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一、 引言 現代工業(yè)的迅速發(fā)展，不斷促進(jìn)著(zhù)自動(dòng)化控制技術(shù)及設備通信技術(shù)創(chuàng )新的發(fā)展。當前，PLC、DCS、智能儀表等已廣泛應用到現場(chǎng)生產(chǎn)控制系統中，并發(fā)展到由上述設備相互協(xié)同、共同面向整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的分布式工業(yè)控制系統。在此系統中，現場(chǎng)總線(xiàn)通信技術(shù)至關(guān)重要。本文就某水利站分布式控制系統項目，介紹上海泗博自動(dòng)化的Modbus轉Profibus-DP協(xié)議網(wǎng)關(guān)設備的應用。 二、 系統組成 1、 系統結構 本系統構成如圖1，其中略去了西門(mén)子S7-300PLC之外的其它現場(chǎng)級控制設備。系統上位機采用橫河CS3000型DCS集散控制系統，實(shí)現對整個(gè)水利項目進(jìn)行集中監控。下位機之一采用的是西門(mén)子S7-300系列PLC，實(shí)現對現場(chǎng)各種智能儀表，包括現場(chǎng)電機、智能開(kāi)關(guān)、變頻器、傳感器等執行、檢測設備的啟�？刂�、信息采集等操作。 
圖1 系統結構 在上圖所示系統結構中，現場(chǎng)各種智能儀表（采用的是Modbus協(xié)議或者各種非標協(xié)議，接口為RS485、RS422或者RS232）都能夠通過(guò)上海泗博自動(dòng)化的通用串口（Modbus/RS485/RS422/RS232）轉Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160連接到西門(mén)子S7-300PLC。此時(shí)，網(wǎng)關(guān)PM-160在串口側的協(xié)議類(lèi)型為Modbus主站或者通用模式。橫河DCS對西門(mén)子S7-300PLC的數據采集和監控同樣需要使用上海泗博自動(dòng)化的通用串口（Modbus/RS485/RS422/RS232）轉Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160，此時(shí)，網(wǎng)關(guān)PM-160在串口側的協(xié)議類(lèi)型為Modbus從站。 2、 通信網(wǎng)絡(luò )組成 2.1 Profibus協(xié)議簡(jiǎn)介 PROFIBUS 是目前國際上通用的現場(chǎng)總線(xiàn)標準之一，以其獨特的技術(shù)特點(diǎn)、嚴格的認證 規范、開(kāi)放的標準、眾多廠(chǎng)商的支持和不斷發(fā)展的應用行規，已成為最重要的和應用最廣泛的 現場(chǎng)總線(xiàn)標準。 PROFIBUS 現場(chǎng)總線(xiàn)通訊協(xié)議包括三個(gè)主要部分： • PROFIBUS DP：主站和從站之間采用輪循的通訊方式，主要應用于自動(dòng)化系統中單元級和現場(chǎng)級通信。 • PROFIBUS PA：電源和通信數據通過(guò)總線(xiàn)并行傳輸，主要用于面向過(guò)程自動(dòng)化系統中單元級和現場(chǎng)級通訊。 • PROFIBUS FMS：定義了主站和主站之間的通訊模型，主要用于自動(dòng)化系統中系統級和車(chē)間級的過(guò)程數據交換 其中，PROFIBUS-DP 是高速網(wǎng)絡(luò )，通訊速率達到12M。PROFIBUS-DP 可以連接遠程I/O、執 行機構、智能馬達控制器、人機界面HMI、閥門(mén)定位器、變頻器等智能設備， 一條PROFIBUS-DP 總線(xiàn)可以最多連接123 個(gè)從站設備。PROFIBUS-DP 的拓撲結構可以是總線(xiàn)型、星型和樹(shù)型，通訊介質(zhì)可以是屏蔽雙絞線(xiàn)、光纖，也支持紅外傳輸，采用雙絞線(xiàn)時(shí)，不加中繼器最遠通訊距離可達1.2 公里，最多可以采用9 個(gè)中繼器，最遠通訊距離可達9 公里。采用光纖時(shí)，最遠通訊距離可達100 公里以上，其中采用多膜光纖，兩點(diǎn)間最遠距離可達3 公里，采用單膜光纖時(shí)，兩點(diǎn)間最遠距離可達3 公里。 2.2 Modbus協(xié)議簡(jiǎn)介 Modbus協(xié)議是一種適用于工業(yè)控制領(lǐng)域的主從式串口通訊協(xié)議，它采用查詢(xún)通訊方式進(jìn)行主從設備的信息傳輸，可尋址1-247個(gè)設備地址范圍。協(xié)議包括廣播查詢(xún)和單獨設備查詢(xún)兩種方式，二者區別就是廣播查詢(xún)不需要從設備回應信息，主、從設備查詢(xún)通訊過(guò)程見(jiàn)圖2：
圖2 Modbus主、從設備查詢(xún)響應 Modbus協(xié)議常用功能碼如圖3所示：
圖3 Modbus協(xié)議常用功能碼 Modbus協(xié)議有兩種傳輸模式：ASCII模式和RTU模式。同波特率下，RTU模式較ASCII模式能傳輸更多的數據，所以工業(yè)網(wǎng)絡(luò )大都采用RTU模式。RTU模式下的信息傳輸報文格式如圖4：
圖4 Modbus RTU信息報文格式 它沒(méi)有起始位和停止位，而是由至少3.5個(gè)字符間隔時(shí)間作為信息的起始和結束標志。信息幀所有字符位由16進(jìn)制字符0-9、A-F組成。 Modbus RTU通訊協(xié)議幀結構：
圖5 RTU通訊協(xié)議幀格式 Modbus RTU方式主站讀取從站寄存器數據示例：主設備查詢(xún)。
圖6 主設備查詢(xún)格式 Modbus RTU方式主站讀取從站寄存器數據示例：從設備響應。
圖7 從設備響應格式 2.3 網(wǎng)絡(luò )構成及硬件介紹 如圖1所示，在該系統設計中有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )使用了上海泗博自動(dòng)化的Modbus轉Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160。網(wǎng)關(guān)在這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )中的作用不一樣，其中： 在上層網(wǎng)絡(luò )中（建立西門(mén)子S7-300PLC和橫河DCS連接通信），Modbus轉Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160在Modbus側做Modbus從站，在Profibus-DP側做從站，建立Profibus-DP主站（西門(mén)子S7-300 PLC）和Modbus主站（橫河CS3000）的通信。DCS通信部分采用橫河型號為ALR121的通信模塊，并配套橫河提供的Modbus通信軟件包，該通信模塊最大通信數據容量為4000字。通過(guò)上海泗博自動(dòng)化的網(wǎng)關(guān)配置軟件對PM-160進(jìn)行相關(guān)配置，將DCS的讀、寫(xiě)指令及數據做相應轉換、存儲，并映射到西門(mén)子PLC的輸入、輸出映像區，以實(shí)現對上下位機控制信息的實(shí)時(shí)傳輸。 在下層網(wǎng)絡(luò )中（建立西門(mén)子S7-300PLC和現場(chǎng)智能儀表的連接通信），Modbus轉Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160在Modbus側做Modbus主站，在Profibus-DP側做從站，建立Modbus從站（現場(chǎng)各種智能儀表（現場(chǎng)電機、智能開(kāi)關(guān)、變頻器、傳感器等））與Profibus-DP主站（西門(mén)子S7-300PLC）的通信。串口網(wǎng)絡(luò )（現場(chǎng)智能儀表）設備接口為RS485或者RS232，它們都可以通過(guò)上海泗博自動(dòng)化的Modbus轉Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160實(shí)現與西門(mén)子S7-300PLC的連接通信。其中，通過(guò)使用網(wǎng)關(guān)的配套配置軟件對PM-160進(jìn)行相關(guān)配置，將需要采集的從站設備信息通過(guò)網(wǎng)關(guān)讀、寫(xiě)命令及數據轉換、存儲，映射到西門(mén)子PLC的輸入、輸出映射區，以實(shí)現PLC對現場(chǎng)智能儀表數據的采集和監控。 三、 Modbus轉Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160的配置 PM-160是通用型Modbus/RS485/RS422/RS232到Profibus-DP的協(xié)議轉換網(wǎng)關(guān)，在網(wǎng)關(guān)RAM中建立了Modbus/RS485/RS422/RS232到Profibus-DP的映射數據區，由軟件實(shí)現Modbus/RS485/RS422/RS232到Profibus-DP的協(xié)議轉換和數據交換。凡具有RS485/422/232接口的設備（Modbus協(xié)議或者非標協(xié)議）都可以通過(guò)PM-160與現場(chǎng)總線(xiàn)Profibus-DP互聯(lián)。其中，PM-160在與Profibus-DP通訊是作為Profibus-DP從站，PM-160在與串口設備通信時(shí)，可以作Modbus主站、Modbus從站，也支持與非標串口設備實(shí)現數據透明傳輸。通過(guò)在西門(mén)子STEP7中注冊網(wǎng)關(guān)PM-160的GSD文件，即可在該編程軟件中對該網(wǎng)關(guān)進(jìn)行相關(guān)硬件和軟件配置，完成相應的通訊功能。請見(jiàn)如下詳細的硬件和軟件配置方法： 1、 Modbus轉Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160的硬件配置 PM-160的Profibus-DP從站地址可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)的硬件旋碼開(kāi)關(guān)或者配置按鈕來(lái)設置。旋碼開(kāi)關(guān)有兩位，左側位設置地址高位（十位），右側位設置地址低位（個(gè)位）。通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)可設置網(wǎng)關(guān)PM-160處于正常運行狀態(tài)或者配置狀態(tài)。當PM-160處于配置狀態(tài)時(shí)，用戶(hù)可通過(guò)配套配置軟件設置相關(guān)讀寫(xiě)命令和參數。 PM-160自帶標準Profibus-DP接口，用戶(hù)可使用標準Profibus-DP連接頭和標準的Profibus-DP電纜將其連接至Profibus-DP現場(chǎng)總線(xiàn)中。 PM-160提供RS485/422/232三種串口，Modbus從站、主站設備以及用戶(hù)非標串口設備可以通過(guò)這三種接口實(shí)現與網(wǎng)關(guān)PM-160的連接通訊。PM-160沒(méi)有內置終端電阻，在進(jìn)行RS485通信時(shí)，請注意在RS485總線(xiàn)終端各添加一個(gè)終端電阻（120歐姆）。 2、 Modbus轉Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160的軟件配置 1） 使用配套軟件設置PM-160的現場(chǎng)總新和子網(wǎng)相關(guān)參數和命令 通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)將PM-160設置為配置狀態(tài)，打開(kāi)安裝的配置軟件（產(chǎn)品光盤(pán)或者訪(fǎng)問(wèn)http://www.sibotech.net/DownLoad01.asp ）： 當實(shí)現PLC與DCS通信時(shí)，子網(wǎng)協(xié)議類(lèi)型設置為Modbus從站，并設置串口通信波特率、數據位、奇偶校驗位、停止位、PM-160作為Modbus從站的地址、通信接口。其中，串口通信波特率、數據位、奇偶校驗位、停止位的設置應該和所連接的Modbus主站設備（DCS）一致；
圖8 PM-160在Modbus側作Modbus從站（連接PLC和DCS） 當實(shí)現PLC與Modbus設備通信時(shí)，子網(wǎng)協(xié)議類(lèi)型設置為Modbus主站，并設置串口通信參數、通訊傳輸模式、通信接口等。其中，串口通信參數的設置應該和所連接的Modbus從站設備一致：
圖9 PM-160在Modbus側作Modbus主站（連接PLC和Modbus從站） 其中，圖9中的“節點(diǎn)-1”表示連接的從站設備地址為1，配置了“讀保持寄存器”和“預置多個(gè)寄存器”兩條命令，表示網(wǎng)關(guān)讀取了從站對應地址的數據，并且能夠輸出數據到Modbus從站設備，命令配置方法如下：
圖10 PM-160在Modbus側作Modbus主站（命令配置） Modbus寄存器起始地址：用戶(hù)輸入目標采集數據的Modbus寄存器起始地址； 數據個(gè)數：目標數據的寄存器個(gè)數或者線(xiàn)圈條數； 內存映射起始地址：Modbus從站設備數據的對應內存緩沖區地址。 當實(shí)現PLC與非標協(xié)議設備通信時(shí)，子網(wǎng)協(xié)議類(lèi)型設置為通用模式，并設置串口通信參數、控制方式、通信接口等。其中，串口通信參數的設置應該和所連接的非標串口設備（現場(chǎng)智能儀表）一致：PM-160支持的通用模式即透明傳輸模式，用戶(hù)可通過(guò)數據中的數據長(cháng)度和事務(wù)序列號以判斷數據完整性和是否是一幀新的數據。
圖11 通用模式 2） 在STEP7中對網(wǎng)關(guān)M-160進(jìn)行組態(tài)設置 在STEP7的硬件組態(tài)界面，導入PM-160對應的GSD文件，把PM-160的配置文件添加到STEP7的設備配置庫中。用戶(hù)可在硬件組態(tài)界面找到注冊的設備：Catalog-》PROFIBUS DP-》Additional Field Devices-》General-》CONVERTER-》PM-160。
圖12 組態(tài)界面 將PM-160添加到STEP7的組態(tài)頁(yè)面后，可以插入相應的數據塊進(jìn)行映像區地址映射。PM-160提供的數據塊如下：
圖13 PM-160提供的數據塊 推動(dòng)需要的輸入輸出數據塊到網(wǎng)關(guān)對應的槽位。如下圖所示，將數據塊“24Words Input，24Words Output”拖動(dòng)到Profibus-DP從站地址為3的PM-160的槽位中，此時(shí)，對應的映射區地址分別為256，PLC程序需通過(guò)PIW256（PIB256）或者PQW256（PQB256）對相應的數據進(jìn)行尋址訪(fǎng)問(wèn)。
圖14 PLC映像區起始地址（命令配置） 四、 數據讀寫(xiě) 1、DCS讀寫(xiě)PLC數據 DCS作為Modus主站通過(guò)PM-160讀寫(xiě)PLC數據，使用04H功能碼讀數據，對應的寄存器起始地址為0H（30001H），使用10H（03H）功能碼寫(xiě)數據，對應的寄存器起始地址為0H（40001H）。 2、PLC讀寫(xiě)現場(chǎng)智能儀表數據 1） PLC讀寫(xiě)Modbus從站設備數據 PLC通過(guò)PM-160發(fā)送Modbus主站指令讀寫(xiě)現場(chǎng)串口設備數據。映像區起始地址和網(wǎng)關(guān)內存映射起始地址對應關(guān)系如下：以圖14中的配置為例。
圖15 PLC通過(guò)PM-160讀寫(xiě)Modbus從站設備數據地址對應關(guān)系 2） PLC讀寫(xiě)非標串口設備數據 PLC的輸入映射區前兩個(gè)字節分別表示接收的串口數據長(cháng)度和事務(wù)序列號，其它為接收到的數據。事務(wù)序列號變化，表示接收到了一幀新的串口數據。其中，可通過(guò)配置軟件設置是否開(kāi)啟串口數據長(cháng)度功能。PLC的輸出映射區前兩個(gè)字節分別表示發(fā)送的串口數據長(cháng)度和事務(wù)序列號，其它為要發(fā)送的串口數據。事務(wù)序列號變化，PLC發(fā)送相應長(cháng)度的串口數據。 五、 結束語(yǔ) 在該系統中，Modbus轉Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160扮演了三種角色：建立Modbus主站和Profibus-DP主站之間的連接通信（Modbus主站模式）；建立Modbus從站和Profibus-DP主站之間的連接通信（Modbus從站模式）；建議非標串口設備和Profibus-DP主站之間的連接通信（通用模式）。自本通信系統運行以來(lái)，整個(gè)系統通訊正常，有效保證了整個(gè)水利工程控制系統的正常運行。使用上海泗博自動(dòng)化的Modbus轉Profibus-DP網(wǎng)關(guān)可以極大地方便自動(dòng)化工業(yè)現場(chǎng)的控制和操作。 來(lái)源：工控網(wǎng) |
