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S7-PLCSIM V5.4 SP3（或更高版本） 可以在STEP 7 （博途）里仿真两个S7-400 CPU 之间的通信。

描述

S7-PLCSIM 支持以下通讯块来做两个S7-400 CPU模块间的通信：

SFB8 "USEND"

SFB9 "URCV"

SFB12 "BSEND"

SFB13 "BRCV"

SFB15 "PUT"

SFB14 "GET"

SFB19 "START"

SFB 20 "STOP"

SFB 22 "STATUS"

SFB 23 "USTATUS"

要求

需要S7-PLCSIM V5.4 SP3（或更高版本）。

在STEP 7（博途）中建立一个项目，对两个S7-400 CPU进行硬件组态和网络组态。 

已经在模块之间组态了S7连接和通信连接。

在主站S7-400 CPU的用户程序中，调用“BSEND”指令来给从站CPU发送数据。

在从站S7-400CPU中调用“BRCV”指令来接收来自主站S7-400 CPU的数据。

注意

本条目提供的项目包含两个S7-1500 CPU的组态，并包含连接组态和用户程序。

本条目提供的项目包含两个S7-1500 CPU的组态，并包含连接组态和用户程序。下载链接中的STEP 7（博途）项目包含两个S7-400站通过工业以太网通信 。

Station_1中的OB1包含计数器的程序，它的输出会传送到Station_2。

在项目导航中标记“Station_1”并打开S7-PLCSIM，可以通过菜单命令“Online > Simulation > Start”或者菜单栏的“Start simulation” 图标打开。关于**个被仿真CPU的实例编号为“S7-PLCSIM”的对话框被打开。

如果是**次仿真这个项目，“Extended download to device”对话框就会打开。在“PG/PC Interface”中选择如图1所示的设置，并单击“Start search”。   

图. 1

当在线连接已经被建立时，单击“Load”按钮。

然后，在打开的“Load preview”对话框中，继续单击“Load”按钮。

在S7-PLCSIM 中使用“Insert”菜单来加载子窗口“Input”和“Counter”，用来监视和控制程序。对于“Station_1”需要“IB2”和“C1”。

在S7-PLCSIM1的“CPU”子窗口中，可以将运行模式从“STOP”改到“RUN-P”。

图. 2

标记项目导航中的“Station_2”并重复步骤1来打开*二个“S7-PLCSIM2”实例。

在“Load preview”按钮中单击“Load”按钮。

与步骤5相同，给实例“S7-PLCSIM2”添加“Output”。对于“Station_2”需要“QW1”。

 在S7-PLCSIM2中的“CPU”子窗口中，将运行模式从“STOP”改到“RUN-P”。

图. 3

在S7-PLCSIM1（Station 1的仿真），IB2控制计数器C1并将计数值传送到S7-PLCSIM2 （Station 2的仿真）QW1中。

I2.0: 自动向上计数的时钟标记

I2.1:向上计数

I2.2: 向下计数

I2.3: 计数器的预设值

I2.4: 复位计数器

下载

附件下载“60497454_S7_PLCSIM_COM.zip”包含一个STEP 7（博途）项目，项目中包含上面描述的通信程序。拷贝“60497454_S7_PLCSIM_COM.zip”文件到一个单独的目录中，并双击打开。现在项目文件已经解压。就可以使用STEP 7（博途）来打开和并运行解压后的项目。

1 IEC61850 标准

1.1标准概述

         IEC61850是新一代的变电站自动化系统的国际标准，它规范了数据的命名、数据定义、设备行为、设备的自描述特征和通用配置语言。同传统的IEC60870-5-103标准相比，它不仅仅是一个单纯的通信规约，而是数字化变电站自动化系统的标准，它指导了变电站自动化的设计、开发、工程、维护等各个领域。该标准通过对变电站自动化系统中的对象统一建模，采用面向对象技术和独立于网络结构的抽象通信服务接口，增强了设备之间的互操作性，可以在不同厂家的设备之间实现无缝连接。智能化一次设备和数字式变电站要求变电站自动化采用IEC61850标准。IEC61850是至今为止较为完善的变电站自动化标准，它不仅规范保护测控装置的模型和通信接口，而且还定义了数字式CT、PT、智能式开关等一次设备的模型和通信接口。采用IEC61850国际标准可以大大提高变电站自动化技术水平、提高变电站自动化安全稳定运行水平，节约开发验收维护的人力物力，实现完全的互操作，如图1所示。

         IEC61850与传统的SCADA协议不同的是，它不仅是一个简单的协议，更涉及到通信网络性能要求、对象建模、系统和项目管理等多方面的规范要求。IEC61850采用面向对象的建模方法和抽象、分层映射的技术，通过规范系统和项目管理以及一致性测试等途径来保证其目标的实现，并且IEC61850不仅适用于变电站自动化系统内部网络通信，也适用于配电自动化、电能计量系统、发电厂自动化系统、风力发电以及其它工业领域。

图1：IEC61850与数字化变电站(SAS)之间的相互关系：

1.2 制造报文规范MMS

        制造报文规范(Manufacturing Message Specification,MMS)是网络上实时处理和监控系统信息交换的国际标准，由国际标准化组织和国际电工**工业自动化技术**TC184工业组负责制定和发展，它适合于在不同的设备、应用、发展商和领域内提供通用信息服务，例如：MMS提供的读(Read)服务允许网络上的设备、应用或计算机从另外一个设备、应用或计算机内读取所需的变量，而不管这个变量是在可编程逻辑控制器、机器人、远方终端设备或智能电子设备内。MMS已经广泛应用在制造、石油化工、电力工业和太空探索等领域。

        MMS由以下各部分组成：

1) 服务规范(Service Specification)

2) 协议规范(Protocol Specification)

3) 机器人伴同标准(Robot Companion Standard)

4) 数字控制器伴同标准(Numberical Controller Companion Standard)

5) 可编程逻辑控制器伴同标准(Programmable Logical Controller Companion Standard)

6) 过程控制系统伴同标准(Process Control System Companion Standard)

        上列各部分中，**部分服务规范和*二部分协议规范是其核心，服务规范包含的定义

有：①虚拟制造设备(Virtual Manufacturing Device,VMD)；②网络上节点间的信息交换；③与VMD有关的属性和参数。协议规范定义的是通信规则，包括：①信息格式；②通过网络的信息顺序；③MMS层与ISO/OSI开放模型的其他层的交互，而3)-6)则是针对不同的应用领域的伴同标准。

         MMS提供了丰富的针对对等式实时通信网络的一系列任务，已经成为许多工业领域的控制设备的通信协议，例如CNC、可编程逻辑控制器、机器人、电力领域中的远方终端设备(RTU)、能源管理系统(EMS)、重合器、开关等IED设备。许多流行的计算机平台都支持基于MMS的互联，在软件支持上，更多的API、图形界面、网关、字处理、电子表格、关系型数据库都支持MMS，从通信连接上看，MMS在以太网、令牌总线、串行接口RS-232C、OSI、TCP/IP、MiniMAP上也都很容易实现，如图2所示：

图2：MMS在IEC61850报文结构中的位置

1.3 IEC61850标准的体系结构

        变电站自动化系统由各种IED 组成，主要完成变电站内设备的控制、监视和保护功能，并实现系统配置、通信管理和软件管理等系统维护功能。IEC 61850 标准将变电站自动化系统在逻辑上划分为3 层(即变电站层、间隔层和过程层)，并将具体应用功能分解为许多常驻在不同IED 内、彼此间相互通信的单元，称为逻辑节点(logical node，LN)，然后以LN 为对象建立变电站内IED 的统一的数据和服务模型，旨在解决不同厂商提供的IED间的数据交换、信息共享等问题。

        遵循IEC 61850 标准的变电站自动化系统主要包括：①主站自动化系统软件(人机界面、数据库及系统管理等)；②间隔层装置(保护、测控单元等)；③过程层设备，包括电子式电流/电压互感器(electronic current/potential transducer，ECT/EPT)、智能断路器/隔离开关、合并单元等；④工程化工具(如配置工具等)，用于管理IEC 61850所定义的的通信模型，并满足IEC 61850-6(配置)和IEC 61850-10(一致性测试)的规范要求，如图3所示：

图3：IEC61850与数字化变电站接口与体系结构

1.4数据模型

        在了解数据模型之前，首先需要了解一些关于IEC61850 的重要概念

智能电子设备(IED)：实际的物理设备，如开关、断路器，综保等。

功能：变电站自动化系统执行的任务，如：母线保护、联锁、报警管理等。

逻辑设备(LD)：一种虚拟设备，聚合逻辑节点和数据，物理设备可以包含一个或多个LD。

逻辑节点(LN)：用来描述系统功能的基本单位，是数据对象的容器，可以任意分配到

IED，每个逻辑节点和内部的数据都有具体的语义，并通过他们的服务与外部进行交互。

在IEC61850 中，一个IED 设备的外部性能通过Server 服务器类来表征，Server 服务器可以包含一个或多个逻辑设备，一个逻辑设备可以包含多个逻辑节点，在IEC61850 中一些逻辑节点是电力系统实设备的映射。一个IED 设备要实现特定功能必然需要这些逻辑节点来较终实现操作、控制的功能。可以简单理解逻辑设备是IED 设备实现具体一个功能的抽象容器，在这个容器中包含了实现功能所需的相应的逻辑节点。

        下图4描述了从一个实际的项目中如何对实际的物理设备建模的完整过程：

图4:设备建模的完整过程

        就针对一个具体的IED设备模型而言，下图5描述了该物理设备中所包含的内容及其交互关系：

图5：数据模型所包含的内容及交互关系

        下图6为一个实际的IED物理设备所包含的相关内容，该图描述了该LED设备中其中一个逻辑设备”Tampa_Control”的逻辑节点”Q0XCBR1”断路器的”位置Pos”数据的相关状态 “stVal和ctlVal”。

图6：一个实际的IED设备所包含的内容

2 “IEC61850 Server Library”软件包概述

2.1 “IEC61850 Server Library”通信概述

        “IEC61850 Server Library”软件包是西门子推出的基于S7-300/400作为服务器端的IEC61850规约的通信解决方案，通过该软件包，可以将S7-300/400 “虚拟”为一个IEC61850服务器端设备，之后S7-300/400 可以支持在IEC61850总线上的过程变量导出，下图7为“IEC61850 Server Library”软件包通信总览：

图7：“IEC61850 Server Library“软件包通信总览

“IEC61850 Server Library “软件包具有如下特征：

1) 功能完全的功能块库，支持德语及英语的在线帮助。

2) 每个IEC61850 客户端设备将通过一个ISO-On-TCP连接服务器。

3) 较多可以支持100 Data-Attribute及10 DataSet(每个DataSet包含100个Data-Attributes)：

4) Data-Attribute支持如下数据类型，如图8所示：

图8：”IEC61850 Server Library”所支持的数据类型

5) 支持如下MMS服务类型，如下图9所示：

图9：”IEC61850 Server Library”所支持的MMS服务类型

6) 提供基于XML语言描述的SCL和.icd文件，供客户端访问

7) 通过标准PCS7或Step7工具进行编程

8) 支持S7-300/S7-400/S7 mec

9) 冗余设计(用于S7-400H)

10) 带通信诊断功能

11) 软件包仅支持通过CP343/443-1建立通信连接，不支持CPU的集成PN口创建连接

2.2 “IEC61850 Server Library”软件包工作原理

        下图10描述了“IEC61850 Server Library”软件包的工作原理：

图10：“IEC61850 Server Library”软件包的工作原理

        从图10可以看出，软件包中主要的核心为数据模型.ICD文件及Table DB数据块，两者之间必须一致，这个将包含在软件包中，其中.ICD文件提供给IEC61850客户端用于IEC61850通信的连接、变量的导出及读写等，Table DB数据块用于下载到S7-300/400中用于创建S7-300/400作为IEC61850服务器的数据模型，之后将其匹配到主功能块“SVR_IEC61850”中。

        在软件包的实际应用中还需要注意以下几点：

1) 允许多个IEC61850客户端访问同一个S7-300/400 IEC61850服务器，但是每个客户端需要创建多个ISO-on-TCP连接并多次调用之后将其匹配到功能块“SVR_IEC61850”,此时将功能块“SVR_IEC61850”均连接到同一个Table DB，这样能够保证客户端访问服务器的数据一致性。

2) 通过DataSet(数据集)可以批量读写Data-Attribute，软件包只支持静态DataSet功能，不支持动态的 DataSet创建，因此只允许IEC61850客户端的静态DataSet访问请求。

3) 所有的Data-Attribute及DataSet均可以在 Table DB中更改，这可以通过软件包 的SCL源文件编辑，当更改Table DB时，.ICD文件(软件包中的server_x_y.icd文件)也必须调整以保证更改后的Table DB与.ICD文件保持一致

2.3 “IEC61850 Server Library“软件包软硬件需求及限制

       “IEC61850 Server Library”软件包的软硬件需求及限制如下图11所示：

图11：“IEC61850 Server Library”软件包软硬件需求及使用限制

西门子6ED1057-1AA01-0BA0

2.4 “IEC61850 Server Library“软件包订货号

        “IEC61850 Server Library”软件包的订货号如下图12所示：

图12：“IEC61850 Server Library”软件包订货号

2.5 “IEC61850 Server Library“软件包包含内容

        购买“IEC61850 Server Library“软件包后将会得到一张光盘，光盘中包含如下文件内容，如下图13所示：

图13：“IEC61850 Server Library“软件包所包含的内容

3 通过“IEC61850 Server Library“软件包配置S7-300作为服务器进行IEC61850 规约通信

        下面以S7-300及TMW 61850 Test Harness软件为例，详细介绍如何通过“IEC61850 Server Library“软件包将S7-300通过配置为服务器，TMW 61850 Test Harness配置为客户端进行IEC61850 通信。

注：TMW 61850 Test Harness软件可以从网上免费下载得到，网址为:

/

下载的为试用版本，试用版本有一定的功能限制，只有20天的试用期，试用期结束后失去所有功能，需要购买使用授权

3.1例子中使用的硬件设备及软件

        本例中所用的硬件设备如下表1所示。

名称    数量    订货号

S7-300电源模块PS 307 5A    1    6ES7307-1EA01-0AA0

S7-300 CPU317-2PN/DP    1    6ES7317-2EK14-0AB0(V3.2)

S7-300 CP343-1    1    6GK7343-1EX30-0XE0(V2.2)

S7-300 机架    1    6ES7390-1AE60-0AA0

网线及MMC卡    若干     

笔记本电脑    1     

表1：硬件清单

所用到软件如下表2所示：

名称    订货号

Step7 V5.5+SP2    6ES7810-4CC10-0YA5

CFC V7.1+SP1    6ES7658-1EX17-2YA5

“IEC61850 Server Library“软件包    9AE4110-8AA00

TMW 61850 Test Harness V3.00.0022     

参数设置

变频器的设定参数多，每个参数均有一定的选择范围，  

使用中常常遇到因个别参数设置不当，导致变频器不能正常工作的现象。

控制方式：即速度控制、转距控制、PID控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根据控制精度，需要进行静态或动态辨识。

较低运行频率：即电机运行的较小转速，电机在低转速下运行时，其散热性能很差，电机长时间运行在低转速下，会导致电机烧毁。而且低速时，其电缆中的电流也会增大，也会导致电缆发热。

较高运行频率：一般的变频器较大频率到60Hz，有的甚至到400 Hz，高频率将使电机高速运转，这对普通电机来说，其轴承不能长时间的**额定转速运行，电机的转子是否能承受这样的离心力。

载波频率：载波频率设置的越高其高次谐波分量越大，这和电缆的长度，电机发热，电缆发热变频器发热等因素是密切相关的。

电机参数：变频器在参数中设定电机的功率、电流、电压、转速、较大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到。

跳频：在某个频率点上，有可能会发生共振现象，特别在整个装置比较高时；在控制压缩机时，要避免压缩机的喘振点。

控制参数

变频器日常使用中出现的一些问题，很多情况下都是因为变频器参数设置不当引起的。西门子变频器可设置的参数有几千个，只有系统地、合适地、准确地设置参数才能充分利用变频器性能。[1]

变频器控制方式的选择由负荷的力矩特性所决定，电动机的机械负载转矩特性根据下列关系式决定：

p= t n/ 9550

式中：p——电动机功率(kw)

t——转矩(n. m)

n——转速(r/ min)

转矩t与转速n的关系根据负载种类大体可分为3种[2]。

(1)即使速度变化转矩也不大变化的恒转矩负载，此类负载如传送带、起重机、挤压机、压缩机等。

(2)随着转速的降低，转矩按转速的平方减小的负载。此类负载如风机、各种液体泵等。

(3)转速越高，转矩越小的恒功率负载。此类负载如轧机、机床主轴、卷取机等。

变频器提供的控制方式有v/f控制、矢量控制、力矩控制。v/f控制中有线性v/f控制、抛物线特性v/f控制。将变频器参数p1300设为0，变频器工作于线性

v/f控制方式，将使调速时的磁通与励磁电流基本不变。适用于工作转速不在低频段的一般恒转矩调速对象。

将p1300设为2，变频器工作于抛物线特性v/f控制方式，这种方式适用于风机、水泵类负载。这类负载的轴功率n近似地与转速n的3次方成正比。其转矩m近似地与转速n的平方成正比。对于这种负载，如果变频器的v/f特性是线性关系，则低速时电机的许用转矩远大于负载转矩，从而造成功率因数和效率的严重下降。为了适应这种负载的需要，使电压随着输出频率的减小以平方关系减小，从而减小电机的磁通和励磁电流，使功率因数保持在适当的范围内。

可以进一步通过设置参数使v/f控制曲线适合负载特性。将p1312在0至250之间设置合适的值，具有起动提升功能。将低频时的输出电压相对于线性的v/f曲线作适当的提高以补偿在低频时定子电阻引起的压降导致电机转矩减小的问题。适用于大起动转矩的调速对象。

变频器v/f控制方式驱动电机时，在某些频率段，电机的电流、转速会发生振荡，严重时系统无法运行，甚至在加速过程中出现过电流保护，使得电机不能正常启动，在电机轻载或转矩惯量较小时更为严重。可以根据系统出现振荡的频率点，在v/f曲线上设置跳转点及跳转频带宽度，当电机加速时可以自动跳过这些频率段，保证系统能够正常运行。从p1091至p1094可以设定4个不同的跳转点，设置p1101确定跳转频带宽度。

有些负载在特定的频率下需要电机提供特定的转矩，用可编程的v/f控制对应设置变频器参数即可得到所需控制曲线。设置p1320、p1322、p1324确定可编程的v/f特性频率座标，对应的p1321、p1323、p1325为可编程的v/f 特性电压座标。

参数p1300设置为20，变频器工作于矢量控制。这种控制相对完善，调速范围宽，低速范围起动力矩高，精度高达0.01%，响应很快，高精度调速都采用svpwm矢量控制方式。

参数p1300设置为22，变频器工作于矢量转矩控制。这种控制方式是目前国际上较先进的控制方式，其他方式是模拟直流电动机的参数，进行保角变换而进行调节控制的，矢量转矩控制是直接取交流电动机参数进行控制，控制简单，精确度高。

1 单方向正转ON/OFF2功能设置

1.1 硬件接线：

        这里使用DI0端子为例，将MM4的DI0端子作为变频器的斜坡启动信号，DC24V接通后按照P1120斜坡上升时间启动；同时DI0端子也作为自由停车信号 取代OFF1斜坡停车，DC24V断开后执行OFF2停车命令，变频器封锁逆变桥，电机惯性自由停车。如图01所示：

single

图01.单方向正传硬件接线

1.2 参数设置：

参数号    参数值    注释

P701    99    使能BICO参数互联

P840    r052.4     OFF2 (停车2)命令激活*给正转ON/OFF1

P844    r722.0    DI0*给OFF2源

2 单方向反转ON/OFF2功能设置

2.1 硬件接线：

        某些现场不希望改变硬件接线实现单方向反转ON/OFF2功能，这里同样使用DI0端子为例，将MM4的DI0端子作为变频器的反向斜坡启动信号，DC24V接通后按照P1120斜坡上升时间启动；同时DI0端子也作为自由停车信号 取代OFF1斜坡停车，DC24V断开后执行OFF2停车命令，变频器封锁逆变桥，电机惯性自由停车。如图02所示：

singleRE西门子6SE6440-2UD31-5DB1

图02.单方向反转硬件接线

2.2参数设置：

参数号    参数值    注释

P701    99    使能BICO参数互联

P842    r052.4     OFF2 (停车2)命令激活*给反转ON/OFF1

P844    r722.0    DI0*给OFF2源

注：如果出现P842出现修改不了的情况，确认是否有其他的DI点功能设置为反转，检查P701到P708参数。

3 正反转的ON/OFF2功能设置

3.1硬件接线：

        DI0作为变频器的正转端子，DI1作为变频器的反转端子，启动硬件接线如03图所示：

double

图03.双方向硬件接线

3.2参数设置：

参数号    参数值    注释

P701    99    使能BICO参数互联

P702    99    使能BICO参数互联

P2800    1    激活自由功能块功能

P2801[6]    1    激活XOR1功能

P2822[0]    r722.0    DI0关联到XOR1的输入1

P2822[1]    r722.1    DI1关联到XOR1的输入2

P844    r2823     XOR1的输出关联到OFF2 (停车2)

P840    r052.4    OFF2 (停车2)命令激活*给ON/OFF1

P1113    r722.1    DI1关联到反向

3.3自由功能块逻辑关系：

FBB

图04.自由功能块逻辑

注：

当变频器启动前需要首先到达一个变频器准备好的状态，所以需要提前给OFF2使能，再通过OFF2的状态激活ON命令才能实现ON/OFF2的功能。SINAMICS变频器这种方法同样适用。