摘要：本文就西門子S7-300系列PLC與橫河CS3000型DCS集散控制系統(tǒng)的之間的通信，介紹如何實現Modbus和Profibus-DP協(xié)議設備的相互通信、上海泗博自動化的Modbus轉Profibus-DP網關PM-160在其中的應用，以及這兩種不同通信協(xié)議的通信方式。

關鍵詞：Modbus協(xié)議 Profibus-DP協(xié)議 Modbus轉Profibus-DP 串口轉Profibus-DP   分布式控制系統(tǒng) 通信網絡

一、引言

現代工業(yè)的迅速發(fā)展，不斷促進著自動化控制技術及設備通信技術創(chuàng)新的發(fā)展。當前，PLC、DCS、智能儀表等已廣泛應用到現場生產控制系統(tǒng)中，并發(fā)展到由上述設備相互協(xié)同、共同面向整個生產過程的分布式工業(yè)控制系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，現場總線通信技術至關重要。本文就某水利站分布式控制系統(tǒng)項目，介紹上海泗博自動化的Modbus轉Profibus-DP協(xié)議網關設備的應用。

二、系統(tǒng)組成

1、 系統(tǒng)結構

本系統(tǒng)構成如圖1，其中略去了西門子S7-300PLC之外的其它現場級控制設備。系統(tǒng)上位機采用橫河CS3000型DCS集散控制系統(tǒng)，實現對整個水利項目進行集中監(jiān)控。下位機之一采用的是西門子S7-300系列PLC，實現對現場各種智能儀表，包括現場電機、智能開關、變頻器、傳感器等執(zhí)行、檢測設備的啟?？刂?、信息采集等操作。

    在上圖所示系統(tǒng)結構中，現場各種智能儀表（采用的是Modbus協(xié)議或者各種非標協(xié)議，接口為RS485、RS422或者RS232）都能夠通過上海泗博自動化的通用串口（Modbus/RS485/RS422/RS232）轉Profibus-DP網關PM-160連接到西門子S7-300PLC。此時，網關PM-160在串口側的協(xié)議類型為Modbus主站或者通用模式。橫河DCS對西門子S7-300PLC的數據采集和監(jiān)控同樣需要使用上海泗博自動化的通用串口（Modbus/RS485/RS422/RS232）轉Profibus-DP網關PM-160，此時，網關PM-160在串口側的協(xié)議類型為Modbus從站。

2、 通信網絡組成

2.1 Profibus協(xié)議簡介

PROFIBUS 是目前上通用的現場總線標準之一，以其*的技術特點、嚴格的認證

規(guī)范、開放的標準、眾多廠商的支持和不斷發(fā)展的應用行規(guī)，已成為zui重要的和應用zui廣泛的

現場總線標準。

PROFIBUS 現場總線通訊協(xié)議包括三個主要部分：

• PROFIBUS DP：主站和從站之間采用輪循的通訊方式，主要應用于自動化系統(tǒng)中單元級和現場級通信。

• PROFIBUS PA：電源和通信數據通過總線并行傳輸，主要用于面向過程自動化系統(tǒng)中單元級和現場級通訊。

• PROFIBUS FMS：定義了主站和主站之間的通訊模型，主要用于自動化系統(tǒng)中系統(tǒng)級和車間級的過程數據交換

2.2 Modbus協(xié)議簡介

 

    Modbus RTU通訊協(xié)議幀結構：

Modbus RTU方式主站讀取從站寄存器數據示例：主設備查詢。

Modbus RTU方式主站讀取從站寄存器數據示例：從設備響應。

2.3 網絡構成及硬件介紹

如圖1所示，在該系統(tǒng)設計中有兩個網絡使用了上海泗博自動化的Modbus轉Profibus-DP網關PM-160。網關在這兩個網絡中的作用不一樣，其中：

在上層網絡中（建立西門子S7-300PLC和橫河DCS連接通信），Modbus轉Profibus-DP網關PM-160在Modbus側做Modbus從站，在Profibus-DP側做從站，建立Profibus-DP主站（西門子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zui大通信數據容量為4000字。通過上海泗博自動化的網關配置軟件對PM-160進行相關配置，將DCS的讀、寫指令及數據做相應轉換、存儲，并映射到西門子PLC的輸入、輸出映像區(qū)，以實現對上下位機控制信息的實時傳輸。

在下層網絡中（建立西門子S7-300PLC和現場智能儀表的連接通信），Modbus轉Profibus-DP網關PM-160在Modbus側做Modbus主站，在Profibus-DP側做從站，建立Modbus從站（現場各種智能儀表（現場電機、智能開關、變頻器、傳感器等））與Profibus-DP主站（西門子S7-300PLC）的通信。串口網絡（現場智能儀表）設備接口為RS485或者RS232，它們都可以通過上海泗博自動化的Modbus轉Profibus-DP網關PM-160實現與西門子S7-300PLC的連接通信。其中，通過使用網關的配套配置軟件對PM-160進行相關配置，將需要采集的從站設備信息通過網關讀、寫命令及數據轉換、存儲，映射到西門子PLC的輸入、輸出映射區(qū)，以實現PLC對現場智能儀表數據的采集和監(jiān)控。

三、Modbus轉Profibus-DP網關PM-160的配置

    PM-160是通用型Modbus/RS485/RS422/RS232到Profibus-DP的協(xié)議轉換網關，在網關RAM中建立了Modbus/RS485/RS422/RS232到Profibus-DP的映射數據區(qū)，由軟件實現Modbus/RS485/RS422/RS232到Profibus-DP的協(xié)議轉換和數據交換。凡具有RS485/422/232接口的設備（Modbus協(xié)議或者非標協(xié)議）都可以通過PM-160與現場總線Profibus-DP互聯(lián)。其中，PM-160在與Profibus-DP通訊是作為Profibus-DP從站，PM-160在與串口設備通信時，可以作Modbus主站、Modbus從站，也支持與非標串口設備實現數據透明傳輸。通過在西門子STEP7中注冊網關PM-160的GSD文件，即可在該編程軟件中對該網關進行相關硬件和軟件配置，完成相應的通訊功能。請見如下詳細的硬件和軟件配置方法：

1、 Modbus轉Profibus-DP網關PM-160的硬件配置

PM-160的Profibus-DP從站地址可以通過網關的硬件旋碼開關或者配置按鈕來設置。旋碼開關有兩位，左側位設置地址高位（十位），右側位設置地址低位（個位）。通過撥碼開關可設置網關PM-160處于正常運行狀態(tài)或者配置狀態(tài)。當PM-160處于配置狀態(tài)時，用戶可通過配套配置軟件設置相關讀寫命令和參數。

PM-160自帶標準Profibus-DP接口，用戶可使用標準Profibus-DP連接頭和標準的Profibus-DP電纜將其連接至Profibus-DP現場總線中。

PM-160提供RS485/422/232三種串口，Modbus從站、主站設備以及用戶非標串口設備可以通過這三種接口實現與網關PM-160的連接通訊。PM-160沒有內置終端電阻，在進行RS485通信時，請注意在RS485總線終端各添加一個終端電阻（120歐姆）。

2、 Modbus轉Profibus-DP網關PM-160的軟件配置

1）        使用配套軟件設置PM-160的現場總新和子網相關參數和命令

通過撥碼開關將PM-160設置為配置狀態(tài)，打開安裝的配置軟件（產品光盤或者訪問/DownLoad01.asp ）：

當實現PLC與DCS通信時，子網協(xié)議類型設置為Modbus從站，并設置串口通信波特率、數據位、奇偶校驗位、停止位、PM-160作為Modbus從站的地址、通信接口。其中，串口通信波特率、數據位、奇偶校驗位、停止位的設置應該和所連接的Modbus主站設備（DCS）一致；

當實現PLC與Modbus設備通信時，子網協(xié)議類型設置為Modbus主站，并設置串口通信參數、通訊傳輸模式、通信接口等。其中，串口通信參數的設置應該和所連接的Modbus從站設備一致：

其中，圖9中的“節(jié)點-1”表示連接的從站設備地址為1，配置了“讀保持寄存器”和“預置多個寄存器”兩條命令，表示網關讀取了從站對應地址的數據，并且能夠輸出數據到Modbus從站設備，命令配置方法如下：

 

當實現PLC與非標協(xié)議設備通信時，子網協(xié)議類型設置為通用模式，并設置串口通信參數、控制方式、通信接口等。其中，串口通信參數的設置應該和所連接的非標串口設備（現場智能儀表）一致：PM-160支持的通用模式即透明傳輸模式，用戶可通過數據中的數據長度和事務序列號以判斷數據完整性和是否是一幀新的數據。

 

2）        在STEP7中對網關M-160進行組態(tài)設置

在STEP7的硬件組態(tài)界面，導入PM-160對應的GSD文件，把PM-160的配置文件添加到STEP7的設備配置庫中。用戶可在硬件組態(tài)界面找到注冊的設備：Catalog->PROFIBUS DP->Additional Field Devices->General->CONVERTER->PM-160。

 

將PM-160添加到STEP7的組態(tài)頁面后，可以插入相應的數據塊進行映像區(qū)地址映射。PM-160提供的數據塊如下：

    推動需要的輸入輸出數據塊到網關對應的槽位。如下圖所示，將數據塊“24Words Input，24Words Output”拖動到Profibus-DP從站地址為3的PM-160的槽位中，此時，對應的映射區(qū)地址分別為256，PLC程序需通過PIW256（PIB256）或者PQW256（PQB256）對相應的數據進行尋址訪問。

四、數據讀寫

1、DCS讀寫PLC數據

DCS作為Modus主站通過PM-160讀寫PLC數據，使用04H功能碼讀數據，對應的寄存器起始地址為0H（30001H），使用10H（03H）功能碼寫數據，對應的寄存器起始地址為0H（40001H）。

2、PLC讀寫現場智能儀表數據

1）        PLC讀寫Modbus從站設備數據

PLC通過PM-160發(fā)送Modbus主站指令讀寫現場串口設備數據。映像區(qū)起始地址和網關內存映射起始地址對應關系如下：以圖14中的配置為例。

五、結束語

在該系統(tǒng)中，Modbus轉Profibus-DP網關PM-160扮演了三種角色：建立Modbus主站和Profibus-DP主站之間的連接通信（Modbus主站模式）；建立Modbus從站和Profibus-DP主站之間的連接通信（Modbus從站模式）；建議非標串口設備和Profibus-DP主站之間的連接通信（通用模式）。自本通信系統(tǒng)運行以來，整個系統(tǒng)通訊正常，有效保證了整個水利工程控制系統(tǒng)的正常運行。使用上海泗博自動化的Modbus轉Profibus-DP網關可以極大地方便自動化工業(yè)現場的控制和操作。