1  引言 
      PROFIBUS是一種化、開放式、不依賴于設備生產商的現(xiàn)場總線標準。廣泛適用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通、電力等其他領域自動化。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是一種高速低成本用于設備級控制系統(tǒng)與分散式I/O通信的一種總線。其傳輸介質為雙絞屏蔽線，波特率從9600bps到12Mbps。使用PROFIBUS-DP可取代24VDC或4-20mA信號傳輸。
    Modbus目前是工業(yè)領域zui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)接口的設備。許多工業(yè)設備，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準。有了它，不同廠商生產的控制設備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡，進行集中監(jiān)控。
      作者在設計某電力自動控制系統(tǒng)時，需要將許繼公司生產的繼電保護裝置的參數(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，參與實際的連鎖控制。繼電保護裝置提供RS-485通訊接口，其通訊協(xié)議為Modbus RTU（Remote Terminal Unit）協(xié)議。為了實現(xiàn)Modbus RTU協(xié)議到PROFIBUS協(xié)議的轉換，本設計將西門子PLC S7-400作PROFIBUS主站，利用北京鼎實公司生產的Profibus-Modbus網(wǎng)橋（以下簡稱PB-M網(wǎng)橋）和Modbus從站通訊，然后通過PLC中的工業(yè)以太網(wǎng)模塊、現(xiàn)場總線模塊連接到企業(yè)SCADA系統(tǒng)中，使二者得到的結合。 
表1     遙信信息點通訊的數(shù)據(jù)



2  繼電保護系統(tǒng)
　　本電力系統(tǒng)電站裝機容量為6MW。其主接線為一機一變兩回線，變壓器為電壓變比10/6.3kV的雙圈變壓器。電站10kV出線兩回至用戶站。
      本繼電保護系統(tǒng)的主要監(jiān)測對象包括:一臺發(fā)電機組、一臺主變壓器、兩回10kV出線、400V廠用變;保護對象包括電站的發(fā)電機、變壓器、10kV出線。該繼電保護系統(tǒng)提供一智能通訊服務器，其功能是將許繼設備的通訊規(guī)約轉換為MODBUS規(guī)約，預留RS-485通訊接口與CP340進行通訊。通訊的數(shù)據(jù)量包括遙信信息點（功能碼02，起始查詢地址0）:YX1～YX36，祥見表1。遙測信息點（功能碼03，起始查詢地址0）YC1～YC18，祥見表2。 

表2     遙測信息點通訊的數(shù)據(jù)


 
3  通訊系統(tǒng)
3.1  通訊系統(tǒng)的構成
　　在本自動控制系統(tǒng)中，將西門子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總線中將PB-M網(wǎng)橋作Modbus主站，繼電保護裝置和直流屏設備作為Modbus的從站，雙方以9600bps的通訊速率進行通訊。具體的網(wǎng)絡結構如圖1所示：

 
圖1     網(wǎng)絡結構示意圖

3.2  Modbus通訊協(xié)議簡介 
       Modbus目前是工業(yè)領域zui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)接口的設備。當在網(wǎng)絡上通信時，Modbus協(xié)議決定了每個控制器必須要有它們的設備地址，能識別發(fā)來的消息，決定要產生何種行動。如果需要回應，控制器將生成應答并使用Modbus協(xié)議發(fā)送給詢問方。
     Modbus協(xié)議有ASCII、RTU二種協(xié)議，并沒有規(guī)定物理層。此協(xié)議定義了控制器能夠認識和使用的消息結構，而不管它們是經過何種網(wǎng)絡進行通信的。Modbus的ASCII、RTU協(xié)議規(guī)定了消息、數(shù)據(jù)的結構、命令和應答的方式，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端以響應請求;Master端也可以直接發(fā)消息修改Slave端的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)雙向讀寫。
（1） Modbus通訊協(xié)議的功能碼
    Modbus的Slave端是根據(jù)Master端發(fā)送過來的功能碼進行相應的動作的。表3是Modbus RTU協(xié)議常用的功能碼，使用它們即可實現(xiàn)對Slave端的數(shù)字量和模擬量進行讀寫操作。 
表3   Modbus RTU協(xié)議常用功能碼


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



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

表5   RTU協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式 


      表6給出了以RTU方式讀取一個整數(shù)數(shù)據(jù)的例子:主機請求。 

表6   主機請求示例


      表7給出了以協(xié)議從機應答讀取整數(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)議轉換總線橋，在接口RAM中建立了PROFIBUS到Modbus的映射數(shù)據(jù)區(qū)，由軟件實現(xiàn)PROFIBUS到Modbus的協(xié)議轉換和數(shù)據(jù)交換。凡具有RS-232/485接口的MODBUS協(xié)議設備都可以利用PB-M網(wǎng)橋與現(xiàn)場總線PROFIBUS互連。一方面，PB-M網(wǎng)橋在與PROFIBUS通訊時是作為PROFIBUS從站;另一方面，它在與Modbus通訊時，即可以作Modbus主站，也可作Modbus從站。通過該網(wǎng)橋的集成軟件GSD文件，可以在西門子STEP 7編程軟件中對該網(wǎng)橋進行硬件和軟件配置，完成相應的通訊功能。以下是詳細的硬件和軟件配置方法：
4.1  PB-M網(wǎng)橋的硬件設計
      PB-M網(wǎng)橋的PROFIBUS從站地址和MODBUS主、從站選擇可以通過該網(wǎng)橋的硬件撥碼開關來設置。其撥碼開關有8位，其zui高位是設置MODBUS主從站的（若該位設為0，即將其作為MODBUS主站;若該位設為1，即將其作為MODBUS從站）;其它的低7位設置PROFIBUS從站地址。本設計將其作PROFIBUS從站（地址為19，二進制:00010011）和MODBUS主站，因此撥碼開關設置為:00010011。
     PB-M網(wǎng)橋自帶PROFIBUS DP接口，可以使用標準的PROFIBUS DP連接頭和標準的PROFIBUS電纜將其連接至PROFIBUS現(xiàn)場總線中。
     PB-M網(wǎng)橋還提供RS-232/485接口，其他MODBUS從站可以通過該接口實現(xiàn)與PB-M網(wǎng)橋的通訊。須注意的是在RS-485總線終端要加終端電阻，PB-M網(wǎng)橋已內置終端電阻，只需用外接短接線將其接入RS-485網(wǎng)絡即可。圖2是RS-485網(wǎng)絡連接和終端電阻的連接示意圖:


圖2     RS-485網(wǎng)絡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，就可以開始配置PB-M網(wǎng)橋的軟件了。其軟件配置包括:設備參數(shù)配置和MODBUS報文隊列配置:
（1） PB-M網(wǎng)橋的設備參數(shù)配置
    在STEP 7的HW Config中，可以通過安裝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的設備配置庫中。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，可以對其相關參數(shù)進行配置。本設計將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；校驗方式：無校驗；
 l 數(shù)據(jù)更新模式：在每條MD回答后；
 l 等待回答時間：50ms。
（2） PB-M網(wǎng)橋的MODBUS報文隊列配置
    根據(jù)通訊系統(tǒng)的要求，PB-M網(wǎng)橋可以配置不同的報文隊列來完成實際的通訊要求。PB-M網(wǎng)橋有0?！?9＃共20個槽（邏輯上，非物理設備）;0#、1#槽已占用，剩下18個槽提供用戶使用。每個槽可以用來插入一條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MODBUS模塊對應一種功能的MODBUS報文，可雙擊插入某一槽中。
    下面以在2＃槽中插入“read 24 bits（0xxxx）”為例說明MODBUS模塊是如何完成某種功能的MODBUS報文的
該MODBUS模塊對應MODBUS的01h功能，即:讀取24個輸出線圈0xxxx狀態(tài)。 
 *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: 進一步設定MODBUS參數(shù):雙擊2#槽中的“24DI read 24 bits（0xxxx） 1…3”;選擇“Parameter  Assignment”，即可設定“從站地址”和“起始地址”等參數(shù)。
 參數(shù)設定完后，就建立了如圖4所示的MODBUS至PROFIBUS的數(shù)據(jù)映射關系。 

圖4     數(shù)據(jù)映射關系

    中，I1..I3是PROFIBUS主站分配給這個MODBUS模塊的PROFIBUS輸入地址I1～I3，對應本MODBUS報文讀到的24 bits （0xxxx）。這樣，PLC在進行編程時，直接讀取I1～I3即可得到MODBUS 的24個輸出線圈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個遙信信息點（功能碼02）和18個遙測信息點（功能碼03）。根據(jù)此要求，需配置的報文隊列如圖5所示（站號為19、起始地址為0）：


圖5     報文隊列配置示意圖

     2＃槽的報文隊列對應的MODBUS命令是:發(fā)功能碼02命令—讀輸入線圈10001～10032的狀態(tài)，存入I11～I14;
     3＃槽的報文隊列對應的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～I563;
     完成以上配置后，PLC就可以和MODBUS從站設備進行通訊了。
5  結束語
　　自本通訊系統(tǒng)運行以來，PLC與Modbus RTU間的通訊一直正常，從未出現(xiàn)過任何軟、硬件故障以及其它干擾現(xiàn)象，有效地保證了自動控制系統(tǒng)的正常運行?？梢?，PLC通過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WINCC可以讀取儀表中溫度測量值、設定值等，同時可以遠程設置繼電保護裝置和直流屏設備中的數(shù)據(jù)，極大地方便了現(xiàn)場的控制和操作。由此看來，利用PB-M網(wǎng)橋來解決Siemens PLC與第三方智能控制儀表之間的通訊是一個值得推廣的方式，在電力自動控制系統(tǒng)中，一定會取得更加成功的應用。