1  引言

      PROFIBUS是一種國(guó)際化、開(kāi)放式、不依賴(lài)于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。廣泛適用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通、電力等其他領(lǐng)域自動(dòng)化。PROFIBUS由三個(gè)兼容部分組成，即PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）、PROFIBUS-PA（Process Automation）、PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification）。其中PROFIBUS-DP是一種高速低成本用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I/O通信的一種總線(xiàn)。其傳輸介質(zhì)為雙絞屏蔽線(xiàn)，波特率從9600bps到12Mbps。使用PROFIBUS-DP可取代24VDC或4-20mA信號(hào)傳輸。
    Modbus目前是工業(yè)領(lǐng)域全球最流行的協(xié)議之一。此協(xié)議支持傳統(tǒng)的帶RS-232、RS-422、RS-485和以太網(wǎng)接口的設(shè)備。許多工業(yè)設(shè)備，包括PLC、DCS、智能儀表等都在使用Modbus協(xié)議作為它們之間的通訊標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。
      作者在設(shè)計(jì)某電力自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，需要將許繼公司生產(chǎn)的繼電保護(hù)裝置的參數(shù)讀取到Siemens公司的S7-400 PLC中，并集成到SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）監(jiān)控系統(tǒng)中，參與實(shí)際的連鎖控制。繼電保護(hù)裝置提供RS-485通訊接口，其通訊協(xié)議為Modbus RTU（Remote Terminal Unit）協(xié)議。為了實(shí)現(xiàn)Modbus RTU協(xié)議到PROFIBUS協(xié)議的轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)將西門(mén)子PLC S7-400作PROFIBUS主站，利用北京鼎實(shí)公司生產(chǎn)的Profibus-Modbus網(wǎng)橋（以下簡(jiǎn)稱(chēng)PB-M網(wǎng)橋）和Modbus從站通訊，然后通過(guò)PLC中的工業(yè)以太網(wǎng)模塊、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)模塊連接到企業(yè)SCADA系統(tǒng)中，使二者得到完美的結(jié)合。

表1     遙信信息點(diǎn)通訊的數(shù)據(jù)

2  繼電保護(hù)系統(tǒng)
　　本電力系統(tǒng)電站裝機(jī)容量為6MW。其主接線(xiàn)為一機(jī)一變兩回線(xiàn)，變壓器為電壓變比10/6.3kV的雙圈變壓器。電站10kV出線(xiàn)兩回至用戶(hù)站。
      本繼電保護(hù)系統(tǒng)的主要監(jiān)測(cè)對(duì)象包括:一臺(tái)發(fā)電機(jī)組、一臺(tái)主變壓器、兩回10kV出線(xiàn)、400V廠用變;保護(hù)對(duì)象包括電站的發(fā)電機(jī)、變壓器、10kV出線(xiàn)。該繼電保護(hù)系統(tǒng)提供一智能通訊服務(wù)器，其功能是將許繼設(shè)備的通訊規(guī)約轉(zhuǎn)換為MODBUS規(guī)約，預(yù)留RS-485通訊接口與CP340進(jìn)行通訊。通訊的數(shù)據(jù)量包括遙信信息點(diǎn)（功能碼02，起始查詢(xún)地址0）:YX1～YX36，祥見(jiàn)表1。遙測(cè)信息點(diǎn)（功能碼03，起始查詢(xún)地址0）YC1～YC18，祥見(jiàn)表2。

表2     遙測(cè)信息點(diǎn)通訊的數(shù)據(jù)

3  通訊系統(tǒng)
3.1  通訊系統(tǒng)的構(gòu)成
　　在本自動(dòng)控制系統(tǒng)中，將西門(mén)子S7-400 PLC作PROFIBUS主站，ET 200M和PB-M網(wǎng)橋作PROFIBUS從站。另一方面，在Modbus總線(xiàn)中將PB-M網(wǎng)橋作Modbus主站，繼電保護(hù)裝置和直流屏設(shè)備作為Modbus的從站，雙方以9600bps的通訊速率進(jìn)行通訊。具體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1     網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2  Modbus通訊協(xié)議簡(jiǎn)介
       Modbus目前是工業(yè)領(lǐng)域全球最流行的協(xié)議之一。此協(xié)議支持傳統(tǒng)的帶RS-232、RS-422、RS-485和以太網(wǎng)接口的設(shè)備。當(dāng)在網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí)，Modbus協(xié)議決定了每個(gè)控制器必須要有它們的設(shè)備地址，能識(shí)別發(fā)來(lái)的消息，決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。如果需要回應(yīng)，控制器將生成應(yīng)答并使用Modbus協(xié)議發(fā)送給詢(xún)問(wèn)方。
     Modbus協(xié)議有ASCII、RTU二種協(xié)議，并沒(méi)有規(guī)定物理層。此協(xié)議定義了控制器能夠認(rèn)識(shí)和使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過(guò)何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。Modbus的ASCII、RTU協(xié)議規(guī)定了消息、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、命令和應(yīng)答的方式，數(shù)據(jù)通訊采用Maser/Slave方式，Master端發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求消息，Slave端接收到正確消息后就可以發(fā)送數(shù)據(jù)到Master端以響應(yīng)請(qǐng)求;Master端也可以直接發(fā)消息修改Slave端的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)雙向讀寫(xiě)。
（1） Modbus通訊協(xié)議的功能碼
    Modbus的Slave端是根據(jù)Master端發(fā)送過(guò)來(lái)的功能碼進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作的。表3是Modbus RTU協(xié)議常用的功能碼，使用它們即可實(shí)現(xiàn)對(duì)Slave端的數(shù)字量和模擬量進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

表3   Modbus RTU協(xié)議常用功能碼

（2） Modbus RTU通訊協(xié)議幀結(jié)構(gòu)
表4列出了RTU協(xié)議每個(gè)字節(jié)的位。

      Modbus RTU協(xié)議的典型數(shù)據(jù)幀格式見(jiàn)表5。

表5   RTU協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式

      表6給出了以RTU方式讀取一個(gè)整數(shù)數(shù)據(jù)的例子:主機(jī)請(qǐng)求。

表6   主機(jī)請(qǐng)求示例

      表7給出了以協(xié)議從機(jī)應(yīng)答讀取整數(shù)數(shù)據(jù)示例。

4  PB-M網(wǎng)橋的配置
      PB-M網(wǎng)橋是智能型PROFIBUS到Modbus-232/485的協(xié)議轉(zhuǎn)換總線(xiàn)橋，在接口RAM中建立了PROFIBUS到Modbus的映射數(shù)據(jù)區(qū)，由軟件實(shí)現(xiàn)PROFIBUS到Modbus的協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)交換。凡具有RS-232/485接口的MODBUS協(xié)議設(shè)備都可以利用PB-M網(wǎng)橋與現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)PROFIBUS互連。一方面，PB-M網(wǎng)橋在與PROFIBUS通訊時(shí)是作為PROFIBUS從站;另一方面，它在與Modbus通訊時(shí)，即可以作Modbus主站，也可作Modbus從站。通過(guò)該網(wǎng)橋的集成軟件GSD文件，可以在西門(mén)子STEP 7編程軟件中對(duì)該網(wǎng)橋進(jìn)行硬件和軟件配置，完成相應(yīng)的通訊功能。以下是詳細(xì)的硬件和軟件配置方法：
4.1  PB-M網(wǎng)橋的硬件設(shè)計(jì)
      PB-M網(wǎng)橋的PROFIBUS從站地址和MODBUS主、從站選擇可以通過(guò)該網(wǎng)橋的硬件撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)設(shè)置。其撥碼開(kāi)關(guān)有8位，其最高位是設(shè)置MODBUS主從站的（若該位設(shè)為0，即將其作為MODBUS主站;若該位設(shè)為1，即將其作為MODBUS從站）;其它的低7位設(shè)置PROFIBUS從站地址。本設(shè)計(jì)將其作PROFIBUS從站（地址為19，二進(jìn)制:00010011）和MODBUS主站，因此撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置為:00010011。
     PB-M網(wǎng)橋自帶PROFIBUS DP接口，可以使用標(biāo)準(zhǔn)的PROFIBUS DP連接頭和標(biāo)準(zhǔn)的PROFIBUS電纜將其連接至PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)中。
     PB-M網(wǎng)橋還提供RS-232/485接口，其他MODBUS從站可以通過(guò)該接口實(shí)現(xiàn)與PB-M網(wǎng)橋的通訊。須注意的是在RS-485總線(xiàn)終端要加終端電阻，PB-M網(wǎng)橋已內(nèi)置終端電阻，只需用外接短接線(xiàn)將其接入RS-485網(wǎng)絡(luò)即可。圖2是RS-485網(wǎng)絡(luò)連接和終端電阻的連接示意圖:

圖2     RS-485網(wǎng)絡(luò)連接和終端電阻的連接示意圖

4.2  PB-M網(wǎng)橋的軟件配置
     硬件連接配置好后，就可以開(kāi)始配置PB-M網(wǎng)橋的軟件了。其軟件配置包括:設(shè)備參數(shù)配置和MODBUS報(bào)文隊(duì)列配置:
（1） PB-M網(wǎng)橋的設(shè)備參數(shù)配置
    在STEP 7的HW Config中，可以通過(guò)安裝PB-M網(wǎng)橋的GSD文件（DS_MMV3.GSD是MODBUS主站的GSD文件;DS_MSV3.GSD是MODBUS從站的GSD文件）把PB-M網(wǎng)橋的配置文件添加到STEP 7的設(shè)備配置庫(kù)中。此后，就可以按圖3的示意方法配置PB-B網(wǎng)橋的硬件了。

圖3     PB-B網(wǎng)橋的配置示意圖

     將PB-M網(wǎng)橋添加到S7的硬件配置系統(tǒng)中后，可以對(duì)其相關(guān)參數(shù)進(jìn)行配置。本設(shè)計(jì)將PB-M網(wǎng)橋作為MODBUS主站，根據(jù)MODBUS從站的要求，主站基本參數(shù)配置如下：
l PROFIBUS從站地址=19；
l 波特率＝9600；校驗(yàn)方式：無(wú)校驗(yàn)；
l 數(shù)據(jù)更新模式：在每條MD回答后；
l 等待回答時(shí)間：50ms。
（2） PB-M網(wǎng)橋的MODBUS報(bào)文隊(duì)列配置
    根據(jù)通訊系統(tǒng)的要求，PB-M網(wǎng)橋可以配置不同的報(bào)文隊(duì)列來(lái)完成實(shí)際的通訊要求。PB-M網(wǎng)橋有0?！?9＃共20個(gè)槽（邏輯上，非物理設(shè)備）;0#、1#槽已占用，剩下18個(gè)槽提供用戶(hù)使用。每個(gè)槽可以用來(lái)插入一條MODBUS通信模塊;所以一共可以插入18條MODBUS模塊。PB-M網(wǎng)橋的每一個(gè)MODBUS模塊對(duì)應(yīng)一種功能的MODBUS報(bào)文，可雙擊插入某一槽中。
    下面以在2＃槽中插入“read 24 bits（0xxxx）”為例說(shuō)明MODBUS模塊是如何完成某種功能的MODBUS報(bào)文的
該MODBUS模塊對(duì)應(yīng)MODBUS的01h功能，即:讀取24個(gè)輸出線(xiàn)圈0xxxx狀態(tài)。
第一步: 選中2#槽，然后雙擊“read24 bits（0xxxx）”;  2#槽中插入“24DI read 24 bits（0xxxx） 1…3”;
第二步: 進(jìn)一步設(shè)定MODBUS參數(shù):雙擊2#槽中的“24DI read 24 bits（0xxxx） 1…3”;選擇“Parameter  Assignment”，即可設(shè)定“從站地址”和“起始地址”等參數(shù)。
參數(shù)設(shè)定完后，就建立了如圖4所示的MODBUS至PROFIBUS的數(shù)據(jù)映射關(guān)系。

圖4     數(shù)據(jù)映射關(guān)系

    中，I1..I3是PROFIBUS主站分配給這個(gè)MODBUS模塊的PROFIBUS輸入地址I1～I(xiàn)3，對(duì)應(yīng)本MODBUS報(bào)文讀到的24 bits （0xxxx）。這樣，PLC在進(jìn)行編程時(shí)，直接讀取I1～I(xiàn)3即可得到MODBUS 的24個(gè)輸出線(xiàn)圈0xxxx的狀態(tài)。
    本PB-M網(wǎng)橋需要完成的通訊數(shù)據(jù)包括:36個(gè)遙信信息點(diǎn)（功能碼02）和18個(gè)遙測(cè)信息點(diǎn)（功能碼03）。根據(jù)此要求，需配置的報(bào)文隊(duì)列如圖5所示（站號(hào)為19、起始地址為0）：

圖5     報(bào)文隊(duì)列配置示意圖

     2＃槽的報(bào)文隊(duì)列對(duì)應(yīng)的MODBUS命令是:發(fā)功能碼02命令—讀輸入線(xiàn)圈10001～10032的狀態(tài)，存入I11～I(xiàn)14;
     3＃槽的報(bào)文隊(duì)列對(duì)應(yīng)的MODBUS命令是:發(fā)功能碼03命令—讀保持寄存器40001～40018的值，存入I528～I(xiàn)563;
     完成以上配置后，PLC就可以和MODBUS從站設(shè)備進(jìn)行通訊了。
5  結(jié)束語(yǔ)
　　自本通訊系統(tǒng)運(yùn)行以來(lái)，PLC與Modbus RTU間的通訊一直正常，從未出現(xiàn)過(guò)任何軟、硬件故障以及其它干擾現(xiàn)象，有效地保證了自動(dòng)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行?？梢?jiàn)，PLC通過(guò)PB-M網(wǎng)橋與Modbus RTU通訊是一種行之有效的方法。PLC和上位機(jī)WINCC可以讀取儀表中溫度測(cè)量值、設(shè)定值等，同時(shí)可以遠(yuǎn)程設(shè)置繼電保護(hù)裝置和直流屏設(shè)備中的數(shù)據(jù)，極大地方便了現(xiàn)場(chǎng)的控制和操作。由此看來(lái)，利用PB-M網(wǎng)橋來(lái)解決Siemens PLC與第三方智能控制儀表之間的通訊是一個(gè)值得推廣的方式，在電力自動(dòng)控制系統(tǒng)中，一定會(huì)取得更加成功的應(yīng)用。