PROFIBUS協議轉MODBUS網橋在電力系統中的應用

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、不依賴于設備生產商的現場總線標準。廣泛適用于制造業自動化、流程工業自動化和樓宇、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目前是工業領域全球最流行的協議之一。此協議支持傳統的帶RS-232、RS-422、RS-485和以太網接口的設備。許多工業設備，包括 PLC、DCS、智能儀表等都在使用Modbus協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網絡，進行集中監控。
作者在設計某電力自動控制系統時，需要將許繼公司生產的繼電保護裝置的參數讀取到Siemens公司的S7-400 PLC中，并集成到SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)監控系統中，參與實際的連鎖控制。繼電保護裝置提供RS-485通訊接口，其通訊協議為Modbus RTU(Remote Terminal Unit)協議。為了實現Modbus RTU協議到PROFIBUS協議的轉換，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網橋(以下簡稱PB-M網橋)和Modbus從站通訊，然后通過PLC中的工業以太網模塊、現場總線模塊連接到企業SCADA系統中，使二者得到完美的結合。

表1 遙信信息點通訊的數據

2 繼電保護系統
本電力系統電站裝機容量為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。
本繼電保護系統的主要監測對象包括:一臺發電機組、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電機、變壓器、10kV出線。該繼電保護系統提供一智能通訊服務器，其功能是將許繼設備的通訊規約轉換為MODBUS規約，預留RS-485通訊接口與CP340進行通訊。通訊的數據量包括遙信信息點(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據

3 通訊系統
3.1 通訊系統的構成
在本自動控制系統中，將西門子S7-400 PLC作PROFIBUS主站，ET 200M和PB-M網橋作PROFIBUS從站。另一方面，在Modbus總線中將PB-M網橋作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。具體的網絡結構如圖1所示:

圖1 網絡結構示意圖
3.2 Modbus通訊協議簡介
Modbus目前是工業領域全球最流行的協議之一。此協議支持傳統的帶RS-232、RS-422、RS-485和以太網接口的設備。當在網絡上通信時，Modbus協議決定了每個控制器必須要有它們的設備地址，能識別發來的消息，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協議發送給詢問方。
Modbus協議有ASCII、RTU二種協議，并沒有規定物理層。此協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絡進行通信的。 Modbus的ASCII、RTU協議規定了消息、數據的結構、命令和應答的方式，數據通訊采用Maser/Slave方式，Master端發出數據請求消息，Slave端接收到正確消息后就可以發送數據到Master端以響應請求;Master端也可以直接發消息修改Slave端的數據，實現雙向讀寫。
(1) Modbus通訊協議的功能碼
Modbus的Slave端是根據Master端發送過來的功能碼進行相應的動作的。表3是Modbus RTU協議常用的功能碼，使用它們即可實現對Slave端的數字量和模擬量進行讀寫操作。

表3 Modbus RTU協議常用功能碼

(2) Modbus RTU通訊協議幀結構

表4列出了RTU協議每個字節的位。

Modbus RTU協議的典型數據幀格式見表5

表5 RTU協議數據幀格式

表6給出了以RTU方式讀取一個整數數據的例子:主機請求。

表6 主機請求示例

表7給出了以協議從機應答讀取整數數據示例。

表7 從機應答示例

4 PB-M網橋的配置

PB-M網橋是智能型PROFIBUS到Modbus-232/485的協議轉換總線橋，在接口RAM中建立了PROFIBUS到Modbus的映射數據區，由軟件實現PROFIBUS到Modbus的協議轉換和數據交換。凡具有RS-232/485接口的MODBUS協議設備都可以利用PB-M網橋與現場總線PROFIBUS互連。一方面，PB-M網橋在與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網橋的硬件設計
PB-M網橋的PROFIBUS從站地址和MODBUS主、從站選擇可以通過該網橋的硬件撥碼開關來設置。其撥碼開關有8位，其最高位是設置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現場總線中。
PB-M網橋還提供RS-232/485接口，其他MODBUS從站可以通過該接口實現與PB-M網橋的通訊。須注意的是在RS-485總線終端要加終端電阻，PB-M網橋已內置終端電阻，只需用外接短接線將其接入RS-485網絡即可。圖2是RS-485網絡連接和終端電阻的連接示意圖:

圖2 RS-485網絡連接和終端電阻的連接示意圖

4.2 PB-M網橋的軟件配置
硬件連接配置好后，就可以開始配置PB-M網橋的軟件了。其軟件配置包括:設備參數配置和MODBUS報文隊列配置:
(1) PB-M網橋的設備參數配置
在STEP 7的HW Config中，可以通過安裝PB-M網橋的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網橋的硬件了。

圖3 PB-B網橋的配置示意圖

將PB-M網橋添加到S7的硬件配置系統中后，可以對其相關參數進行配置。本設計將PB-M網橋作為MODBUS主站，根據MODBUS從站的要求，主站基本參數配置如下:
l PROFIBUS從站地址=19;
l 波特率＝9600;校驗方式:無校驗;
l 數據更新模式:在每條MD回答后;
l 等待回答時間:50ms。

(2) PB-M網橋的MODBUS報文隊列配置
根據通訊系統的要求，PB-M網橋可以配置不同的報文隊列來完成實際的通訊要求。PB-M網橋有0＃～19＃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。
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: 進一步設定MODBUS參數: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。
參數設定完后，就建立了如圖4所示的MODBUS至PROFIBUS的數據映射關系。

圖4 數據映射關系

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。
本PB-M網橋需要完成的通訊數據包括: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:發功能碼02命令—讀輸入線圈10001～10032的狀態，存入I11～I14;
3＃槽的報文隊列對應的MODBUS命令是:發功能碼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
自本通訊系統運行以來，PLC與Modbus RTU間的通訊一直正常，從未出現過任何軟、硬件故障以及其它干擾現象，有效地保證了自動控制系統的正常運行。可見，PLC通過PB-M網橋與 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據，極大地方便了現場的控制和操作。由此看來，利用PB-M網橋來解決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中，一定會取得更加成功的應用。