PROFIBUS-MODBUS网桥在电力系统中的应用

来源:中国传动网发布时间:2018-08-30902浏览

1 引言

PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化。PROFIBUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）、PROFIBUS-PA（Process Automation）、PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification）。其中PROFIBUS-DP是一种高速低成本用于设备级控制系统与分散式I/O通信的一种总线。其传输介质为双绞屏蔽线，波特率从9600bps到12Mbps。使用PROFIBUS-DP可取代24VDC或4-20mA信号传输。Modbus目前是工业领域全球最流行的协议之一。此协议支持传统的带RS-232、RS-422、RS-485和以太网接口的设备。许多工业设备，包括PLC、DCS、智能仪表等都在使用Modbus协议作为它们之间的通讯标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。

作者在设计某电力自动控制系统时，需要将许继公司生产的继电保护装置的参数读取到Siemens公司的S7-400 PLC中，并集成到SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）监控系统中，参与实际的连锁控制。继电保护装置提供RS-485通讯接口，其通讯协议为Modbus RTU（Remote Terminal Unit）协议。为了实现Modbus RTU协议到PROFIBUS协议的转换，本设计将西门子PLC S7-400作PROFIBUS主站，利用北京鼎实公司生产的Profibus-Modbus网桥（以下简称PB-M网桥）和Modbus从站通讯，然后通过PLC中的工业以太网模块、现场总线模块连接到企业SCADA系统中，使二者得到完美的结合。

表1 遥信信息点通讯的数据

2 继电保护系统

本电力系统电站装机容量为6MW。其主接线为一机一变两回线，变压器为电压变比10/6.3kV的双圈变压器。电站10kV出线两回至用户站。

本继电保护系统的主要监测对象包括:一台发电机组、一台主变压器、两回10kV出线、400V厂用变;保护对象包括电站的发电机、变压器、10kV出线。该继电保护系统提供一智能通讯服务器，其功能是将许继设备的通讯规约转换为MODBUS规约，预留RS-485通讯接口与CP340进行通讯。通讯的数据量包括遥信信息点（功能码02，起始查询地址0）:YX1～YX36，祥见表1。遥测信息点（功能码03，起始查询地址0）YC1～YC18，祥见表2。

表2 遥测信息点通讯的数据

3 通讯系统

3.1 通讯系统的构成

在本自动控制系统中，将西门子S7-400 PLC作PROFIBUS主站，ET 200M和PB-M网桥作PROFIBUS从站。另一方面，在Modbus总线中将PB-M网桥作Modbus主站，继电保护装置和直流屏设备作为Modbus的从站，双方以9600bps的通讯速率进行通讯。具体的网络结构如图1所示:[page]

图1 网络结构示意图

3.2 Modbus通讯协议简介

Modbus目前是工业领域全球最流行的协议之一。此协议支持传统的带RS-232、RS-422、RS-485和以太网接口的设备。当在网络上通信时，Modbus协议决定了每个控制器必须要有它们的设备地址，能识别发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成应答并使用Modbus协议发送给询问方。

Modbus协议有ASCII、RTU二种协议，并没有规定物理层。此协议定义了控制器能够认识和使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。Modbus的ASCII、RTU协议规定了消息、数据的结构、命令和应答的方式，数据通讯采用Maser/Slave方式，Master端发出数据请求消息，Slave端接收到正确消息后就可以发送数据到Master端以响应请求;Master端也可以直接发消息修改Slave端的数据，实现双向读写。

（1） Modbus通讯协议的功能码
Modbus的Slave端是根据Master端发送过来的功能码进行相应的动作的。表3是Modbus RTU协议常用的功能码，使用它们即可实现对Slave端的数字量和模拟量进行读写操作。

表3 Modbus RTU协议常用功能码

（2） Modbus RTU通讯协议帧结构
表4列出了RTU协议每个字节的位。

Modbus RTU协议的典型数据帧格式见表5。

表5 RTU协议数据帧格式

表6给出了以RTU方式读取一个整数数据的例子:主机请求。[page]

表6 主机请求示例

表7给出了以协议从机应答读取整数数据示例。

4 PB-M网桥的配置

PB-M网桥是智能型PROFIBUS到Modbus-232/485的协议转换总线桥，在接口RAM中建立了PROFIBUS到Modbus的映射数据区，由软件实现PROFIBUS到Modbus的协议转换和数据交换。凡具有RS-232/485接口的MODBUS协议设备都可以利用PB-M网桥与现场总线PROFIBUS互连。一方面，PB-M网桥在与PROFIBUS通讯时是作为PROFIBUS从站;另一方面，它在与Modbus通讯时，即可以作Modbus主站，也可作Modbus从站。通过该网桥的集成软件GSD文件，可以在西门子STEP 7编程软件中对该网桥进行硬件和软件配置，完成相应的通讯功能。以下是详细的硬件和软件配置方法:

4.1 PB-M网桥的硬件设计

PB-M网桥的PROFIBUS从站地址和MODBUS主、从站选择可以通过该网桥的硬件拨码开关来设置。其拨码开关有8位，其最高位是设置MODBUS主从站的（若该位设为0，即将其作为MODBUS主站;若该位设为1，即将其作为MODBUS从站）;其它的低7位设置PROFIBUS从站地址。本设计将其作PROFIBUS从站（地址为19，二进制:00010011）和MODBUS主站，因此拨码开关设置为:00010011。

PB-M网桥自带PROFIBUS DP接口，可以使用标准的PROFIBUS DP连接头和标准的PROFIBUS电缆将其连接至PROFIBUS现场总线中。

PB-M网桥还提供RS-232/485接口，其他MODBUS从站可以通过该接口实现与PB-M网桥的通讯。须注意的是在RS-485总线终端要加终端电阻，PB-M网桥已内置终端电阻，只需用外接短接线将其接入RS-485网络即可。图2是RS-485网络连接和终端电阻的连接示意图:

图2 RS-485网络连接和终端电阻的连接示意图

4.2 PB-M网桥的软件配置

硬件连接配置好后，就可以开始配置PB-M网桥的软件了。其软件配置包括:设备参数配置和MODBUS报文队列配置:

（1） PB-M网桥的设备参数配置
在STEP 7的HW Config中，可以通过安装PB-M网桥的GSD文件（DS_MMV3.GSD是MODBUS主站的GSD文件;DS_MSV3.GSD是MODBUS从站的GSD文件）把PB-M网桥的配置文件添加到STEP 7的设备配置库中。此后，就可以按图3的示意方法配置PB-B网桥的硬件了。

图3 PB-B网桥的配置示意图

    将PB-M网桥添加到S7的硬件配置系统中后，可以对其相关参数进行配置。本设计将PB-M网桥作为MODBUS主站，根据MODBUS从站的要求，主站基本参数配置如下:[page]
  PROFIBUS从站地址=19;
  波特率＝9600;校验方式:无校验;
  数据更新模式:在每条MD回答后;
  等待回答时间:50ms。

（2） PB-M网桥的MODBUS报文队列配置

根据通讯系统的要求，PB-M网桥可以配置不同的报文队列来完成实际的通讯要求。PB-M网桥有0＃～19＃共20个槽（逻辑上，非物理设备）;0#、1#槽已占用，剩下18个槽提供用户使用。每个槽可以用来插入一条MODBUS通信模块;所以一共可以插入18条MODBUS模块。PB-M网桥的每一个MODBUS模块对应一种功能的MODBUS报文，可双击插入某一槽中。

下面以在2＃槽中插入“read 24 bits（0xxxx）”为例说明MODBUS模块是如何完成某种功能的MODBUS报文的该MODBUS模块对应MODBUS的01h功能，即:读取24个输出线圈0xxxx状态。

第一步: 选中2#槽，然后双击“read24 bits（0xxxx）”; 2#槽中插入“24DI read 24 bits（0xxxx） 1…3”;

第二步: 进一步设定MODBUS参数:双击2#槽中的“24DI read 24 bits（0xxxx） 1…3”;选择“Parameter Assignment”，即可设定“从站地址”和“起始地址”等参数。
参数设定完后，就建立了如图4所示的MODBUS至PROFIBUS的数据映射关系。

图4 数据映射关系

其中，I1..I3是PROFIBUS主站分配给这个MODBUS模块的PROFIBUS输入地址I1～I3，对应本MODBUS报文读到的24 bits （0xxxx）。这样，PLC在进行编程时，直接读取I1～I3即可得到MODBUS 的24个输出线圈0xxxx的状态。

本PB-M网桥需要完成的通讯数据包括:36个遥信信息点（功能码02）和18个遥测信息点（功能码03）。根据此要求，需配置的报文队列如图5所示（站号为19、起始地址为0）:

图5 报文队列配置示意图

2＃槽的报文队列对应的MODBUS命令是:发功能码02命令—读输入线圈10001～10032的状态，存入I11～I14;
3＃槽的报文队列对应的MODBUS命令是:发功能码03命令—读保持寄存器40001～40018的值，存入I528～I563;
完成以上配置后，PLC就可以和MODBUS从站设备进行通讯了。

5 结束语

自本通讯系统运行以来，PLC与Modbus RTU间的通讯一直正常，从未出现过任何软、硬件故障以及其它干扰现象，有效地保证了自动控制系统的正常运行。可见，PLC通过PB-M网桥与Modbus RTU通讯是一种行之有效的方法。PLC和上位机WINCC可以读取仪表中温度测量值、设定值等，同时可以远程设置继电保护装置和直流屏设备中的数据，极大地方便了现场的控制和操作。由此看来，利用PB-M网桥来解决Siemens PLC与第三方智能控制仪表之间的通讯是一个值得推广的方式，在电力自动控制系统中，一定会取得更加成功的应用。

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