Profibus與Modbus總線協議轉換的研究與應用

潘兆楠

(蘭州蘭石重工有限公司)

Profibus與Modbus總線協議轉換的研究與應用

潘兆楠*

(蘭州蘭石重工有限公司)

介紹了Profibus和Modbus兩種現場總線協議，并探討了兩種現場總線協議的轉換方法。

快鍛機組 現場總線 Profibus Modbus 協議轉換

現場總線控制系統由于其開放性、分散性和完全可互操作性的特點，正成為未來新型工業控制系統的發展方向。但現場總線協議標準眾多且通信協議差異很大，互不兼容，給現場總線控制系統的集成帶來了很大困難，另一方面也給現場總線技術的推廣和應用帶來了不利影響。目前國內快鍛機組電控系統大多采用Modbus和Profibus兩種總線。筆者通過對這兩種總線之間協議轉換技術的探討，研究不同現場總線之間的集成問題。

1 Modbus通信協議

Modbus 協議主要用于控制器之間的通信。通過此協議，兩個控制器相互之間或控制器通過網絡(如以太網)和其他設備之間進行通信。目前有很多設備采用Modbus的通信協議標準。如果按照國際ISO/OSI 的七層網絡模型來說，標準Modbus協議定義了通信物理層、鏈路層和應用層。物理層定義了基于 RS232 和 RS485 的異步串行通信規范；鏈路層規定了基于站號識別、主/從方式的介質訪問控制；應用層規定了信息規范(或報文格式)及通信服務功能。

目前很多Modbus設備應用都是基于RS232/485，也有變化的Modbus網絡通信，只使用Modbus的應用層(信息規范)，而底層使用其他通信協議。如：底層使用以太網+TCP/IP 的Modbus網絡通信和底層使用無線擴頻通信Modbus網絡等等。

Modbus是主/從通信協議。主站主動發送報文,只有與主站發送報文中呼叫地址相同的從站才向主站發送回答報文。報文以0地址發送時為廣播模式，無需從站應答，可作為廣播報文發送，包括：修改線圈狀態、修改寄存器內容、強置多線圈、預置多寄存器和詢問診斷。

Modbus規定了兩種字符傳輸模式：ASCII模式和RTU(二進制)模式。兩種傳輸模式不能混用，筆者所探討的內容只使用 RTU模式。涉及到的控制器(或Modbus設備)存儲區標識見表1。

表1 控制器存儲區標識

(續表1)

2 Modbus通信協議

Profibus是應用于制造業和過程自動化領域中的現場總線標準。它包括3個兼容的版本：Profibus-DP、Profibus-PA和Profibus-FMS。Profibus-DP主要應用于自動控制系統與分散外圍設備I/O和智能現場儀表之間的高速數據通信。Profibus協議采用ISO/OSI簡化模型，它使用了1、2層外加用戶接口，3～7層未加描述。這種精簡的結構確保高速數據傳輸。

Profibus-DP的物理層是根據EIA標準的RS-485制定。數據鏈路層描述了用于數據傳輸中報文的一般格式、安全機制和可用的傳輸服務。Profibus-DP協議的任務只是定義用戶數據怎樣通過總線從一個站傳送到另一個站。在這里，傳輸協議并沒有對所傳送的用戶數據進行評價。直接數據鏈路映像程序(DDLM)提供對第二層的訪問。在用戶接口中規定了PROFIBUS-DP設備的應用功能，以及各種類型的系統和設備的行為特性。

3 通信協議轉換原理

Profibus是開放的、與制造商無關、無知識產權保護的標準。原則上，Profibus協議在任何微處理器上都可以實現。通信速度超過500kbps時，推薦使用協議專用芯片(ASIC)。由于Profibus協議復雜，專用芯片的使用也可以使Profibus-DP總線設備的開發周期大大縮短。DP從站功能最常用的ASIC是SIEMENS公司的SPC3。SPC3將完整的Profibus-DP協議集成在芯片中，可獨立完成全部Profibus-DP通信功能，加速了通信協議的執行。SPC3還提供格式化的用戶數據接口，源碼提供的固態程序使用戶易于訪問這些接口。Modbus協議也是完全開放的，與Profibus相比Modbus協議要簡單得多，不需用協議芯片實現。

PB-B-Modbus/232/485/V32是智能型Profibus到Modbus-232/485的協議轉換接口。在接口RAM 中建立了Profibus到Modbus映射數據區，由軟件實現Profibus和Modbus協議轉換及數據交換。圖1是PB-B-Modbus/485/V32 硬件結構圖。圖1中SPC3是西門子公司的Profibus通信協議芯片。Profibus Interface是Profibus標準驅動電路，由光隔和RS485 驅動組成。CPU通過對SPC3控制實現Profibus的通信，并在 RAM中建立Profibus通信數據緩沖區。另一方面，通過 RS232 Interface 實現和外部Modbus現場設備的通信，同樣在 RAM 中建立Modbus通信緩沖區。CPU通過兩個通信緩沖區的數據交換，實現Profibus到Modbus的通信。

圖1 PB-B-Modbus/485/V32 硬件結構示意圖

4 與Profibus的連接

在 PLC 為主站的Profibus系統中，PB-B-MS/V32 總線橋是Profibus從站。另外一側PB-B-MS/V32通過 RS232/485與Modbus設備連接，是一個Modbus設備的從站(等待接收Modbus主站設備發送的Modbus通信報文并回答)。PLC 為主站的Profibus系統中使用 PB-B-MS/V32 將Modbus主站設備或一個Modbus局域網連接到Profibus上。

在Step7的硬件組態中添加PB-B-MS/V32 總線橋，如圖2所示從 PB-B-MS/V32 的硬件配置中可以看到，0#、1#槽被接口占用。0#槽是一個字節輸入，用作通信狀態字status，本例中占用Profibus輸入地址I1。1#槽是一個字節輸出，用作通信控制字control。本例中占用Profibus輸出地址Q1。PB-B-MS/V32有 0#～19#共20個槽(邏輯上，非物理設備)。0#、1#槽已占用，剩下18個槽提供用戶使用，建立一個Profibus輸入/輸出與Modbus存儲區對應關系表。每個槽是關系表的一項；所以該關系表最多有18項。在Hardwarecatalog 中打開 PB-B-MS/V32 目錄, PB-B-MS/V32 下每一個模塊可以作為關系表中的一項, 雙擊可插入在某一個槽中。

圖2 PB-B-MS/V32 的硬件配置

5 結束語

通過對Profibus與Modbus兩種總線橋接的設計，DP-Master可以對Modbus網絡上的站點透明的訪問。解決了這兩種異構網絡的互連問題。目前該技術已在多臺快鍛機組控制系統中得到了有效應用。既減少了現場布線量又提高了硬件兼容性。

(Continued from Page 71)

Making use of Fluent software, the flow field of the three-phase axial-flow cyclone was simulated to obtain the cyclone’s internal velocity, the pressure drop characteristics and gas and solid volume fraction distribution. Through comparative analysis of the operational parameters like separation capacity and diversion ratio (overflow, lateral), the 6.4m3/h separation capacity, the 40% overflow ratio as well as 4% split ratio under the cyclone’s optimal separation performance can be obtained.

cyclone, axial-flow type, separation performance, separation capacity, split ratio

*潘兆楠，男，1981年12月生，工程師。甘肅省蘭州市，730050。

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0254-6094(2015)01-0151-03

2014-07-10)