潘兆楠

(蘭州蘭石重工有限公司)

Profibus與Modbus總線協(xié)議轉(zhuǎn)換的研究與應(yīng)用

潘兆楠*

(蘭州蘭石重工有限公司)

介紹了Profibus和Modbus兩種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，并探討了兩種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換方法。

快鍛機(jī)組 現(xiàn)場(chǎng)總線 Profibus Modbus 協(xié)議轉(zhuǎn)換

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)由于其開(kāi)放性、分散性和完全可互操作性的特點(diǎn)，正成為未來(lái)新型工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。但現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)眾多且通信協(xié)議差異很大，互不兼容，給現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的集成帶來(lái)了很大困難，另一方面也給現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的推廣和應(yīng)用帶來(lái)了不利影響。目前國(guó)內(nèi)快鍛機(jī)組電控系統(tǒng)大多采用Modbus和Profibus兩種總線。筆者通過(guò)對(duì)這兩種總線之間協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)的探討，研究不同現(xiàn)場(chǎng)總線之間的集成問(wèn)題。

1 Modbus通信協(xié)議

Modbus 協(xié)議主要用于控制器之間的通信。通過(guò)此協(xié)議，兩個(gè)控制器相互之間或控制器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)(如以太網(wǎng))和其他設(shè)備之間進(jìn)行通信。目前有很多設(shè)備采用Modbus的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。如果按照國(guó)際ISO/OSI 的七層網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議定義了通信物理層、鏈路層和應(yīng)用層。物理層定義了基于 RS232 和 RS485 的異步串行通信規(guī)范；鏈路層規(guī)定了基于站號(hào)識(shí)別、主/從方式的介質(zhì)訪問(wèn)控制；應(yīng)用層規(guī)定了信息規(guī)范(或報(bào)文格式)及通信服務(wù)功能。

目前很多Modbus設(shè)備應(yīng)用都是基于RS232/485，也有變化的Modbus網(wǎng)絡(luò)通信，只使用Modbus的應(yīng)用層(信息規(guī)范)，而底層使用其他通信協(xié)議。如：底層使用以太網(wǎng)+TCP/IP 的Modbus網(wǎng)絡(luò)通信和底層使用無(wú)線擴(kuò)頻通信Modbus網(wǎng)絡(luò)等等。

Modbus是主/從通信協(xié)議。主站主動(dòng)發(fā)送報(bào)文,只有與主站發(fā)送報(bào)文中呼叫地址相同的從站才向主站發(fā)送回答報(bào)文。報(bào)文以0地址發(fā)送時(shí)為廣播模式，無(wú)需從站應(yīng)答，可作為廣播報(bào)文發(fā)送，包括：修改線圈狀態(tài)、修改寄存器內(nèi)容、強(qiáng)置多線圈、預(yù)置多寄存器和詢(xún)問(wèn)診斷。

Modbus規(guī)定了兩種字符傳輸模式：ASCII模式和RTU(二進(jìn)制)模式。兩種傳輸模式不能混用，筆者所探討的內(nèi)容只使用 RTU模式。涉及到的控制器(或Modbus設(shè)備)存儲(chǔ)區(qū)標(biāo)識(shí)見(jiàn)表1。

表1 控制器存儲(chǔ)區(qū)標(biāo)識(shí)

(續(xù)表1)

2 Modbus通信協(xié)議

Profibus是應(yīng)用于制造業(yè)和過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域中的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。它包括3個(gè)兼容的版本：Profibus-DP、Profibus-PA和Profibus-FMS。Profibus-DP主要應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)與分散外圍設(shè)備I/O和智能現(xiàn)場(chǎng)儀表之間的高速數(shù)據(jù)通信。Profibus協(xié)議采用ISO/OSI簡(jiǎn)化模型，它使用了1、2層外加用戶(hù)接口，3～7層未加描述。這種精簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)確保高速數(shù)據(jù)傳輸。

Profibus-DP的物理層是根據(jù)EIA標(biāo)準(zhǔn)的RS-485制定。數(shù)據(jù)鏈路層描述了用于數(shù)據(jù)傳輸中報(bào)文的一般格式、安全機(jī)制和可用的傳輸服務(wù)。Profibus-DP協(xié)議的任務(wù)只是定義用戶(hù)數(shù)據(jù)怎樣通過(guò)總線從一個(gè)站傳送到另一個(gè)站。在這里，傳輸協(xié)議并沒(méi)有對(duì)所傳送的用戶(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。直接數(shù)據(jù)鏈路映像程序(DDLM)提供對(duì)第二層的訪問(wèn)。在用戶(hù)接口中規(guī)定了PROFIBUS-DP設(shè)備的應(yīng)用功能，以及各種類(lèi)型的系統(tǒng)和設(shè)備的行為特性。

3 通信協(xié)議轉(zhuǎn)換原理

Profibus是開(kāi)放的、與制造商無(wú)關(guān)、無(wú)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)。原則上，Profibus協(xié)議在任何微處理器上都可以實(shí)現(xiàn)。通信速度超過(guò)500kbps時(shí)，推薦使用協(xié)議專(zhuān)用芯片(ASIC)。由于Profibus協(xié)議復(fù)雜，專(zhuān)用芯片的使用也可以使Profibus-DP總線設(shè)備的開(kāi)發(fā)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(xié)議集成在芯片中，可獨(dú)立完成全部Profibus-DP通信功能，加速了通信協(xié)議的執(zhí)行。SPC3還提供格式化的用戶(hù)數(shù)據(jù)接口，源碼提供的固態(tài)程序使用戶(hù)易于訪問(wèn)這些接口。Modbus協(xié)議也是完全開(kāi)放的，與Profibus相比Modbus協(xié)議要簡(jiǎn)單得多，不需用協(xié)議芯片實(shí)現(xiàn)。

PB-B-Modbus/232/485/V32是智能型Profibus到Modbus-232/485的協(xié)議轉(zhuǎn)換接口。在接口RAM 中建立了Profibus到Modbus映射數(shù)據(jù)區(qū)，由軟件實(shí)現(xiàn)Profibus和Modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)交換。圖1是PB-B-Modbus/485/V32 硬件結(jié)構(gòu)圖。圖1中SPC3是西門(mén)子公司的Profibus通信協(xié)議芯片。Profibus Interface是Profibus標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)電路，由光隔和RS485 驅(qū)動(dòng)組成。CPU通過(guò)對(duì)SPC3控制實(shí)現(xiàn)Profibus的通信，并在 RAM中建立Profibus通信數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。另一方面，通過(guò) RS232 Interface 實(shí)現(xiàn)和外部Modbus現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的通信，同樣在 RAM 中建立Modbus通信緩沖區(qū)。CPU通過(guò)兩個(gè)通信緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)Profibus到Modbus的通信。

圖1 PB-B-Modbus/485/V32 硬件結(jié)構(gòu)示意圖

4 與Profibus的連接

在 PLC 為主站的Profibus系統(tǒng)中，PB-B-MS/V32 總線橋是Profibus從站。另外一側(cè)PB-B-MS/V32通過(guò) RS232/485與Modbus設(shè)備連接，是一個(gè)Modbus設(shè)備的從站(等待接收Modbus主站設(shè)備發(fā)送的Modbus通信報(bào)文并回答)。PLC 為主站的Profibus系統(tǒng)中使用 PB-B-MS/V32 將Modbus主站設(shè)備或一個(gè)Modbus局域網(wǎng)連接到Profibus上。

在Step7的硬件組態(tài)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(gè)字節(jié)輸入，用作通信狀態(tài)字status，本例中占用Profibus輸入地址I1。1#槽是一個(gè)字節(jié)輸出，用作通信控制字control。本例中占用Profibus輸出地址Q(chēng)1。PB-B-MS/V32有 0#～19#共20個(gè)槽(邏輯上，非物理設(shè)備)。0#、1#槽已占用，剩下18個(gè)槽提供用戶(hù)使用，建立一個(gè)Profibus輸入/輸出與Modbus存儲(chǔ)區(qū)對(duì)應(yīng)關(guān)系表。每個(gè)槽是關(guān)系表的一項(xiàng)；所以該關(guān)系表最多有18項(xiàng)。在Hardwarecatalog 中打開(kāi) PB-B-MS/V32 目錄, PB-B-MS/V32 下每一個(gè)模塊可以作為關(guān)系表中的一項(xiàng), 雙擊可插入在某一個(gè)槽中。

圖2 PB-B-MS/V32 的硬件配置

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)Profibus與Modbus兩種總線橋接的設(shè)計(jì)，DP-Master可以對(duì)Modbus網(wǎng)絡(luò)上的站點(diǎn)透明的訪問(wèn)。解決了這兩種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互連問(wèn)題。目前該技術(shù)已在多臺(tái)快鍛機(jī)組控制系統(tǒng)中得到了有效應(yīng)用。既減少了現(xiàn)場(chǎng)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)