摘要：本文介紹了如何利用MODBUS轉PROFIBUS現場總線網關實現西門子S7-300PLC和霍尼韋爾DCS系統之間的通訊。

關鍵詞：MODBUS轉PROFIBUS-DP  現場總線  微硬創新  霍尼韋爾

1.引言

隨著我國工業自動化整體水平的不斷提高，企業中的控制系統及控制設備的種類也越來越多；同時，隨著市場經濟的發展，各個企業也對DCS系統的要求也越來越高，除了要滿足常規的控制以外，還要求DCS系統能將控制系統的各個運行參數實時傳送到上位機的系統中去，并對數據進行處理加工、共享、性能優化等工作。所以，這對DCS系統提出了通訊問題，其中就包括DCS和PLC之間的通訊。

北京微硬創新科技有限公司（以下簡稱微硬創新）的MODBUS轉PROFIBUS-DP網關（型號：PBMD485-K20），就有效的使兩者能夠進行快捷、有效、高速的協議的連接。

2014年7月，微硬創新的Modbus轉Profibus-DP網關產品PBMD485-K20成功應用于北京園林博物館（以下簡稱園博園）中央空調控制系統。

2.MODBUS、PROFIBUS-DP通訊協議簡介

MODBUS是基于串口的一種協議，它可以基于RS232,RS422,也可以基于RS485，是當初MODICON公司定義的PLC與計算機，PLC間的傳輸協議。后來成為了國際標準。

PROFIBUS實際包括DP,FA,和FMS三種，常常提及的是DP，這是一種基于RS485為物理層的現場總線協議，是西門子公司制定的一種標準，后來成為了國際標準。

2.1.MODBUS通訊協議簡介

MODBUS是OSI模型第7層上的應用層報文傳輸協議，它在連接至不同類型總線或網絡的設備之間提供客戶機/服務器通信。其協議定義了一個與基礎通信層無關的簡單協議數據單元（PDU）。特定總線或網絡上的MODBUS協議映射能夠在應用數據單元（ADU）上引入一些附加域，如圖1所示。MODBUS有兩種串行傳輸模式被定義:RTU模式和ASCII模式。它定義了報文域的位內容在線路上串行的傳送。它確定了信息如何打包為報文和解碼。Modbus串行鏈路上所有設備的傳輸模式(和串行口參數)必須相同。盡管在特定的領域ASCII模式是要求的，但達到Modbus設備之間的互操作性只有每個設備都有相同的模式：所有設備必須實現RTU模式。ASCII傳輸模式是選項。（本現場網關只支持RTU模式）

圖1：通用MODBUS幀

MODBUS以一系列具有不同特征表格上的數據模型為基礎。四個基本表格為如下：

表一：基本數據模型

如圖2所示為MODBUSRTU報文格式，由發送設備將Modbus報文構造為帶有已知起始和結束標記的幀。這使設備可以在報文的開始接收新幀，并且知道何時報文結束。不完整的報文必須能夠被檢測到而錯誤標志必須作為結果被設置。在RTU模式，報文幀由時長至少為3.5個字符時間的空閑間隔區分。在后續的部分，這個時間區間被稱作t3.5

圖2MODBUSRTU報文格式

2.2.PROFIBUS-DP通訊協議簡介

Profibus支持主-從系統、純主站系統、多主多從混合系統等幾種傳輸方式。主站具有對總線的控制權，可主動發送信息。對多主站系統來說，主站之間采用令牌方式傳遞信息，得到令牌的站點可在一個事先規定的時間內擁有總線控制權，共事先規定好令牌在各主站中循環一周的最長時間。按Profibus的通信規范，令牌在主站之間按地址編號順序，沿上行方向進行傳遞。主站在得到控制權時，可以按主—從方式，向從站發送或索取信息，實現點對點通信。主站可采取對所有站點廣播(不要求應答),或有選擇地向一組站點廣播。PROFIBUS-DP允許構成單主站或多主站系統。在同一總線上最多可連接126個站點。系統配置的描述包括：站數．站地址．輸入/輸出地址．輸入/輸出數據格式．PROFIBUS由三個兼容部分組成，即PROFIBUS-DP（DecentralizedPeriphery）、PROFIBUS-PA(ProcessAutomation)、PROFIBUS-FMS(FieldBusMessageSpecification)。（本網關采用PROFIBUS-DP通訊）該模型的部分層，如下圖3所示，Profibus報文結構如圖4所示。

圖3：通訊協議結構

圖4：Profibus報文

2.3.Modbus與Profibus相互轉換原理

本產品依據的PROFIBUS與MODBUS的協議轉換原理見圖5：

圖5：PROFIBUS與MODBUS的協議轉換原理

圖6：PROFIBUS與MODBUS數據區

①在本網關的RAM中建立“MODBUS報文隊列”（即MODBUS報文序列）：它是用戶依據應用的要求，在PROFIBUS主站配置本接口產品時，由菜單選擇后自動形成的，并在主站與本接口連接時傳送到本網關的RAM中。

②在本網關的RAM中建立PROFIBUS數據區：PROFIBUS主站與從站的通信數據都存儲在這個數據區中。其通信數據分為輸入數據和輸出數據，它們都是以PROFIBUS主站為基點的。

③在本網關的RAM中建立MODBUS數據區：MODBUS通信數據分為輸入和輸出數據，對于本網關主站寫入包括：05H、06H、0FH、10H功能碼，讀回包括：01H、02H、03H、04H功能碼。如圖6：PROFIBUS與MODBUS數據區。

④CPU順序取出MODBUS報文，同時將報文數據通過CPU串口發送出去。如果是“寫”功能，MODBUS報文中“寫”數據來自MODBUS數據區，CPU接收MODBUS回答報文，如果是“讀”功能，將報文中MODBUS數據存入MODBUS數據區。

⑤每當CPU完成一條MODBUS通信或一次MODBUS報文隊列掃描后，就對MODBUS與PROFIBUS數據區數據進行一次數據交換。依次循環操作。

⑥PROFIBUS主站通過PROFIBUS通信完成與本網關從站PROFIBUS數據區的數據交換。

3.通信系統的構成以及實現方法

Honeywell的DCS系統通訊采用MODBUS通訊協議，而西門子PLC對中央空調冷水機組的數據采集通訊協議是Profibus-DP。該系統中西門子PLC（S7-300）作為Profibus-DP主站，網關橋PBMD485-K20作為Profibus-DP從站，同時，網關橋PBMD485-K20通過RS485接口執行MODBUSRTU協議，與霍尼韋爾modbus主站上位機進行通訊，以此來對北京園林博物館中央空調系統冷水機組進行溫度、水流量、壓力等等相關參數進行監控及數據采集。

3.1.系統配置

SIEMENS公司的CPU315-2DP作為一個ProfibusDP主站，總線地址設為2；微硬創新的PBMD485-K20網關作為PROFIBUS-DP從站,總線地址設為3；MODBUS從站地址設置為1。系統連接簡圖如圖7所示：

圖7：系統連接簡圖

3.2.PBMD485-K20網關的參數設置

微硬創新PBMD485-K20網關可以實現將RS232或RS485轉換協議接口，支持ModbusRTU協議。并且可以作為MODBUS的主站或者從站。在這里我們選擇ModbusRTU協議、RS485接口、MODBUS從站模式。

下面是對網關進行相應的配置：如表2。

表2：MODBUS通訊協議參數配置

3.3.霍尼韋爾上位機MODBUS主站通訊設置

霍尼韋爾上位機MODBUS主站選擇MODBUS協議進行通訊。根據網關中已經配置好的組態信息，將通訊參數設置為：從站地址為1；波特率設為9600；8位數據位；1位停止位；無校驗；其它參數用默認值。讀寫數據區等相關操作請參見說明書，按從站數據區設置，要將讀取的溫度、壓力等信息的地址與主站讀取總站的地址對應，MODBUS主站讀取從站地址參數設置從0開始。

3.4.PROFIBUS通訊數據設置

3.4.1.PROFIBUS通訊數據

表3：PROFIBUS通訊數據量

3.4.2.PROFIBUS主站進行組態及編程

打開STEP7編程軟件將PBMD485-K20的從站GSD文件安裝到STEP7中，然后通過GSD文件對其進行組態，見圖8：

表8：PROFIBUS通訊數據量在PLC上設置（Q地址按實際情況配置）

組態完成后，進行編譯保存。使用梯形圖將Control字的最低位置1.如圖9：

圖9：啟動Q1.0=1

將PLC檢測到的模擬量和數字量地址進行MOVE編程。如:PLC模擬量輸入地址為地址AIW0，則將AIW0MOVE到PIW256里面即可。主站詢問時間由DCS上位機系統決定，上位機每詢一次，網關應答一次。

4.現場圖片

圖:10.1：現場PLC系統柜

圖:10.2：PLC系統柜內部圖

圖:10.3：DCS系統

圖:10.4：內部場景一角

圖:10.5：中控室內部分場景

5.結束語

在未來相當一段時間內，面對多種網絡協議并存的情況仍然存在的，因此用于不同協議之間轉換的網關在未來自動化系統中會發揮重要作用。擁有不同協議轉換技術也必然具有更強的市場競爭力。PBMD485-K20作為一種通用的協議網關，它已經在很多場合中得到了實際應用，在未來也必將擁有廣闊的市場前景。