油田工业控制系统PLC通信技术研究

张志国

大庆油田有限责任公司第一采油厂

近年来，随着信息化和工业化融合的不断深入，以及油田向数字化转型的发展需要，油田工业控制系统（以下简称工控系统）从封闭走向开放，从单机走向互联。以往的一站一套PLC硬件系统搭配配套组态软件的站（库）工控系统模式，开始向现在的一套组态软件对应多套不同品牌PLC的模式转变。实现不同品牌PLC 通信的方法主要有两种：一是应用较多的OPC 通信技术，这种通信技术的实现原理是基于Windows 的Dcom 端口开放协议[1]。OPC通信技术通用性好，但传输速率较慢，当通信数据量大的时候，容易引起通信的超时和中断。特别是随着近年来对工控系统网络安全工作的重视，Dcom 端口也因为存在被攻击的安全问题被禁用。二是通过组态软件的内部驱动实现。下面以油田测控系统改造中常见的不同品牌、版本系列PLC进行功能整合和通信互联需求为例，对实现不同品牌PLC的上、下位通信技术进行分析研究。

1 PLC的上、下位通信技术实现方法

大庆油田第一采油厂早期使用的是西门子品牌PLC，应用的站型也主要是在转油站和转油放水站。随着PLC 系统在油田中的应用规模不断扩大，应用数量、品牌的不断增多，在测控系统扩容、改建、合建过程中经常会遇到不同品牌PLC的通信组网、整合管理。为了实现油田自主运维，需要掌握对不同品牌PLC的组网通信技术。在此，结合在工作中的开发实例介绍相关的技术应用情况。

应用场景：在一套已建转油站PLC系统（西门子品牌）的基础上，新增一套罗克韦尔（AB）品牌PLC 硬件系统。要求在一套上位软件的环境下，实现不同品牌下位PLC 采集数据显示、控制功能。软件环境是原西门子PLC 系统使用的上位组态软件，即WinCC（Windows Control Center）V7.1。实现方法是通过WinCC 软件提供的“Allen Bradley-Ethernet IP”的通信驱动兼容协议（表1），能够实现与AB品牌PLC进行以太网通信[2]。可以实现在不增加硬件投入的情况下，实现与其他品牌PLC的互联、互通。

表1 WinCC V7.4SP1版支持的PLC通信驱动列表Tab.1 List of PLC communication drivers supported by WinCC V7.4 SP1 version

1.1 WinCC软件配置方法

（1）在通道单元“Allen Bradley E/IP PLC5”的快捷菜单中选择条目“新建连接”（New Connection），创建一个新连接。

（2）选择新连接，然后在“属性-连接”（Properties-Connection）区域中的“常规”（General）下输入连接名。

（3）在快捷菜单中选择“连接参数”（Connection parameters）连接。“Allen Bradley E/IP 连接参数”（Allen Bradley E/IP connection parameters）对话框随即打开（图1）。

图1 Allen Bradley E/IP连接参数界面Fig.1 Allen Bradley E/IP connection parameters interface

（4）输入控制器Ethernet/IP模块的IP地址。默认情况下，始终为以太网IP设备设置端口44818。

（5）在“通信路径”（Communication path）字段中定义从以太网模块到控制器的CIP路径。这一设置创建了以太网模块与PLC间的逻辑连接，即使它们位于不同CIP网络中[3]。

（6）单击“确定”（OK）按钮，关闭对话框。

1.2 通信配置方法

1.2.1 以太网通信方式

（1）WinCC连接本地机架上的CPU（CPU和以太网模块在同一机架），通信路径为“1，x”，1 代表背板连接，x 代表CPU 所在插槽，和I/O 组态对应即可。

（2）WinCC连接远程机架上的CPU（CPU和以太网模块不在同一机架，但本地机架和远程机架通过网络连接），WinCC 访问远程机架上CPU2 的通信路径设置如图2所示，其中：1代表背板连接，5代表本地机架上网络模块插槽（controlnet模块位于5 槽），2 代表连接方式为网络连接，3 代表远程模块网络地址（远程controlnet模块地址为3），1代表远程机架为背板连接，0 代表远程机架CPU 槽号。这样WinCC 就可以通过路由的方式访问远程机架上的CPU2。

图2 WinCC访问远程机架CPUFig.2 WinCC access to remote rack CPUs

1.2.2 Modbus TCP/IP通信方式

（1）在变量管理的导航区域中，从“Modbus TCP/IP”通信驱动程序树结构下选择通道单元“Modbus TCPIP Unit#1”。

（2）在通道单元的快捷菜单中选择“新建连接”（New Connection）条目。

（3）输入连接的名称。

（4）从连接的快捷菜单中选择“连接参数”（Connection parameters）目。“Modbus TCPIP 属性”（Modbus TCPIP properties）对话框随即打开。

（5）在“CPU 类型”下选择已连接的Modicon控制器。以下CPU可供选择：

-984将该CPU类型用于CPU 984（CPU 984A、984B和984X除外）

-Modicon Compact、Modicon Quantum 和Modicon Momentum

-Modicon Premium和Modicon Micro

（6）在“服务器”域中输入控制器的IP地址。

（7）在“端口”域中输入用于TCP/IP 连接的端口。Modbus TCP/IP连接的默认端口为502。

（8）如果使用桥接器，在“远程从站的地址”（Address of remote slave）字段中输入远程控制器的从站地址。如果未使用桥接器，则必须输入默认值255或0作为地址。

（9）要交换32 位过程值中16 位寄存器的顺序，需要选中“交换32 位值中的字”（Swap words in 32-bit values）[4]。

（10）单击“确定”关闭对话框。通过以上软件及通信配置方式，可以实现西门子PLC 与AB PLC的数据在同一上位软件的采集，也实现了在油田不同品牌PLC 系统投用后的扩容、兼容性问题。以上属于对不同品牌PLC上、下位软件实现通信的实例介绍，下面就同一品牌的PLC在油田中的通信实现方式进行简要的介绍。

2 PLC的CPU间通信技术实现方法

应用场景：在油田配制站测控系统的应用中，常用的PLC 系统是AB 品牌PLC，由于配制方案的调整及配制规模的不断扩大，经常对已建PLC进行扩容或新增产能[5]。这就涉及到同一品牌、不同系列、版本的PLC进行组网通信的问题。需要在一套上位软件的环境下，实现各CPU 之间的数据传输、共享功能。

软件环境：AB 品牌PLC 不同系列硬件使用的软件版本不同，本次应用上位软件使用的是FactoryTalk View Studio（V7.0）、下位软件使用的是RSLogix 5000（V20.01）软件。

实现方法：常用的通信方法有两种。一种是使用“生产者/消费者”功能，通过设置数据类型方式进行通信。第二种方式是利用MSG 指令，指令输入后帮助实现通信。这两种方式都有各自的优缺点，但每种方式都有需要重视的地方，例如使用第一种方式通信时，会产生一些数据，这些数据会存入自己的PLC中，但这些PLC同样应该存在于消费者的PLC网络中，如果是用第二种通信方式，就不需要存在于消费者PLC中[6]。

2.1 使用生产者-消费者数据通信

这种通信方式中的“生产者”表示的是发送方，“消费者”表示的是接收方，两者都会有数据需要传递。下面定义PLC-A为生产者PLC，PLC-B为消费者PLC，实现通信步骤如下：

（1）先利用PLC-A 控制器进行设定，将标签中的一部分设定为数据发送区，由于数据来源于发送方，因此数据类型应为生产型。当利用PLC-B控制器来进行设定时，数据来源于接收方，因此数据类型应为消费型[7]。

（2）对PLC-B 控制器的接收方标签进行设定，将消费者的连接属性设定好，控制好remote data属性，对PLC-A控制器的发送方标签做好变量准备。

特别要重视的地方为标签区域，这部分区域一定要在控制器区域内，才能完成全局数据传输；对标签进行设定，数量应低于500字节。另外当使用ControlNet 网络来完成数据交换时，标签数量应低于480 字节，主因是ControlNet 网络对尺寸有严格要求；对Produce 的数据传输时，如果传输时进入到相同控制器，可以将数据标签进行结构整合，将数据合成到一个标签内，降低连接数为控制器减压，合成的数据一般会拥有一样的RPI；对外操作时会提前设定数据为32 位，因此标签种类有限定，应为DINT 和REAL[8]。在实际应用测试中这种方式可以比较有效地解决两个CPU 之间变量通信的问题。

2.2 使用MSG指令方式通信

使用MSG 指令时，需要注意结构标签类型，一定要是MESSAGE 结构的标签，才能使指令完美被分配，对每条指令下的通信状态进行整合，会形成一个标签记录本（图3）。

图3 指令标签分配Fig.3 Command label assignment

表2 信息类型说明Tab.2 Information type description

在配置中需要注意，源或目标的标签地址不是引用Tag 名，而是Tag 的第一个元素，否则认为是语法错误，梯级不能接受。元素数量最多可有65 335个，尽管ControlNet的数据包最多只有500个字节，MSG指令可将数据块拆开，分成若干数据包发送[9]。

Communication 页面要求输入两个控制器之间的通信路径，路径书写规则为：路径是段和段的连接，段由x，y组成，段和段之间用逗号分离。其中X段定义：①背板1、网络2；②站号；③ControlNet网络（1—99号）。Y段定义：①站号；②背板1、网络2；③控制器位置。路径设置界面如图4所示。

图4 Communication路径设置页面Fig.4 Communication path settings page

上面书写的路径是：背板1，CNB（位于5槽），ControlNet 网络（2），对方CNB（位于3槽），背板1，控制器（位于0槽）。

通过上述的两种方法，能够实现AB 品牌PLC的CPU之间通信。

3 结论

油田数字化建设的基础就是对已建工控系统进行网络整合和通信合并，研究实现PLC的上、下位之间，下位控制器之间的通信技术尤为重要。在实现过程中，既要考虑应用环境、场景、安全性方面的管理需求，又要兼顾不同软、硬件兼容性，数据传输的实时性等技术要求。结合对西门子、罗克韦尔PLC通信技术的探讨，确定通过软件的通信设置能够实现不同品牌PLC的上、下位通信。此项研究能够为其他品牌PLC 的通信技术实现提供技术参考。