1. 引言
   
   PROFIBUS是一(yī)種國際化、開放式、不依賴于設備生産商的(de)現場總線标準。廣泛适用于制造業自(zì)動化、流程工業自(zì)動化和(hé)樓宇、交通、電力等其他領域自(zì)動化。PROFIBUS由三個兼容部分組成，即PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery)、PROFIBUS-PA(Process Automation)、PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)。其中PROFIBUS-DP是一(yī)種高(gāo)速低(dī)成本用于設備級控制系統與分散式I/O通信的(de)一(yī)種總線。其傳輸介質為(wèi)雙絞屏蔽線，波特率從9600bps到12Mbps。使用PROFIBUS-DP可(kě)取代24VDC或4-20mA信号傳輸。
   Modbus目前是工業領域全球最流行的(de)協議之一(yī)。此協議支持傳統的(de)帶RS-232、RS-422、RS-485和(hé)以太網接口的(de)設備。許多工業設備，包括PLC、DCS、智能儀表等都在使用Modbus協議作為(wèi)它們之間的(de)通訊标準。有了它，不同廠商生産的(de)控制設備可(kě)以連成工業網絡，進行集中監控。
   作者在設計某電力自(zì)動控制系統時，需要将許繼公司生産的(de)繼電保護裝置的(de)參數讀取到Siemens公司的(de)S7-400 PLC中，并集成到SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)監控系統中，參與實際的(de)連鎖控制。繼電保護裝置提供RS-485通訊接口，其通訊協議為(wèi)Modbus RTU(Remote Terminal Unit)協議。為(wèi)了實現Modbus RTU協議到PROFIBUS協議的(de)轉換，本設計将西門子(zǐ)PLC S7-400作PROFIBUS主站，利用北京鼎實公司生産的(de)Profibus-Modbus網橋(以下簡稱PB-M網橋)和(hé)Modbus從站通訊，然後通過PLC中的(de)工業以太網模塊、現場總線模塊連接到企業SCADA系統中，使二者得到完美的(de)結合。

   
   表1 遙信信息點通訊的(de)數據
   
 

 

 

2.   繼電保護系統

 

      本電力系統電站裝機容量為(wèi)6MW。其主接線為(wèi)一(yī)機一(yī)變兩回線，變壓器為(wèi)電壓變比10/6.3kV的(de)雙圈變壓器。電站10kV出線兩回至用戶站。
     本繼電保護系統的(de)主要監測對象包括:一(yī)台發電機組、一(yī)台主變壓器、兩回10kV出線、400V廠用變;保護對象包括電站的(de)發電機、變壓器、10kV出線。 該繼電保護系統提供一(yī)智能通訊服務器，其功能是将許繼設備的(de)通訊規約轉換為(wèi)MODBUS規約，預留RS-485通訊接口與CP340進行通訊。通訊的(de)數據 量包括遙信信息點(功能碼02，起始查詢地(dì)址0):YX1～YX36，祥見表1。遙測信息點(功能碼03，起始查詢地(dì)址0)YC1～YC18，祥見表2。
   
   表2 遙測信息點通訊的(de)數據
   
   

 

 

3.  通訊系統

   3.1 通訊系統的(de)構成

   在本自(zì)動控制系統中，将西門子(zǐ)S7-400 PLC作PROFIBUS主站，ET 200M和(hé)PB-M網橋作PROFIBUS從站。另一(yī)方面，在Modbus總線中将PB-M網橋作Modbus主站，繼電保護裝置和(hé)直流屏設備作為(wèi)Modbus的(de)從站，雙方以9600bps的(de)通訊速率進行通訊。具體的(de)網絡結構如(rú)圖1所示:
   
   

   
   圖1 網絡結構示意圖

   3.2 Modbus通訊協議簡介

   Modbus目前是工業領域全球最流行的(de)協議之一(yī)。此協議支持傳統的(de)帶RS-232、RS-422、RS-485和(hé)以太網接口的(de)設備。當在網絡上通信時，Modbus協議決定了每個控制器必須要有它們的(de)設備地(dì)址，能識别發來的(de)消息，決定要産生何種行動。如(rú)果需要回應，控制器将生成應答并使用Modbus協議發送給詢問方。
   Modbus協議有ASCII、RTU二種協議，并沒有規定物理(lǐ)層。此協議定義了控制器能夠認識和(hé)使用的(de)消息結構，而不管它們是經過何種網絡進行通信的(de)。Modbus的(de)ASCII、RTU協議規定了消息、數據的(de)結構、命令和(hé)應答的(de)方式，數據通訊采用Maser/Slave方式，Master端發出數據請求 消息，Slave端接收到正确消息後就可(kě)以發送數據到Master端以響應請求;Master端也可(kě)以直接發消息修改Slave端的(de)數據，實現雙向讀寫。

   (1) Modbus通訊協議的(de)功能碼

   Modbus的(de)Slave端是根據Master端發送過來的(de)功能碼進行相應的(de)動作的(de)。表3是Modbus RTU協議常用的(de)功能碼，使用它們即可(kě)實現對Slave端的(de)數字量和(hé)模拟量進行讀寫操作。

   
   表3 Modbus RTU協議常用功能碼
   
   

   
   (2) Modbus RTU通訊協議幀結構

   表4列出了RTU協議每個字節的(de)位。
   
   
   

   
   Modbus RTU協議的(de)典型數據幀格式見表5。
 

表5 RTU協議數據幀格式
   
   

   
   表6給出了以RTU方式讀取一(yī)個整數數據的(de)例子(zǐ):主機請求。

   
   表6 主機請求示例
   
   

   
   表7給出了以協議從機應答讀取整數數據示例。

   表7 從機應答示例
   
   

   
   
   
 4.  PB-M網橋的(de)配置

   PB-M網橋是智能型PROFIBUS到Modbus-232/485的(de)協議轉換總線橋，在接口RAM中建立了PROFIBUS到Modbus的(de)映射數據區，由軟件實現PROFIBUS到Modbus的(de)協議轉換和(hé)數據交換。凡具有RS-232/485接口的(de)MODBUS協議設備都可(kě)以利用PB-M網橋與現 場總線PROFIBUS互連。一(yī)方面，PB-M網橋在與PROFIBUS通訊時是作為(wèi)PROFIBUS從站;另一(yī)方面，它在與Modbus通訊時，即可(kě)以作Modbus主站，也可(kě)作Modbus從站。通過該網橋的(de)集成軟件GSD文件，可(kě)以在西門子(zǐ)STEP 7編程軟件中對該網橋進行硬件和(hé)軟件配置，完成相應的(de)通訊功能。以下是詳細的(de)硬件和(hé)軟件配置方法:
   
   4.1 PB-M網橋的(de)硬件設計

   PB-M網橋的(de)PROFIBUS從站地(dì)址和(hé)MODBUS主、從站選擇可(kě)以通過該網橋的(de)硬件撥碼開關來設置。其撥碼開關有8位，其最高(gāo)位是設置MODBUS 主從站的(de)(若該位設為(wèi)0，即将其作為(wèi)MODBUS主站;若該位設為(wèi)1，即将其作為(wèi)MODBUS從站);其它的(de)低(dī)7位設置PROFIBUS從站地(dì)址。本設計将其作PROFIBUS從站(地(dì)址為(wèi)19，二進制:00010011)和(hé)MODBUS主站，因此撥碼開關設置為(wèi):00010011。
   PB-M網橋自(zì)帶PROFIBUS DP接口，可(kě)以使用标準的(de)PROFIBUS DP連接頭和(hé)标準的(de)PROFIBUS電纜将其連接至PROFIBUS現場總線中。
   PB-M網橋還提供RS-232/485接口，其他MODBUS從站可(kě)以通過該接口實現與PB-M網橋的(de)通訊。須注意的(de)是在RS-485總線終端要加終端 電阻，PB-M網橋已內(nèi)置終端電阻，隻需用外接短(duǎn)接線将其接入RS-485網絡即可(kě)。圖2是RS-485網絡連接和(hé)終端電阻的(de)連接示意圖:
   
   

   
   圖2 RS-485網絡連接和(hé)終端電阻的(de)連接示意圖

   
   4.2 PB-M網橋的(de)軟件配置

   硬件連接配置好後，就可(kě)以開始配置PB-M網橋的(de)軟件了。其軟件配置包括:設備參數配置和(hé)MODBUS報文隊列配置:

   (1) PB-M網橋的(de)設備參數配置

   在STEP 7的(de)HW Config中，可(kě)以通過安裝PB-M網橋的(de)GSD文件(DS_MMV3.GSD是MODBUS主站的(de)GSD文件;DS_MSV3.GSD是MODBUS 從站的(de)GSD文件)把PB-M網橋的(de)配置文件添加到STEP 7的(de)設備配置庫中。此後，就可(kě)以按圖3的(de)示意方法配置PB-B網橋的(de)硬件了。
   
   

   
   圖3 PB-B網橋的(de)配置示意圖

   
   将PB-M網橋添加到S7的(de)硬件配置系統中後，可(kě)以對其相關參數進行配置。本設計将PB-M網橋作為(wèi)MODBUS主站，根據MODBUS從站的(de)要求，主站基本參數配置如(rú)下:
   l PROFIBUS從站地(dì)址=19;
   l 波特率＝9600;校驗方式:無校驗;
   l 數據更新模式:在每條MD回答後;
   l 等待回答時間:50ms。
   
   (2) PB-M網橋的(de)MODBUS報文隊列配置

   根據通訊系統的(de)要求，PB-M網橋可(kě)以配置不同的(de)報文隊列來完成實際的(de)通訊要求。PB-M網橋有0＃～19＃共20個槽(邏輯上，非物理(lǐ)設備);0#、1#槽已占用，剩下18個槽提供用戶使用。每個槽可(kě)以用來插入一(yī)條MODBUS通信模塊;所以一(yī)共可(kě)以插入18條MODBUS模塊。PB-M網橋的(de)每一(yī)個MODBUS模塊對應一(yī)種功能的(de)MODBUS報文，可(kě)雙擊插入某一(yī)槽中。
   下面以在2＃槽中插入“read 24 bits(0xxxx)”為(wèi)例說明MODBUS模塊是如(rú)何完成某種功能的(de)MODBUS報文的(de)
   該MODBUS模塊對應MODBUS的(de)01h功能，即:讀取24個輸出線圈0xxxx狀态。
   第一(yī)步: 選中2#槽，然後雙擊“read24 bits(0xxxx)”; 2#槽中插入“24DI read 24 bits(0xxxx) 1…3”; 
   第二步: 進一(yī)步設定MODBUS參數:雙擊2#槽中的(de)“24DI read 24 bits(0xxxx) 1…3”;選擇“Parameter Assignment”，即可(kě)設定“從站地(dì)址”和(hé)“起始地(dì)址”等參數。
   參數設定完後，就建立了如(rú)圖4所示的(de)MODBUS至PROFIBUS的(de)數據映射關系。
   
   

   
   圖4 數據映射關系

   
   其中，I1..I3是PROFIBUS主站分配給這個MODBUS模塊的(de)PROFIBUS輸入地(dì)址I1~I3，對應本MODBUS報文讀到的(de)24 bits (0xxxx)。這樣，PLC在進行編程時，直接讀取I1~I3即可(kě)得到MODBUS 的(de)24個輸出線圈0xxxx的(de)狀态。
   本PB-M網橋需要完成的(de)通訊數據包括:36個遙信信息點(功能碼02)和(hé)18個遙測信息點(功能碼03)。根據此要求，需配置的(de)報文隊列如(rú)圖5所示(站号為(wèi)19、起始地(dì)址為(wèi)0):
   
   
   

   
   圖5 報文隊列配置示意圖

   2＃槽的(de)報文隊列對應的(de)MODBUS命令是:發功能碼02命令—讀輸入線圈10001～10032的(de)狀态，存入I11～I14;
   3＃槽的(de)報文隊列對應的(de)MODBUS命令是:發功能碼03命令—讀保持寄存器40001～40018的(de)值，存入I528～I563;
   完成以上配置後，PLC就可(kě)以和(hé)MODBUS從站設備進行通訊了。
   
5.  結束語

   自(zì)本通訊系統運行以來，PLC與Modbus RTU間的(de)通訊一(yī)直正常，從未出現過任何軟、硬件故障以及其它幹擾現象，有效地(dì)保證了自(zì)動控制系統的(de)正常運行。可(kě)見，PLC通過PB-M網橋與Modbus RTU通訊是一(yī)種行之有效的(de)方法。PLC和(hé)上位機WINCC可(kě)以讀取儀表中溫度測量值、設定值等，同時可(kě)以遠程設置繼電保護裝置和(hé)直流屏設備中的(de)數據，極大地(dì)方便了現場的(de)控制和(hé)操作。由此看來，利用PB-M網橋來解決Siemens PLC與第三方智能控制儀表之間的(de)通訊是一(yī)個值得推廣的(de)方式，在電力自(zì)動控制系統中，一(yī)定會取得更加成功的(de)應用。