1、转换桥连接 MODBUS 通信协议设备的实例-MODBUS 转 PROFIBUS 协议北京鼎实创新科技有限公司(中国现场总线 PROFIBUS 技术资格中心)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PROFIB
2、US-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
3、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
4、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):YX1YX36，祥见表1。遥
5、测信息点(功能码03，起始查询地址0)YC1YC18，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: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、
6、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
7、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。表6 主机请
8、求示例表7给出了以协议从机应答读取整数数据示例。表7 从机应答示例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
9、，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M
10、ODBUS 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
11、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
12、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：l PROFIBUS 从站地址=19；l 波特率9600；校验方式：无校验；l 数据更新模式：在每条 MD 回答后；l 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019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 MODBU
13、S 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) 13”;第二步: 进一步设定 MODBUS 参数:双击2#槽中的“24DI read 24 bits(0xxxx) 13”;选择“Parameter Assignment
14、”，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I1I3，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 I1I3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
15、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1000110032的状态，存入 I11I14;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4000140018的值，存入 I528I563;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。
