一、 引言
現代工業的迅速發展，不斷促進著自動化控制技術及設備通信技術創新的發展。當前，PLC、DCS、智能儀表等已廣泛應用到現場生產控制系統中，并發展到由上述設備相互協同、共同面向整個生產過程的分布式工業控制系統。在此系統中，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項目，介紹上海泗博自動化的Modbus轉Profibus-DP協議網關設備的應用。
二、 系統組成
1、 系統結構
本系統構成如圖1，其中略去了西門子S7-300PLC之外的其它現場級控制設備。系統上位機采用橫河CS3000型DCS集散控制系統，實現對整個水利項目進行集中監控。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、傳感器等執行、檢測設備的啟停控制、信息采集等操作。
圖1 系統結構
在上圖所示系統結構中，現場各種智能儀表（采用的是Modbus協議或者各種非標協議，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在串口側的協議類型為Modbus從站。
2、 通信網絡組成
2.1 Profibus協議簡介
PROFIBUS 是目前國際上通用的現場總線標準之一，以其獨特的技術特點、嚴格的認證
規范、開放的標準、眾多廠商的支持和不斷發展的應用行規，已成為最重要的和應用最廣泛的
現場總線標準。
PROFIBUS 現場總線通訊協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中系統級和車間級的過程數據交換
其中，PROFIBUS-DP 是高速網絡，通訊速率達到12M。PROFIBUS-DP 可以連接遠程I/O、執
行機構、智能馬達控制器、人機界面HMI、閥門定位器、變頻器等智能設備， 一條PROFIBUS-DP 總線可以最多連接123 個從站設備。PROFIBUS-DP 的拓撲結構可以是總線型、星型和樹型，通訊介質可以是屏蔽雙絞線、光纖，也支持紅外傳輸，采用雙絞線時，不加中繼器最遠通訊距離可達1.2 公里，最多可以采用9 個中繼器，最遠通訊距離可達9 公里。采用光纖時，最遠通訊距離可達100 公里以上，其中采用多膜光纖，兩點間最遠距離可達3 公里，采用單膜光纖時，兩點間最遠距離可達3 公里。
2.2 Modbus協議簡介
Modbus協議是一種適用于工業控制領域的主從式串口通訊協議，它采用查詢通訊方式進行主從設備的信息傳輸，可尋址1-247個設備地址范圍。協議包括廣播查詢和單獨設備查詢兩種方式，二者區別就是廣播查詢不需要從設備回應信息，主、從設備查詢通訊過程見圖2：
圖2 Modbus主、從設備查詢響應
Modbus協議常用功能碼如圖3所示：
圖3 Modbus協議常用功能碼
Modbus協議有兩種傳輸模式：ASCII模式和RTU模式。同波特率下，RTU模式較ASCII模式能傳輸更多的數據，所以工業網絡大都采用RTU模式。RTU模式下的信息傳輸報文格式如圖4：
圖4 Modbus RTU信息報文格式
它沒有起始位和停止位，而是由至少3.5個字符間隔時間作為信息的起始和結束標志。信息幀所有字符位由16進制字符0-9、A-F組成。
Modbus RTU通訊協議幀結構：
圖5 RTU通訊協議幀格式
Modbus RTU方式主站讀取從站寄存器數據示例：主設備查詢。
圖6 主設備查詢格式#p#分頁標題#e#
Modbus RTU方式主站讀取從站寄存器數據示例：從設備響應。
圖7 從設備響應格式
2.3 網絡構成及硬件介紹
如圖1所示，在該系統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，該通信模塊最大通信數據容量為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，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，以實現PLC對現場智能儀表數據的采集和監控。
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