Profibus-DP與Modbus協議的異構網絡設備通信實現

袁偉

（蘭州石化職業技術學院 甘肅省蘭州市 730060）

BOPET薄膜的生產是通過縱向拉伸和橫向拉伸聚酯薄膜生產裝備實現的，裝備系統主要由原料上料、計量喂料、擠出、拉伸、牽引系、收卷等子系統組成，裝備流程如圖1所示。整個生產過程需要有一個穩定、準確的PTA原料喂料系統，其目的是確保擠出系統平穩運行以保證出料均勻。

由于擠出機組的出口壓力波動范圍直接影響了擠出量的穩定程度，同時在原料擠出過程中擠出機熔體不發生過熱和降解，絕大多數擠出機組的控制系統通常采用PLC作為控制核心，而對于由多個子系統組成的生產線來說，控制系統還要具備分布式控制能力以及現場總線通信能力。現場總線的使用解決了現場各設備之間的數字通信以及控制設備和控制系統之間的信息傳遞問題，極大的減少了控制設備的外部接線，同時可以使得技術人員能迅速檢查、判斷故障點，因此現場總線已逐漸成為控制系統通信的主要手段[1]。本文重點介紹擠出機控制系統中西門子PLC與喂料系統的失重式喂料機使用Profibus-DP與基于MODBUS通信協議的RS-485通信模塊實現通信的方法和應用效果。

1 研究對象的系統構成

1.1 擠出機系統

本項目中涉及到的主擠出機和輔擠出機構成的擠出機組的控制系統以西門子S7-300系列PLC為控制中心，由CPU315-2DP通過Profibus通信來控制分布式遠程I/O—ET-200上的輸入輸出模塊來實現程序控制。監控層采用西門子觸摸屏和上位機搭載WINCC7.4上位監控軟件對整個控制系統進行監控和管理。

1.2 計量喂料系統

計量喂料系統主要包括6臺失重式喂料機，采用支持Modbus通信協議的RS-485串行通信接口的KB-2500G一體式的數據采集控制模塊，通過與Profibus-DP通信將數據集成在中控室上位機及觸摸屏HMI界面進行聯鎖控制，如圖2所示。以通信的方式控制這6臺失重式喂料機，代替了傳統的模擬量控制，一是大大減少現場的布線，二是方便技術人員安裝、調試、喂料控制和錯誤診斷。

2 通信的實現

2.1 異構通信網絡的組成

本系統由上層通信網絡——Profibus-DP網絡和下層通信網絡——Modbus網絡組成。

Profibus采用混合總線存取控制機制來實現設備間的通信。Profibus-DP設備中DP主站（西門子S7-300PLC）在預定周期內與DP從站（Modbus轉Profibus-DP網關）循環交換信息，并擁有總線數據流的控制權。DPM（主站）發送參數給DPS（從站），讀取DPS的信息，并用全局控制命令將它的運行狀態告知從站。DPS向DPM報告本地的過程中斷和診斷中斷。

Modbus通信協議現已成為工業領域通信協議的標準[2]。它定義了控制器能夠認識和使用的消息結構，可以使支持RS-232、RS485和以太網等接口的各種工業設備接入到同一個工業網絡。本系統主要利用RS485半雙工通信接口構成一個通信網絡，網絡拓撲為終端匹配的總線型結構，采用主從通信方式，即一個主機帶多個從機，網關作Modbus主站，眾多失重式喂料機作為從站。由于系統的主從通信距離較短，因此使用屏蔽雙絞線作為傳輸總線，將6臺失重式喂料機節點接口的“A”、“B”端分別串接起來。

2.2 Modbus(RS485)/Profibus適配器

圖1：BOPET薄膜生產裝備流程圖

圖2：失重式喂料機監控界面

圖3：Profibus-DP地址撥碼開關

圖4：Profibus-DP通信參數設置

圖5：讀寫數據塊設置

Modbus(RS485)/Profibus適配器通過“映射”關系建立Modbus和Profibus之間的數據交換，從而實現了串口和Profibus-DP的數據通信[3]。本項目采用型號為PM-127的網關作為網絡通信適配器，PM-127中有兩個數據緩沖區，Modbus讀命令將讀取的數據寫入到網絡輸入緩沖區，供Profibus網絡讀?。粚懠拇嫫髅顝木W絡輸出緩沖區取出數據，輸出到相應的設備。

硬件地址通過PM-127的Profibus-DP地址撥碼開關設置，共8位，其中1-7位地址編碼由低到高按二進制編碼加權（On為1，Oあ為0），第8位開關置0時為正常模式，置1則為兼容模式。

若圖3中“2”、“3”位分別撥到On，其它都為Oあ，則表示Profibus-DP從站地址為“6”。從站地址根據系統的實際情況進行相應的設置，由于PM-127在Profibus-DP網絡中作為從站，需保證不能與同一網絡中的其他從站地址重復。本項目中該地址設為4，即撥碼開關“3”撥到On，其它位均為Oあ。

2.3 組態參數設置

本項目的S7-300PLC系統配置是通過西門子PLC編程軟件Tia Portal實現的。由于在Tia Portal軟件的硬件目錄中沒有PM-127網關產品，因此，首先將PM-127網關的GSD文件（PROFIBUS電子設備數據庫文件）導入到使用Tia Portal軟件創建的新項目中，更新完成后在硬件目錄中選擇PM-127網關，在設備組態界面添加子網，使PLC與Slave-1建立主從站連接，然后對Profibus-DP組態參數進行設置。需要設置的參數包括：Profibus地址、常規DP參數、設備特定參數。Profibus-DP從站屬性參數即設備特定參數，包括Modbus通信波特率、數據位、校驗位、停止位、響應時間、輪詢延時等，如圖4所示。

PLC系統配置如下：

（1）硬件組態配置。從硬件組態目錄中將網關拖拽到已經組態好的Profibus-DP網絡中，節點地址的設置應與PM-127網關得地址一致；

（2）I/O配置。要保證與網關數據區的I/O字節數一致，根據網關輸入輸出得配置情況將需要的數據塊添加到設備概覽窗口的槽位中。

讀寫數據塊設置如圖5所示。

2.4 通信的實現

組態完成后，點擊工具欄中編譯按鈕進行編譯，編譯成功后點擊下載按鈕下載工程到設備中，同時將寫好的程序下載到PLC并點擊啟動。完成之后，Profibus-DP協議的設備與Modbus協議的設備之間就實現了網絡通信，接下來只需要通過編寫相應的程序將通信接口區中的輸入區（I區）數據用來實現相應設備的數據監視，將喂料系統的控制指令通過輸出區（Q區）發送到現場失重稱實現遠程啟停。本項目的失重式喂料機共有6臺，由于每個串口的最大帶載能力為32個從站，因此只需一個獨立的串口通信。

這種異構網絡的通信方法，實現了喂料機的控制獨立于擠出機系統的控制，系統PLC只需要下達收發指令并讀寫過程值，極大的減少了PLC的資源消耗和計算負荷，為生產線的控制系統提供了一種經濟、快捷、便于調試維護的解決方案。

3 結論

基于Profibus-DP與Modbus協議的薄膜生產線擠出機與喂料機的通信是一種網絡化、開放式、可擴展性好的實時通信系統，通過Profibus-DP和Modbus之間的數據透明通信，實現了擠出機組控制系統對喂料系統的實時監控。這種方法可以推廣到現場的變送器、電機變頻器、智能高壓、低壓電器、智能現場測量設備及儀表等通信系統[4]，以實現工業生產線的綜合管理。本項目所述生產線目前運行狀況良好，產品質量優良，控制系統維護成本低，得到了客戶的好評和肯定，該方案將應用到后續正在規劃籌建的多條生產線中。