现场总线与网络技术

关键词： 现场总线 PB-M网桥 电力系统

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:





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。

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。
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，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:
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)&rdq