PROFIBUS協(xié)議轉(zhuǎn)MODBUS網(wǎng)橋在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

分類：解決方案日期：2010-07-16 09:13:34

1 引言

PROFIBUS是一種國際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。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(lǐng)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(shè)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(zhì)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(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)計某電力自動控制系統(tǒng)時，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。為了實現(xiàn)Modbus RTU協(xié)議到PROFIBUS協(xié)議的轉(zhuǎn)換，本設(shè)計將西門子PLC S7-400作PROFIBUS主站，利用北京鼎實公司生產(chǎn)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，使二者得到完美的結(jié)合。

表1 遙信信息點通訊的數(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。其主接線為一機(jī)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(hù)系統(tǒng)的主要監(jiān)測對象包括:一臺發(fā)電機(jī)組、一臺主變壓器、兩回10kV出線、400V廠用變;保護(hù)對象包括電站的發(fā)電機(jī)、變壓器、10kV出線。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(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(gòu)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(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，Modbus協(xié)議決定了每個控制器必須要有它們的設(shè)備地址，能識別發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動。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(rèn)識和使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(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(jìn)行相應(yīng)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(jìn)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(jié)構(gòu)

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(jī)請求。

表6 主機(jī)請求示例

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。

表7 從機(jī)應(yīng)答示例

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(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(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
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(guān)來設(shè)置。其撥碼開關(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)計將其作PROFIBUS從站(地址為19，二進(jìn)制:00010011)和MODBUS主站，因此撥碼開關(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(nèi)置終端電阻，只需用外接短接線將其接入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報文隊列配置:
(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(guān)參數(shù)進(jìn)行配置。本設(shè)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＃～19＃共20個槽(邏輯上，非物理設(shè)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(yīng)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(yīng)MODBUS的01h功能，即:讀取24個輸出線圈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

其中，I1..I3是PROFIBUS主站分配給這個MODBUS模塊的PROFIBUS輸入地址I1~I3，對應(yīng)本MODBUS報文讀到的24 bits (0xxxx)。這樣，PLC在進(jìn)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(yīng)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(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～I563;
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
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。可見，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(jī)WINCC可以讀取儀表中溫度測量值、設(shè)定值等，同時可以遠(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(yīng)用。