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)場總線協(xié)議，并探討了兩種現(xiàn)場總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換方法。

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

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)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(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。但現(xiàn)場總線協(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)場總線控制系統(tǒng)的集成帶來了很大困難，另一方面也給現(xiàn)場總線技術(shù)的推廣和應(yīng)用帶來了不利影響。目前國內(nèi)快鍛機(jī)組電控系統(tǒng)大多采用Modbus和Profibus兩種總線。筆者通過對這兩種總線之間協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)的探討，研究不同現(xiàn)場總線之間的集成問題。

1 Modbus通信協(xié)議

Modbus 協(xié)議主要用于控制器之間的通信。通過此協(xié)議，兩個控制器相互之間或控制器通過網(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)。如果按照國際ISO/OSI 的七層網(wǎng)絡(luò)模型來說，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)定了基于站號識別、主/從方式的介質(zhì)訪問控制；應(yīng)用層規(guī)定了信息規(guī)范(或報文格式)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。主站主動發(fā)送報文,只有與主站發(fā)送報文中呼叫地址相同的從站才向主站發(fā)送回答報文。報文以0地址發(fā)送時為廣播模式，無需從站應(yīng)答，可作為廣播報文發(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)置多寄存器和詢問診斷。

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)存儲區(qū)標(biāo)識見表1。

表1 控制器存儲區(qū)標(biāo)識

(續(xù)表1)

2 Modbus通信協(xié)議

Profibus是應(yīng)用于制造業(yè)和過程自動化領(lǐng)域中的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。它包括3個兼容的版本：Profibus-DP、Profibus-PA和Profibus-FMS。Profibus-DP主要應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)與分散外圍設(shè)備I/O和智能現(xiàn)場儀表之間的高速數(shù)據(jù)通信。Profibus協(xié)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(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)只是定義用戶數(shù)據(jù)怎樣通過總線從一個站傳送到另一個站。在這里，傳輸協(xié)議并沒有對所傳送的用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行評價。直接數(shù)據(jù)鏈路映像程序(DDLM)提供對第二層的訪問。在用戶接口中規(guī)定了PROFIBUS-DP設(shè)備的應(yīng)用功能，以及各種類型的系統(tǒng)和設(shè)備的行為特性。

3 通信協(xié)議轉(zhuǎn)換原理

Profibus是開放的、與制造商無關(guān)、無知識產(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現(xiàn)。通信速度超過500kbps時，推薦使用協(xié)議專用芯片(ASIC)。由于Profibus協(xié)議復(fù)雜，專用芯片的使用也可以使Profibus-DP總線設(shè)備的開發(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數(shù)據(jù)接口，源碼提供的固態(tài)程序使用戶易于訪問這些接口。Modbus協(xié)議也是完全開放的，與Profibus相比Modbus協(xié)議要簡單得多，不需用協(xié)議芯片實現(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是西門子公司的Profibus通信協(xié)議芯片。Profibus Interface是Profibus標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動電路，由光隔和RS485 驅(qū)動組成。CPU通過對SPC3控制實現(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 RS232 Interface 實現(xiàn)和外部Modbus現(xiàn)場設(shè)備的通信，同樣在 RAM 中建立Modbus通信緩沖區(qū)。CPU通過兩個通信緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)交換，實現(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 RS232/485與Modbus設(shè)備連接，是一個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#槽是一個字節(jié)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(shè)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(qū)對應(yīng)關(guān)系表。每個槽是關(guān)系表的一項；所以該關(guān)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(guān)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(jié)束語

通過對Profibus與Modbus兩種總線橋接的設(shè)計，DP-Master可以對Modbus網(wǎng)絡(luò)上的站點透明的訪問。解決了這兩種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互連問題。目前該技術(shù)已在多臺快鍛機(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)