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1標準概述
         IEC61850是新一代的變電站自動化系統(tǒng)的標準，它規(guī)范了數據的命名、數據定義、設備行為、設備的自描述特征和通用配置語言。同傳統(tǒng)的IEC60870-5-103標準相比，它不僅僅是一個單純的通信規(guī)約，而是數字化變電站自動化系統(tǒng)的標準，它指導了變電站自動化的設計、開發(fā)、工程、維護等各個領域。該標準通過對變電站自動化系統(tǒng)中的對象統(tǒng)一建模，采用面向對象技術和獨立于網絡結構的抽象通信服務接口，增強了設備之間的互操作性，可以在不同廠家的設備之間實現(xiàn)無縫連接。智能化一次設備和數字式變電站要求變電站自動化采用IEC61850標準。IEC61850是至今為止zui為完善的變電站自動化標準，它不僅規(guī)范保護測控裝置的模型和通信接口，而且還定義了數字式CT、PT、智能式開關等一次設備的模型和通信接口。采用IEC61850標準可以大大提高變電站自動化技術水平、提高變電站自動化安全穩(wěn)定運行水平，節(jié)約開發(fā)驗收維護的人力物力，實現(xiàn)*的互操作，如圖1所示。
         IEC61850與傳統(tǒng)的SCADA協(xié)議不同的是，它不僅是一個簡單的協(xié)議，更涉及到通信網絡性能要求、對象建模、系統(tǒng)和項目管理等多方面的規(guī)范要求。IEC61850采用面向對象的建模方法和抽象、分層映射的技術，通過規(guī)范系統(tǒng)和項目管理以及*性測試等途徑來保證其目標的實現(xiàn)，并且IEC61850不僅適用于變電站自動化系統(tǒng)內部網絡通信，也適用于配電自動化、電能計量系統(tǒng)、發(fā)電廠自動化系統(tǒng)、風力發(fā)電以及其它工業(yè)領域。

圖1：IEC61850與數字化變電站(SAS)之間的相互關系：

1.2 制造報文規(guī)范MMS
        制造報文規(guī)范(Manufacturing Message Specification,MMS)是網絡上實時處理和監(jiān)控系統(tǒng)信息交換的標準，由標準化組織和電工委員會工業(yè)自動化技術委員會TC184工業(yè)組負責制定和發(fā)展，它適合于在不同的設備、應用、發(fā)展商和領域內提供通用信息服務，例如：MMS提供的讀(Read)服務允許網絡上的設備、應用或計算機從另外一個設備、應用或計算機內讀取所需的變量，而不管這個變量是在可編程邏輯控制器、機器人、遠方終端設備或智能電子設備內。MMS已經廣泛應用在制造、石油化工、電力工業(yè)和太空探索等領域。
        MMS由以下各部分組成：

1) 服務規(guī)范(Service Specification)
2) 協(xié)議規(guī)范(Protocol Specification)
3) 機器人伴同標準(Robot Companion Standard)
4) 數字控制器伴同標準(Numberical Controller Companion Standard)
5) 可編程邏輯控制器伴同標準(Programmable Logical Controller Companion Standard)
6) 過程控制系統(tǒng)伴同標準(Process Control System Companion Standard)

        上列各部分中，*部分服務規(guī)范和第二部分協(xié)議規(guī)范是其核心，服務規(guī)范包含的定義
有：①虛擬制造設備(Virtual Manufacturing Device,VMD)；②網絡上節(jié)點間的信息交換；③與VMD有關的屬性和參數。協(xié)議規(guī)范定義的是通信規(guī)則，包括：①信息格式；②通過網絡的信息順序；③MMS層與ISO/OSI開放模型的其他層的交互，而3)-6)則是針對不同的應用領域的伴同標準。
         MMS提供了豐富的針對對等式實時通信網絡的一系列任務，已經成為許多工業(yè)領域的控制設備的通信協(xié)議，例如CNC、可編程邏輯控制器、機器人、電力領域中的遠方終端設備(RTU)、能源管理系統(tǒng)(EMS)、重合器、開關等IED設備。許多流行的計算機平臺都支持基于MMS的互聯(lián)，在軟件支持上，更多的API、圖形界面、網關、字處理、電子表格、關系型數據庫都支持MMS，從通信連接上看，MMS在以太網、令牌總線、串行接口RS-232C、OSI、TCP/IP、MiniMAP上也都很容易實現(xiàn)，如圖2所示：

圖2：MMS在IEC61850報文結構中的位置

1.3 IEC61850標準的體系結構
        變電站自動化系統(tǒng)由各種IED 組成，主要完成變電站內設備的控制、監(jiān)視和保護功能，并實現(xiàn)系統(tǒng)配置、通信管理和軟件管理等系統(tǒng)維護功能。IEC 61850 標準將變電站自動化系統(tǒng)在邏輯上劃分為3 層(即變電站層、間隔層和過程層)，并將具體應用功能分解為許多常駐在不同IED 內、彼此間相互通信的單元，稱為邏輯節(jié)點(logical node，LN)，然后以LN 為對象建立變電站內IED 的統(tǒng)一的數據和服務模型，旨在解決不同廠商提供的IED間的數據交換、信息共享等問題。
        遵循IEC 61850 標準的變電站自動化系統(tǒng)主要包括：①主站自動化系統(tǒng)軟件(人機界面、數據庫及系統(tǒng)管理等)；②間隔層裝置(保護、測控單元等)；③過程層設備，包括電子式電流/電壓互感器(electronic current/potential transducer，ECT/EPT)、智能斷路器/隔離開關、合并單元等；④工程化工具(如配置工具等)，用于管理IEC 61850所定義的的通信模型，并滿足IEC 61850-6(配置)和IEC 61850-10(*性測試)的規(guī)范要求，如圖3所示：

圖3：IEC61850與數字化變電站接口與體系結構

1.4數據模型
        在了解數據模型之前，首先需要了解一些關于IEC61850 的重要概念
智能電子設備(IED)：實際的物理設備，如開關、斷路器，綜保等。
功能：變電站自動化系統(tǒng)執(zhí)行的任務，如：母線保護、聯(lián)鎖、報警管理等。
邏輯設備(LD)：一種虛擬設備，聚合邏輯節(jié)點和數據，物理設備可以包含一個或多個LD。
邏輯節(jié)點(LN)：用來描述系統(tǒng)功能的基本單位，是數據對象的容器，可以任意分配到
IED，每個邏輯節(jié)點和內部的數據都有具體的語義，并通過他們的服務與外部進行交互。
在IEC61850 中，一個IED 設備的外部性能通過Server 服務器類來表征，Server 服務器可以包含一個或多個邏輯設備，一個邏輯設備可以包含多個邏輯節(jié)點，在IEC61850 中一些邏輯節(jié)點是電力系統(tǒng)實設備的映射。一個IED 設備要實現(xiàn)特定功能必然需要這些邏輯節(jié)點來zui終實現(xiàn)操作、控制的功能。可以簡單理解邏輯設備是IED 設備實現(xiàn)具體一個功能的抽象容器，在這個容器中包含了實現(xiàn)功能所需的相應的邏輯節(jié)點。
        下圖4描述了從一個實際的項目中如何對實際的物理設備建模的完整過程：

圖4:設備建模的完整過程

        就針對一個具體的IED設備模型而言，下圖5描述了該物理設備中所包含的內容及其交互關系：

圖5：數據模型所包含的內容及交互關系

        下圖6為一個實際的IED物理設備所包含的相關內容，該圖描述了該LED設備中其中一個邏輯設備”Tampa_Control”的邏輯節(jié)點”Q0XCBR1”斷路器的”位置Pos”數據的相關狀態(tài) “stVal和ctlVal”。

圖6：一個實際的IED設備所包含的內容

2 “IEC61850 Server Library”軟件包概述

2.1 “IEC61850 Server Library”通信概述
        “IEC61850 Server Library”軟件包是西門子推出的基于S7-300/400作為服務器端的IEC61850規(guī)約的通信解決方案，通過該軟件包，可以將S7-300/400 “虛擬”為一個IEC61850服務器端設備，之后S7-300/400 可以支持在IEC61850總線上的過程變量導出，下圖7為“IEC61850 Server Library”軟件包通信總覽：

圖7：“IEC61850 Server Library“軟件包通信總覽

“IEC61850 Server Library “軟件包具有如下特征：
1) 功能*的功能塊庫，支持德語及英語的在線幫助。
2) 每個IEC61850 客戶端設備將通過一個ISO-On-TCP連接服務器。
3) zui多可以支持100 Data-Attribute及10 DataSet(每個DataSet包含100個Data-Attributes)：
4) Data-Attribute支持如下數據類型，如圖8所示：

圖8：”IEC61850 Server Library”所支持的數據類型

5) 支持如下MMS服務類型，如下圖9所示：

圖9：”IEC61850 Server Library”所支持的MMS服務類型

6) 提供基于XML語言描述的SCL和.icd文件，供客戶端訪問
7) 通過標準PCS7或Step7工具進行編程
8) 支持S7-300/S7-400/S7 mec
9) 冗余設計(用于S7-400H)
10) 帶通信診斷功能
11) 軟件包僅支持通過CP343/443-1建立通信連接，不支持CPU的集成PN口創(chuàng)建連接

2.2 “IEC61850 Server Library”軟件包工作原理
        下圖10描述了“IEC61850 Server Library”軟件包的工作原理：

圖10：“IEC61850 Server Library”軟件包的工作原理

        從圖10可以看出，軟件包中主要的核心為數據模型.ICD文件及Table DB數據塊，兩者之間必須*，這個將包含在軟件包中，其中.ICD文件提供給IEC61850客戶端用于IEC61850通信的連接、變量的導出及讀寫等，Table DB數據塊用于下載到S7-300/400中用于創(chuàng)建S7-300/400作為IEC61850服務器的數據模型，之后將其匹配到主功能塊“SVR_IEC61850”中。
        在軟件包的實際應用中還需要注意以下幾點：

1) 允許多個IEC61850客戶端訪問同一個S7-300/400 IEC61850服務器，但是每個客戶端需要創(chuàng)建多個ISO-on-TCP連接并多次調用之后將其匹配到功能塊“SVR_IEC61850”,此時將功能塊“SVR_IEC61850”均連接到同一個Table DB，這樣能夠保證客戶端訪問服務器的數據*性。
2) 通過DataSet(數據集)可以批量讀寫Data-Attribute，軟件包只支持靜態(tài)DataSet功能，不支持動態(tài)的 DataSet創(chuàng)建，因此只允許IEC61850客戶端的靜態(tài)DataSet訪問請求。
3) 所有的Data-Attribute及DataSet均可以在 Table DB中更改，這可以通過軟件包 的SCL源文件編輯，當更改Table DB時，.ICD文件(軟件包中的server_x_y.icd文件)也必須調整以保證更改后的Table DB與.ICD文件保持*

2.3 “IEC61850 Server Library“軟件包軟硬件需求及限制
       “IEC61850 Server Library”軟件包的軟硬件需求及限制如下圖11所示：

圖11：“IEC61850 Server Library”軟件包軟硬件需求及使用限制

2.4 “IEC61850 Server Library“軟件包訂貨號
        “IEC61850 Server Library”軟件包的訂貨號如下圖12所示：

圖12：“IEC61850 Server Library”軟件包訂貨號

2.5 “IEC61850 Server Library“軟件包包含內容
        購買“IEC61850 Server Library“軟件包后將會得到一張光盤，光盤中包含如下文件內容，如下圖13所示：

圖13：“IEC61850 Server Library“軟件包所包含的內容

3 通過“IEC61850 Server Library“軟件包配置S7-300作為服務器進行IEC61850 規(guī)約通信
        下面以S7-300及TMW 61850 Test Harness軟件為例，詳細介紹如何通過“IEC61850 Server Library“軟件包將S7-300通過配置為服務器，TMW 61850 Test Harness配置為客戶端進行IEC61850 通信。
注：TMW 61850 Test Harness軟件可以從網上免費下載得到，為:
http://www.trianglemicroworks。。ｃｏｍ/

下載的為試用版本，試用版本有一定的功能限制，只有20天的試用期，試用期結束后失去所有功能，需要購買使用*

3.1例子中使用的硬件設備及軟件
        本例中所用的硬件設備如下表1所示。

表1：硬件清單

所用到軟件如下表2所示：

表2：軟件清單

3.2 硬件及網絡組態(tài)
        打開Step7軟件，新建一個工程項目文件，命名為“IEC61850_server_update”, 在項目下插入一個S7-300站，如下圖14所示。

圖14：新建S7-300 Station

        雙擊插入的SIMATIC 300 Station的“Hardware”，打開硬件組態(tài)，在硬件組態(tài)界面下分別插入機架，電源PS307、CPU317-2PN/DP、CP343-1,本例中將CP的IP地址設為192.168.0.11，如下圖15所示。

圖15：硬件組態(tài)并設置CP343-1的IP地址

        打開Netpro網絡組態(tài),選中CPU317-2PN/DP,插入一個新連接，連接伙伴為Unspecified，連接類型為ISO-on-TCP Connection，如下圖16所示：

圖16：網絡組態(tài)-創(chuàng)建ISO-on-TCP

         對于插入的TCP connection，在打開的連接屬性對話框中的“General Information”中由于CP343-1做Server被動連接，因此不勾選“Active connection estabishment”選項,ID保持缺省即可，在“Adress”欄中同樣由于CP343-1做Server，因此填入本地連接的TSAP號設置為00.01，對于通信伙伴Remote的TSAP可以選擇不填，即允許任意IP地址的客戶端發(fā)起連接，如下圖17所示：

圖17：作為 服務器的ISO-on-TCP連接屬性設置

注意：1) 如果有多個客戶端連接，每個客戶端需要創(chuàng)建一個ISO-on-TCP連接，對于本地
的TSAP號可以依次按照00.01順排，對于遠程TSAP號則建議添上對應的客戶
端IP地址及TSAP號

3.3 編寫程序

        打開“IEC61850 Server Library“軟件包中功能塊庫，將軟件包中所有的程序拷貝到以上創(chuàng)建的Step7項目中，如下圖18所示：

圖18：拷貝“IEC61850 Server Library“軟件包中功能塊到創(chuàng)建的項目中

        之后再Step7項目中插入一個CFC Chart圖并打開，在打開的Chart圖中調用主功能塊“FB575 SVR_IEC61850”，如下圖19，20。

圖19：插一個CFC

圖20：在CFC中調用主功能塊“FB575 SVR_IEC61850”

注意： 如果有多個客戶端連接同一個服務器，每個客戶端需要調用一個主功能塊“FB575
SVR_IEC61850”，每個調用功能塊的 Table DB可以共享，但是“CONN_RCV”
及“CONN_SEN”必須不同，如下圖21所示。

圖21：多個IEC61850客戶端連接時編程處理 

表3：功能快FB575“SVR_IEC61850”各管腳參數含義

注意：對于START_COM及STOP_COM參數，SVR_IEC61850功能塊要求在啟動時首先
將STOP_COM置１后再將STOP_COM置１的一個時序過程功能塊才能正常工作，
因此需要在CFC編程時進行處理。

        參數“QSTATE”中功能塊輸出的內部處理狀態(tài)如下表4所示：

表4： 參數“QSTATE”中功能塊輸出的內部處理狀態(tài)

3.4 模型文件Table DB及ICD文件修改
         對于實際的應用來說，軟件包中自帶了一個標準Table DB數據塊模型及ICD文件，這兩個文件均可以通過軟件包中的SCL源文件(源文件為DB.SCL)，可以將軟件包中的SCL源文件拷貝到客戶所創(chuàng)建的項目中打開后進行修改，如下圖22所示：

圖22：拷貝DB SCL源文件到項目中

在實際應用中大致來說會涉及到以下內容的修改：
1) 改變模型標識符：DB.SCL源文件中會包含3個字符串的模型標識符，如下圖23所示：
■ 供應商名稱(zui大20個字符)
■ 模型設備名稱(zui大40個字符)
■ 模型文件版本號(zui大20個字符)
在IEC61850客戶端/服務器的初始通信連接過程中通過該模型標識符來進行初步握手

圖23：在DB.DCL中的模型標識符

2) 更改Data-Attribute的變量屬性(Table DB數據塊中的“Cont”)，DB.SCL源文件中包含一個結構體變量“Cont”，每個結構體變量“Cont”包含了一個變量的如下條目：
■ 變量域名ID-為IEC61850地址的一部分
    ?代表了IED名稱如“IED_001”及邏輯設備名稱如“CTRL”。
■ 變量條目ID-為IEC61850地址的一部分
    ?代表了邏輯節(jié)點名稱及Data-Attribute名稱，需要以“$$”開頭，如
“LLN0$$ST$$stVAL”。
■ 變量數據類型-MMS數據類型，支持的數據類型包括：
    ? 83h：布爾量
    ? 84h：位串(zui大４個字節(jié))
    ? 85h：整型
    ? 86h：無符號整型
    ? 87h： 浮點型
? 8fh： DataSet數據集
■ 變量長度-MMS變量長度值，主要包括：
    ? 對于83h布爾量：１個字節(jié)
    ? 其他數據類型：４個字節(jié)
■ 變量實際值-MMS變量實際值，長度為４個字節(jié)
DB.SCL中一個完整的結構體變量“Cont”如下圖24所示：

圖24：在DB.SCL中一個完整的結構體變量“Cont”

注意：當需要更改以上模型文件時建議直接在SCL源文件中直接更改，之后可以直接編
譯成模型數據塊DB及通過相應的工具轉換成.ICD文件。

3.5 通信測試
         打開TMW 61850 Test Harness軟件中的IEC61850客戶端Hammer，通過Options->Configure打開客戶端參數設置界面,分別設置相關參數如下圖25所示：

圖25：TMW 61850 Test Harness軟件中Hammer相關參數設置

其中Basic-IP Address:服務器IP地址,本例中為192.168.0.11
        Basic-SCL File:服務器提供的ICD文件
        Client Specific-Transport Seletor:客戶端TSAP號
        Server Specific-Transport Seletor:服務器端TSAP號,與Step7中Netpro中設置*
下載上述中編寫的項目程序到PLC中，點擊Hammer中的連接，可以看到雙方的通信已經建立起來了，在Hamer界面中可以對布爾量，整型，浮點等進行讀寫，如下圖26所示：

圖26：通過測試中的變量讀寫

3.6 通信故障排查
        對于通信中可能出現(xiàn)的各種故障請參考下表5：

表5：可能的故障及排查方式

4 “IEC61850 Server Library“軟件包通信小結
        “IEC61850 Server Library”軟件包是西門子推出的基于S7-300/400的IEC61850
規(guī)約的通信解決方案，在軟件包的使用中需要注意以下幾點:

1) 如果有多個客戶端訪問一個服務器，需要創(chuàng)建過個ISO-on-TCP連接并多次調用SVR_IEC61850功能塊，其中的Table DB可以*以保證數據訪問的*性。
2) 由于軟件包中程序塊占用的Work Memoy較大，因此建議使用中的CPU。
3) 對于模型文件ICD的修改，建議客戶在購買軟件包后直接將需求發(fā)給德國總部來獲得支持。
4) 建議 使用 CFC編程將更加高效　
5) 軟件包目前只能支持較少的MMS通信服務,如GetData,SetData,static Dataset等,其他如Report等服務都不支持,因此只能用于常規(guī)的數據讀寫服務,而對于實時性要求比較高的事件消息上送服務本軟件包并不適用.

1 概述
S7-1200 與 S7-300 之間的以太網通信方式比較多，可以采用ISO on TCP、TCP和 S7 的方式進行通信。在S7-1200 CPU 中采用ISO on TCP和TCP這兩種協(xié)議進行通信所使用的指令是相同的，都使用 T-block ( TSEND_C, TRCV_C, TCON, TDISCON, TSEN, TRCV ) 指令編程。S7-300 CPU一側如果使用的是CPU集成的PN接口，連接不在STEP7的NetPro中建立連接，而是使用西門子提供的OPEN IE 的方式來實現(xiàn)。
本文主要介紹了如何實現(xiàn)在S7-1200 和S7-300 CPU集成PN口之間的ISO on TCP通信，包括通信的基本步驟、配置及編程等內容。具體的實現(xiàn)方法有多種，比如在S7-1200中可以使用不帶連接的通信指令（TCON, TDISCON, TSEN, TRCV），也可以使用帶連接的通信指令（TSEND_C, TRCV_C）；在S7-300中可以采用功能塊編程的方式來實現(xiàn)，也可以使用Open Communication Wizard工具（OPEN IE向導）的方式來建立OPEN IE的通信。
為了方便理解，本文在S7-1200中使用不帶連接的通信指令TCON, TDISCON, TSEN, TRCV，在S7-300側通過功能塊編程的方式來實現(xiàn)。
關于S7-1200和S7-300 OPEN IE通信的文檔可以登錄西門子自動化與驅動集團的下載中心，：http://www.ad.siemens.com.cn/download/ ，根據如表1提供的文檔編號搜索并下載相關文檔。

表1 下載中心文檔列表

2 軟硬件及所要完成的通信任務

2.1硬件設備

實驗的硬件設備：
1、S7-1200 CPU，CPU1212 AC/DC/RLY（6ES7 212-1BD30-0XB0）
2、S7-300 PN CPU，CPU317-2PN/DP（6ES7 317-2EH13-0AB0 V2.6.7）
3、PC機（帶以太網卡）
4、SCALANCE X216交換機，S7-1200、S7-300和PC通過交換機互連起來
5、TP以太網電纜

2.2 軟件環(huán)境

1、STEP7 Basic V10.5 SP2
2、STEP7 V5.4 SP5
3、通信所需的功能塊，請參見附件提供的例程 ”Sample_1 ( 50 KB ) ” 或參考下載中心文檔：《A0284 使用西門子PLC集成的PN口實現(xiàn)S5 兼容通信使用入門》提供的程序。下載鏈接：80490650

2.3 所要完成的通信任務
本例中所要完成的通信任務定義為：
1、 將S7-1200的發(fā)送數據塊DB3里的8個字節(jié)數據發(fā)送到S7-300的DB3中。
2、 將S7-300 DB3里接收到的8個字節(jié)數據再發(fā)送到S7-1200的接收數據塊DB4中。

3 S7-1200 CPU的組態(tài)編程

3.1創(chuàng)建新項目

1、打開STEP 7 Basic 軟件并新建項目
在STEP 7 Basic 的 “Portal View”中選擇“Create new project”創(chuàng)建一個新項目，項目名稱為“GS_ISO”。

2、添加硬件并命名PLC
然后進入 “Project view”，在“Project tree” 下雙擊 “Add new device”，在對話框中選擇所使用的S7-1200 CPU（6ES7 212-1BD30-0XB0）添加到機架上，設備名為 PLC_1，如圖1所示。