摘要：本文介紹了如何利用MODBUS轉(zhuǎn)PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)西門子S7-300PLC和霍尼韋爾DCS系統(tǒng)之間的通訊。

關(guān)鍵詞：MODBUS轉(zhuǎn)PROFIBUS-DP  現(xiàn)場(chǎng)總線  微硬創(chuàng)新  霍尼韋爾

1.引言

隨著我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化整體水平的不斷提高，企業(yè)中的控制系統(tǒng)及控制設(shè)備的種類也越來越多；同時(shí)，隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各個(gè)企業(yè)也對(duì)DCS系統(tǒng)的要求也越來越高，除了要滿足常規(guī)的控制以外，還要求DCS系統(tǒng)能將控制系統(tǒng)的各個(gè)運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)傳送到上位機(jī)的系統(tǒng)中去，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理加工、共享、性能優(yōu)化等工作。所以，這對(duì)DCS系統(tǒng)提出了通訊問題，其中就包括DCS和PLC之間的通訊。

北京微硬創(chuàng)新科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱微硬創(chuàng)新）的MODBUS轉(zhuǎn)PROFIBUS-DP網(wǎng)關(guān)（型號(hào)：PBMD485-K20），就有效的使兩者能夠進(jìn)行快捷、有效、高速的協(xié)議的連接。

2014年7月，微硬創(chuàng)新的Modbus轉(zhuǎn)Profibus-DP網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品PBMD485-K20成功應(yīng)用于北京園林博物館（以下簡(jiǎn)稱園博園）中央空調(diào)控制系統(tǒng)。

2.MODBUS、PROFIBUS-DP通訊協(xié)議簡(jiǎn)介

MODBUS是基于串口的一種協(xié)議，它可以基于RS232,RS422,也可以基于RS485，是當(dāng)初MODICON公司定義的PLC與計(jì)算機(jī)，PLC間的傳輸協(xié)議。后來成為了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

PROFIBUS實(shí)際包括DP,FA,和FMS三種，常常提及的是DP，這是一種基于RS485為物理層的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，是西門子公司制定的一種標(biāo)準(zhǔn)，后來成為了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.MODBUS通訊協(xié)議簡(jiǎn)介

MODBUS是OSI模型第7層上的應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，它在連接至不同類型總線或網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備之間提供客戶機(jī)/服務(wù)器通信。其協(xié)議定義了一個(gè)與基礎(chǔ)通信層無關(guān)的簡(jiǎn)單協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）。特定總線或網(wǎng)絡(luò)上的MODBUS協(xié)議映射能夠在應(yīng)用數(shù)據(jù)單元（ADU）上引入一些附加域，如圖1所示。MODBUS有兩種串行傳輸模式被定義:RTU模式和ASCII模式。它定義了報(bào)文域的位內(nèi)容在線路上串行的傳送。它確定了信息如何打包為報(bào)文和解碼。Modbus串行鏈路上所有設(shè)備的傳輸模式(和串行口參數(shù))必須相同。盡管在特定的領(lǐng)域ASCII模式是要求的，但達(dá)到Modbus設(shè)備之間的互操作性只有每個(gè)設(shè)備都有相同的模式：所有設(shè)備必須實(shí)現(xiàn)RTU模式。ASCII傳輸模式是選項(xiàng)。（本現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)關(guān)只支持RTU模式）

圖1：通用MODBUS幀

MODBUS以一系列具有不同特征表格上的數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)。四個(gè)基本表格為如下：

表一：基本數(shù)據(jù)模型

如圖2所示為MODBUSRTU報(bào)文格式，由發(fā)送設(shè)備將Modbus報(bào)文構(gòu)造為帶有已知起始和結(jié)束標(biāo)記的幀。這使設(shè)備可以在報(bào)文的開始接收新幀，并且知道何時(shí)報(bào)文結(jié)束。不完整的報(bào)文必須能夠被檢測(cè)到而錯(cuò)誤標(biāo)志必須作為結(jié)果被設(shè)置。在RTU模式，報(bào)文幀由時(shí)長(zhǎng)至少為3.5個(gè)字符時(shí)間的空閑間隔區(qū)分。在后續(xù)的部分，這個(gè)時(shí)間區(qū)間被稱作t3.5

圖2MODBUSRTU報(bào)文格式

2.2.PROFIBUS-DP通訊協(xié)議簡(jiǎn)介

Profibus支持主-從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳輸方式。主站具有對(duì)總線的控制權(quán)，可主動(dòng)發(fā)送信息。對(duì)多主站系統(tǒng)來說，主站之間采用令牌方式傳遞信息，得到令牌的站點(diǎn)可在一個(gè)事先規(guī)定的時(shí)間內(nèi)擁有總線控制權(quán)，共事先規(guī)定好令牌在各主站中循環(huán)一周的最長(zhǎng)時(shí)間。按Profibus的通信規(guī)范，令牌在主站之間按地址編號(hào)順序，沿上行方向進(jìn)行傳遞。主站在得到控制權(quán)時(shí)，可以按主—從方式，向從站發(fā)送或索取信息，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。主站可采取對(duì)所有站點(diǎn)廣播(不要求應(yīng)答),或有選擇地向一組站點(diǎn)廣播。PROFIBUS-DP允許構(gòu)成單主站或多主站系統(tǒng)。在同一總線上最多可連接126個(gè)站點(diǎn)。系統(tǒng)配置的描述包括：站數(shù)．站地址．輸入/輸出地址．輸入/輸出數(shù)據(jù)格式．PROFIBUS由三個(gè)兼容部分組成，即PROFIBUS-DP（DecentralizedPeriphery）、PROFIBUS-PA(ProcessAutomation)、PROFIBUS-FMS(FieldBusMessageSpecification)。（本網(wǎng)關(guān)采用PROFIBUS-DP通訊）該模型的部分層，如下圖3所示，Profibus報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3：通訊協(xié)議結(jié)構(gòu)

圖4：Profibus報(bào)文

2.3.Modbus與Profibus相互轉(zhuǎn)換原理

本產(chǎn)品依據(jù)的PROFIBUS與MODBUS的協(xié)議轉(zhuǎn)換原理見圖5：

圖5：PROFIBUS與MODBUS的協(xié)議轉(zhuǎn)換原理

圖6：PROFIBUS與MODBUS數(shù)據(jù)區(qū)

①在本網(wǎng)關(guān)的RAM中建立“MODBUS報(bào)文隊(duì)列”（即MODBUS報(bào)文序列）：它是用戶依據(jù)應(yīng)用的要求，在PROFIBUS主站配置本接口產(chǎn)品時(shí)，由菜單選擇后自動(dòng)形成的，并在主站與本接口連接時(shí)傳送到本網(wǎng)關(guān)的RAM中。

②在本網(wǎng)關(guān)的RAM中建立PROFIBUS數(shù)據(jù)區(qū)：PROFIBUS主站與從站的通信數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在這個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)中。其通信數(shù)據(jù)分為輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)，它們都是以PROFIBUS主站為基點(diǎn)的。

③在本網(wǎng)關(guān)的RAM中建立MODBUS數(shù)據(jù)區(qū)：MODBUS通信數(shù)據(jù)分為輸入和輸出數(shù)據(jù)，對(duì)于本網(wǎng)關(guān)主站寫入包括：05H、06H、0FH、10H功能碼，讀回包括：01H、02H、03H、04H功能碼。如圖6：PROFIBUS與MODBUS數(shù)據(jù)區(qū)。

④CPU順序取出MODBUS報(bào)文，同時(shí)將報(bào)文數(shù)據(jù)通過CPU串口發(fā)送出去。如果是“寫”功能，MODBUS報(bào)文中“寫”數(shù)據(jù)來自MODBUS數(shù)據(jù)區(qū)，CPU接收MODBUS回答報(bào)文，如果是“讀”功能，將報(bào)文中MODBUS數(shù)據(jù)存入MODBUS數(shù)據(jù)區(qū)。

⑤每當(dāng)CPU完成一條MODBUS通信或一次MODBUS報(bào)文隊(duì)列掃描后，就對(duì)MODBUS與PROFIBUS數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)交換。依次循環(huán)操作。

⑥PROFIBUS主站通過PROFIBUS通信完成與本網(wǎng)關(guān)從站PROFIBUS數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)交換。

3.通信系統(tǒng)的構(gòu)成以及實(shí)現(xiàn)方法

Honeywell的DCS系統(tǒng)通訊采用MODBUS通訊協(xié)議，而西門子PLC對(duì)中央空調(diào)冷水機(jī)組的數(shù)據(jù)采集通訊協(xié)議是Profibus-DP。該系統(tǒng)中西門子PLC（S7-300）作為Profibus-DP主站，網(wǎng)關(guān)橋PBMD485-K20作為Profibus-DP從站，同時(shí)，網(wǎng)關(guān)橋PBMD485-K20通過RS485接口執(zhí)行MODBUSRTU協(xié)議，與霍尼韋爾modbus主站上位機(jī)進(jìn)行通訊，以此來對(duì)北京園林博物館中央空調(diào)系統(tǒng)冷水機(jī)組進(jìn)行溫度、水流量、壓力等等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集。

3.1.系統(tǒng)配置

SIEMENS公司的CPU315-2DP作為一個(gè)ProfibusDP主站，總線地址設(shè)為2；微硬創(chuàng)新的PBMD485-K20網(wǎng)關(guān)作為PROFIBUS-DP從站,總線地址設(shè)為3；MODBUS從站地址設(shè)置為1。系統(tǒng)連接簡(jiǎn)圖如圖7所示：

圖7：系統(tǒng)連接簡(jiǎn)圖

3.2.PBMD485-K20網(wǎng)關(guān)的參數(shù)設(shè)置

微硬創(chuàng)新PBMD485-K20網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)將RS232或RS485轉(zhuǎn)換協(xié)議接口，支持ModbusRTU協(xié)議。并且可以作為MODBUS的主站或者從站。在這里我們選擇ModbusRTU協(xié)議、RS485接口、MODBUS從站模式。

下面是對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行相應(yīng)的配置：如表2。

表2：MODBUS通訊協(xié)議參數(shù)配置

3.3.霍尼韋爾上位機(jī)MODBUS主站通訊設(shè)置

霍尼韋爾上位機(jī)MODBUS主站選擇MODBUS協(xié)議進(jìn)行通訊。根據(jù)網(wǎng)關(guān)中已經(jīng)配置好的組態(tài)信息，將通訊參數(shù)設(shè)置為：從站地址為1；波特率設(shè)為9600；8位數(shù)據(jù)位；1位停止位；無校驗(yàn)；其它參數(shù)用默認(rèn)值。讀寫數(shù)據(jù)區(qū)等相關(guān)操作請(qǐng)參見說明書，按從站數(shù)據(jù)區(qū)設(shè)置，要將讀取的溫度、壓力等信息的地址與主站讀取總站的地址對(duì)應(yīng)，MODBUS主站讀取從站地址參數(shù)設(shè)置從0開始。

3.4.PROFIBUS通訊數(shù)據(jù)設(shè)置

3.4.1.PROFIBUS通訊數(shù)據(jù)

表3：PROFIBUS通訊數(shù)據(jù)量

3.4.2.PROFIBUS主站進(jìn)行組態(tài)及編程

打開STEP7編程軟件將PBMD485-K20的從站GSD文件安裝到STEP7中，然后通過GSD文件對(duì)其進(jìn)行組態(tài)，見圖8：

表8：PROFIBUS通訊數(shù)據(jù)量在PLC上設(shè)置（Q地址按實(shí)際情況配置）

組態(tài)完成后，進(jìn)行編譯保存。使用梯形圖將Control字的最低位置1.如圖9：

圖9：?jiǎn)?dòng)Q1.0=1

將PLC檢測(cè)到的模擬量和數(shù)字量地址進(jìn)行MOVE編程。如:PLC模擬量輸入地址為地址AIW0，則將AIW0MOVE到PIW256里面即可。主站詢問時(shí)間由DCS上位機(jī)系統(tǒng)決定，上位機(jī)每詢一次，網(wǎng)關(guān)應(yīng)答一次。

4.現(xiàn)場(chǎng)圖片

圖:10.1：現(xiàn)場(chǎng)PLC系統(tǒng)柜

圖:10.2：PLC系統(tǒng)柜內(nèi)部圖

圖:10.3：DCS系統(tǒng)

圖:10.4：內(nèi)部場(chǎng)景一角

圖:10.5：中控室內(nèi)部分場(chǎng)景

5.結(jié)束語(yǔ)

在未來相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，面對(duì)多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并存的情況仍然存在的，因此用于不同協(xié)議之間轉(zhuǎn)換的網(wǎng)關(guān)在未來自動(dòng)化系統(tǒng)中會(huì)發(fā)揮重要作用。擁有不同協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)也必然具有更強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。PBMD485-K20作為一種通用的協(xié)議網(wǎng)關(guān)，它已經(jīng)在很多場(chǎng)合中得到了實(shí)際應(yīng)用，在未來也必將擁有廣闊的市場(chǎng)前景。