、存储，映射到西门子PLC的输入、输出映射区，以实现PLC对现场智能仪表数据的采集和监控。
三、 Modbus转Profibus-DP网关PM-160的配置
PM-160是通用型Modbus/RS485/RS422/RS232到Profibus-DP的协议转换网关，在网关RAM中建立了Modbus /RS485/RS422/RS232到Profibus-DP的映射数据区，由软件实现Modbus/RS485/RS422/RS232到 Profibus-DP的协议转换和数据交换。凡具有RS485/422/232接口的设备（Modbus协议或者非标协议）都可以通过PM-160与现 场总线Profibus-DP互联。其中，PM-160在与Profibus-DP通讯是作为Profibus-DP从站，PM-160在与串口设备通信 时，可以作Modbus主站、Modbus从站，也支持与非标串口设备实现数据透明传输。通过在西门子STEP7中注册网关PM-160的GSD文件，即 可在该编程软件中对该网关进行相关硬件和软件配置，完成相应的通讯功能。请见如下详细的硬件和软件配置方法：
1、 Modbus转Profibus-DP网关PM-160的硬件配置
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、 Modbus转Profibus-DP网关PM-160的软件配置
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（产品光盘或者访问///DownLoad01.asp ）：
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；
图8 PM-160在Modbus侧作Modbus从站（连接PLC和DCS）
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：
图9 PM-160在Modbus侧作Modbus主站（连接PLC和Modbus从站）
其中，图9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：
图10 PM-160在Modbus侧作Modbus主站（命令配置）
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 接的非标串口设备（现场智能仪表）一致：PM-160支持的通用模式即透明传输模式，用户可通过数据中的数据长度和事务序列号以判断数据完整性和是否是一 帧新的数据。
图11 通用模式
2) 在STEP7中对网关M-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。
图12 组态界面
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：
图13 PM-160提供的数据块
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，将数据块“24Words Input，24Words Output”拖动到Profibus-DP从站地址为3的PM-160的槽位中，此时，对应的映射区地址分别为256，PLC程序需通过 PIW256（PIB256）或者PQW256（PQB256）对相应的数据进行寻址访问。
图14 PLC映像区起始地址（命令配置）
四、 数据读写
1、DCS读写PLC数据
DCS作为Modus主站通过PM-160读写PLC数据，使用04H功能码读数据，对应的寄存器起始地址为0H（30001H），使用10H（03H）功能码写数据，对应的寄存器起始地址为0H（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：以图14中的配置为例。
图15 PLC通过PM-160读写Modbus从站设备数据地址对应关系
2) PLC读写非标串口设备数据
PLC 的输入映射区前两个字节分别表示接收的串口数据长度和事务序列号，其它为接收到的数据。事务序列号变化，表示接收到了一帧新的串口数据。其中，可通过配置 软件设置是否开启串口数据长度功能。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。
五、 结束语
在该系统中，Modbus转Profibus-DP网关PM-160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）。自本通信系统运行以来，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。使用上海泗博自动化的Modbus转Profibus-DP网关可以较大地方便自动化工业现场的控制和操作。
1.概述
V90的基本定位功能是工程师经常使用的功能，使用编码器可以实现设备掉电后的位置保持功能。当使用V90 PN内置的基本定位功能（EPOS）时，经常会听到工程师反映掉电后轴的实际位置不能保持，本文提供一些检查问题的思路，供大家参考。
2. V90使用编码器，掉电后位置丢失常见问题总结
V90 参考案例: 全自动自动钉箱机 全自动自动钉箱机
产品: S7-1200+V20+V90
应用: 定位控制 定位控制
行业: 包装行业
2.V20 用于传输待钉纸板；伺服电机用于定位控制，用于钉钉的伺服电机要求具有非常高的动态响应，才能保证在高速钉钉的情况下，订书钉不会在瓦楞纸板上留下划痕。其它伺服用于简单的定位控制。.
解决方案及系统配置
西门子方案：
S7-1200 *2 + KTP700 + V20 *3 + 3AC 400V V90*8
优势与获益
客户采用西门子解决方案，提升品牌价值，方便样机开发和售后服务
V90 参考案例 : 颗粒包装机 颗粒包装机
产品: Smart PLC+V90 PTI
应用: 定位控制 定位控制
行业: 包装行业
设备描述及背景信息
1.客户主要生产各类制药和食品包装设备，如四边封颗粒包装机，粉末包装机，及包装连续设备等.
2.四边封多列颗粒包装机主要工艺过程：充填，灌装，纵封，横封，打批号，撕裂口，纵切，断裂线，横切
3.颗粒包装机每台5根轴，均为位置控制，用于定量送料
解决方案及系统配置
西门子方案：
Smart PLC + SMART LINE+ 1 AC 200V 750w*5
优势与获益
1.西门子提供 SMART TIA 解决方案，提升了客户的品牌价值和产品性能。
2.全套西门子 解决方案具有更好的集成度，因此节省了非常多的设备开发和调试时间，缩短了客户的生产周期。
3.V90调试方便，可用性更好，使客户的设备具有更好的稳定性和更高的性能。
4.基于西门子V90的可靠性，客户今后在连续设备上将会向总线方案进一步升级。
5.西门子各类PLC+V90方案都能实现基于制药行业的设备联网的需求
V90 参考案例 : 纸管机 纸管机
产品 产品: 运动控制器+V90 200V PTI
应用 应用: 定位控制 定位控制
行业 行业: 包装行业
设备描述及背景信息
为了减少环境污染，欧盟率先推崇纸管代替塑料管方案， 在2018年的4月份开始，纸管机行业处于爆发的时期。目前纸管机大多数以出口为主， 但是随着中国环保理念的推行，中国内部的纸管需求也会逐渐增多，
• 工作原理：3张纸条通过旋转黏胶工艺，卷成纸管， 等间距切刀将连续的纸管切成定长
• 工位说明：1台伺服电机控制切刀定位，做往复运动；2台变频器控制纸管旋转
• 方案配置：运动控制器+1*servo+2*converter
解决方案及系统配置
运动控制器+1*V90 PTI 1kW+2*V20
优势与获益
• 该行业正在处于快速增长时期，抓住这个机会可以****市场
• 该客户是行业内的*客户，该客户的成功突破会对该行业的推进有积极的作用
• 目前该机型大多为出口， 西门子品牌会对客户设备产生附加值
V90 参考案例: 激光打标机 激光打标机
产品 产品: S7-1200+V90PTI LI TTL
应用 应用: 定位控制 定位控制
行业 行业: 机床类
设备描述及背景信息
• 应客户的要求，开发激光二维码打标质量追朔系统。采用V90伺服做送料给进装置。
• V90 功能用途：位置控制。要求每秒旋转10次，每次运行72度。在每次的100ms的周期内，60ms运行完成，40ms用来打标。
解决方案及系统配置
西门子方案：S7-1200+V90 PTI LI TTL
优势与获益
• 整套产品的解决方案，稳定的产品质量，让客户产品更具有市场竞争力。
• 响应速度快， 达到客户要求的每分钟加工600个商标的要求
• S7-1200 PLC具有中断控制功能，配合V90运行，响应速度快
SINAMICS V90 伺服电机
SINAMICS V90 驱动器与 SIMOTICS SFL6 电机组成的伺服系统是面向标准通用伺服市场的驱动产品，覆盖0.05kW~7kw功率范围。V90伺服驱动系统具有调试简单、性能、稳定可靠等特性；配合SIEMENS PLC, 能够组成一套完善的、经济的、可靠的运动控制解决方案, 轻松实现位置控制，速度控制，扭矩控制等多种控制方式。
的一键优化及自动实时优化功能使设备获得更高的动态性能
自动抑制机械谐振频率
1 MHz 的高速脉冲输入
20 位分辨率的多圈值编码器
集成所有控制模式：外部脉冲位置控制、内部设定值位置控制（通过程序步或 Modbus）、速度控制和扭矩控制
集成内部设定值位置控制功能
全功率驱动标配内置制动电阻
集成抱闸继电器（400V 型），*外部继电器
西门子一站式提供所有组件
快速便捷的伺服优化和机械优化
简单易用的 SINAMICS V-ASSISTANT 调试工具
通用 SD 卡参数复制
不同的电机轴高**满足各种应用的需要
更宽的电压范围：200 V ... 240 V –15% / +10% (230V 型) 及 380 V ... 480 V –15% / +10% (400V 型)
高品质的电机轴承
电机防护等级 IP 65，轴端标配油封
集成安全扭矩停止（STO）功能
驱动与电机可靠组合
西门子再添新成员“S210伺服系统
西门子无疑成为本次展会的焦点，在展会上新发布的Simotics -1FK2电机和专为其开发的Sinamics S210伺服驱动器，共同组成的全新伺服驱动系统，也成为本次西门子展品的重头戏之一。
Sinamics S210伺服驱动器集成了丰富的安全功能，可实现快速工程组态，并可通过Profinet连接到上位控制器，使用Web服务器和一键优化功能，使得调试变得非常简单。与Simotics伺服电机配合使用，可实现小负载的高动态响应运动以及中高负载的**精密运动。电机与伺服驱动器之间只使用一根电缆连接。该全新驱动系统可广泛用于包装机械、物料抓取应用、木材和陶瓷加工，以及数字印刷。
估计是因为产品还没有正式开售的原因，目前我们能够搜到的关于 S210 的细节信息仍然非常少。登陆西家，能看到的仅仅是一篇不到 2 屏的产品特点描述、一段 2 分多钟的视频宣传片、一份仅 6 页的产品宣传册......，并且这些信息还都是英文或德文的。
不过，这并不妨碍我们去了解这款产品的一些基本概况。本期，就让我们借助这些十（shao）分（de）有（ke）限（lian）的资料来一起扒一扒这款正向我们袭来的 SINAMICS S210。
老规矩，先来看下产品外观。
这是能从网上找到的一张清晰度（300dpi）比较高的产品图片了。
从产品外形看，S210 的结构样式与目前市面上大部分同类型产品很相似，是一款单轴独立型伺服驱动器，就是说每台驱动器都有自己独立的 AC 电源输入，并且输出也都只有一个轴。
正面的接口布局也是中规中矩，上方是带黑色翻盖的显示操作面板，下方是电机动力输出和编码器反馈，中部左侧是动力和控制电源输入，右侧是通讯和 I/O 信号端口。
不过，尽管外表平平，个中还是有一点蛮特别的地方，就是：驱动器到电机的连接，貌似只有一根电缆。所以接下来，咱们就先来看一下 S210 的电机输出。
S210 搭载的新款伺服电机名为 SIMOTICS -1FK2 。
目前发布的 S210 驱动器，其动力电源输入为 AC 单相 230V，输出功率仅为 100W～750W，与之对应，现在的 -1FK2 电机输出扭矩也只有 0.16 Nm - 2.4 Nm；、
SINAMICS 后续有计划推出 S210 的 AC 三相 400V 版本，届时驱动器的输出功率将扩容到 400W - 7 kW，相应的，未来 -1FK2 电机的输出能力也将会达到 1.3 Nm - 50 Nm。
从产品型号命名上看，1FK 代表这是一款低惯量伺服电机。不过，因为还没有拿到详细的产品样本，目前我们还无法了解其具体的性能指标。关于这部分信息，天拓四方会保持持续关注。
从上面这张图可以明显的看出，-1FK2 跟以往西门子伺服电机更显着的差别在于，它采用了单电缆连接技术，就是说该款电机与驱动器之间的各类连接，包括动力/抱闸电源和反馈信号都是集成在一根电缆中的，并且在电机侧仅使用了一个可旋转的 DIN 型快插插座。
关于伺服电机单电缆技术的意义和价值，已经*我在这里重复了。
记得当时（大约在 2013 年前后），就已经有少数运控玩家（INNOVATORS like Beckhoff & Rockwell Automation）在其伺服产品中使用了单电缆技术；近几年，越来越多运控产品厂商（如：Rexroth、LTI Motion、B&R、Kollmorgen..）先后成为这项技术的 EARLY ADPOTERS；而现在，我们终于看到西家这头成员也正式加入到单电缆的阵营中了。