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一、 引言

　　現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，不斷促進(jìn)著自動(dòng)化控制技術(shù)及設(shè)備通信技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展。當(dāng)前，PLC、DCS、智能儀表等已廣泛應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)控制系統(tǒng)中，并發(fā)展到由上述設(shè)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(tǒng)。在此系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)至關(guān)重要。本文就某水利站分布式控制系統(tǒng)項(xiàng)目，介紹上海泗博自動(dòng)化的Modbus轉(zhuǎn)Profibus-DP協(xié)議網(wǎng)關(guān)設(shè)備的應(yīng)用。

二、 系統(tǒng)組成

　　1、 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)構(gòu)成如圖1，其中略去了西門(mén)子S7-300PLC之外的其它現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制設(shè)備。系統(tǒng)上位機(jī)采用橫河CS3000型DCS集散控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)水利項(xiàng)目進(jìn)行集中監(jiān)控。下位機(jī)之一采用的是西門(mén)子S7-300系列PLC，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種智能儀表，包括現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)、智能開(kāi)關(guān)、變頻器、傳感器等執(zhí)行、檢測(cè)設(shè)備的啟?？刂啤⑿畔⒉杉炔僮?。

　                                                                 　圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　在上圖所示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，現(xiàn)場(chǎng)各種智能儀表（采用的是Modbus協(xié)議或者各種非標(biāo)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(zhuǎn)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(cè)的協(xié)議類型為Modbus主站或者通用模式。橫河DCS對(duì)西門(mén)子S7-300PLC的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)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(zhuǎn)Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160，此時(shí)，網(wǎng)關(guān)PM-160在串口側(cè)的協(xié)議類型為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(guó)際上通用的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一，以其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)、嚴(yán)格的認(rèn)證

　　規(guī)范、開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)、眾多廠商的支持和不斷發(fā)展的應(yīng)用行規(guī)，已成為最重要的和應(yīng)用最廣泛的

　　現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。

　　PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線通訊協(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(yīng)用于自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信。

　　• PROFIBUS PA：電源和通信數(shù)據(jù)通過(guò)總線并行傳輸，主要用于面向過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)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(tǒng)中系統(tǒng)級(jí)和車(chē)間級(jí)的過(guò)程數(shù)據(jù)交換

　　其中，PROFIBUS-DP 是高速網(wǎng)絡(luò)，通訊速率達(dá)到12M。PROFIBUS-DP 可以連接遠(yuǎn)程I/O、執(zhí)

　　行機(jī)構(gòu)、智能馬達(dá)控制器、人機(jī)界面HMI、閥門(mén)定位器、變頻器等智能設(shè)備， 一條PROFIBUS-DP 總線可以最多連接123 個(gè)從站設(shè)備。PROFIBUS-DP 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是總線型、星型和樹(shù)型，通訊介質(zhì)可以是屏蔽雙絞線、光纖，也支持紅外傳輸，采用雙絞線時(shí)，不加中繼器最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)1.2 公里，最多可以采用9 個(gè)中繼器，最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)9 公里。采用光纖時(shí)，最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)100 公里以上，其中采用多膜光纖，兩點(diǎn)間最遠(yuǎn)距離可達(dá)3 公里，采用單膜光纖時(shí)，兩點(diǎn)間最遠(yuǎn)距離可達(dá)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，它采用查詢通訊方式進(jìn)行主從設(shè)備的信息傳輸，可尋址1-247個(gè)設(shè)備地址范圍。協(xié)議包括廣播查詢和單獨(dú)設(shè)備查詢兩種方式，二者區(qū)別就是廣播查詢不需要從設(shè)備回應(yīng)信息，主、從設(shè)備查詢通訊過(guò)程見(jiàn)圖2：

　　                                                         圖2 Modbus主、從設(shè)備查詢響應(yīng)

　　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(shù)據(jù)，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(bào)文格式如圖4：

　                                                           　圖4 Modbus RTU信息報(bào)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(jié)束標(biāo)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(jié)構(gòu)：

　　                                                             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(shù)據(jù)示例：主設(shè)備查詢。

　                                                         　圖6 主設(shè)備查詢格式#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

　　Modbus RTU方式主站讀取從站寄存器數(shù)據(jù)示例：從設(shè)備響應(yīng)。

　　                                                         圖7 從設(shè)備響應(yīng)格式

　　2.3 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成及硬件介紹

　　如圖1所示，在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)使用了上海泗博自動(dòng)化的Modbus轉(zhuǎn)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(zhuǎn)Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160在Modbus側(cè)做Modbus從站，在Profibus-DP側(cè)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(hào)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(shù)據(jù)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(duì)PM-160進(jìn)行相關(guān)配置，將DCS的讀、寫(xiě)指令及數(shù)據(jù)做相應(yīng)轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)，并映射到西門(mén)子PLC的輸入、輸出映像區(qū)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)上下位機(jī)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(xiàn)場(chǎng)智能儀表的連接通信），Modbus轉(zhuǎn)Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160在Modbus側(cè)做Modbus主站，在Profibus-DP側(cè)做從站，建立Modbus從站（現(xiàn)場(chǎng)各種智能儀表（現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)、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(xiàn)場(chǎng)智能儀表）設(shè)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(zhuǎn)Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160實(shí)現(xiàn)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(duì)PM-160進(jìn)行相關(guān)配置，將需要采集的從站設(shè)備信息通過(guò)網(wǎng)關(guān)讀、寫(xiě)命令及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)，映射到西門(mén)子PLC的輸入、輸出映射區(qū)，以實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)現(xiàn)場(chǎng)智能儀表數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控。