一、 引言
現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展,不斷促進(jìn)著自動化控制技術(shù)及設(shè)備通信技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展。當(dāng)前,PLC、DCS、智能儀表等已廣泛應(yīng)用到現(xiàn)場生產(chǎn)控制系統(tǒng)中,并發(fā)展到由上述設(shè)備相互協(xié)同、共同面向整個生產(chǎn)過程的分布式工業(yè)控制系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中,現(xiàn)場總線通信技術(shù)至關(guān)重要。本文就某水利站分布式控制系統(tǒng)項目,介紹上海泗博自動化的Modbus轉(zhuǎn)Profibus-DP協(xié)議網(wǎng)關(guān)設(shè)備的應(yīng)用。
二、 系統(tǒng)組成
1、 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)構(gòu)成如圖1,其中略去了西門子S7-300PLC之外的其它現(xiàn)場級控制設(shè)備。系統(tǒng)上位機采用橫河CS3000型DCS集散控制系統(tǒng),實現(xiàn)對整個水利項目進(jìn)行集中監(jiān)控。下位機之一采用的是西門子S7-300系列PLC,實現(xiàn)對現(xiàn)場各種智能儀表,包括現(xiàn)場電機、智能開關(guān)、變頻器、傳感器等執(zhí)行、檢測設(shè)備的啟??刂啤⑿畔⒉杉炔僮?。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
在上圖所示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,現(xiàn)場各種智能儀表(采用的是Modbus協(xié)議或者各種非標(biāo)協(xié)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(zhuǎn)Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160連接到西門子S7-300PLC。此時,網(wǎng)關(guān)PM-160在串口側(cè)的協(xié)議類型為Modbus主站或者通用模式。橫河DCS對西門子S7-300PLC的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控同樣需要使用上海泗博自動化的通用串口(Modbus/RS485/RS422/RS232)轉(zhuǎn)Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160,此時,網(wǎng)關(guān)PM-160在串口側(cè)的協(xié)議類型為Modbus從站。
2、 通信網(wǎng)絡(luò)組成
2.1 Profibus協(xié)議簡介
PROFIBUS 是目前國際上通用的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之一,以其獨特的技術(shù)特點、嚴(yán)格的認(rèn)證
規(guī)范、開放的標(biāo)準(zhǔn)、眾多廠商的支持和不斷發(fā)展的應(yīng)用行規(guī),已成為最重要的和應(yīng)用最廣泛的
現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。
PROFIBUS 現(xiàn)場總線通訊協(xié)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(yīng)用于自動化系統(tǒng)中單元級和現(xiàn)場級通信。
• PROFIBUS PA:電源和通信數(shù)據(jù)通過總線并行傳輸,主要用于面向過程自動化系統(tǒng)中單元級和現(xiàn)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(tǒng)中系統(tǒng)級和車間級的過程數(shù)據(jù)交換
其中,PROFIBUS-DP 是高速網(wǎng)絡(luò),通訊速率達(dá)到12M。PROFIBUS-DP 可以連接遠(yuǎn)程I/O、執(zhí)
行機構(gòu)、智能馬達(dá)控制器、人機界面HMI、閥門定位器、變頻器等智能設(shè)備, 一條PROFIBUS-DP 總線可以最多連接123 個從站設(shè)備。PROFIBUS-DP 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是總線型、星型和樹型,通訊介質(zhì)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(yuǎn)通訊距離可達(dá)1.2 公里,最多可以采用9 個中繼器,最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)9 公里。采用光纖時,最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)100 公里以上,其中采用多膜光纖,兩點間最遠(yuǎn)距離可達(dá)3 公里,采用單膜光纖時,兩點間最遠(yuǎn)距離可達(dá)3 公里。
2.2 Modbus協(xié)議簡介
Modbus協(xié)議是一種適用于工業(yè)控制領(lǐng)域的主從式串口通訊協(xié)議,它采用查詢通訊方式進(jìn)行主從設(shè)備的信息傳輸,可尋址1-247個設(shè)備地址范圍。協(xié)議包括廣播查詢和單獨設(shè)備查詢兩種方式,二者區(qū)別就是廣播查詢不需要從設(shè)備回應(yīng)信息,主、從設(shè)備查詢通訊過程見圖2:
圖2 Modbus主、從設(shè)備查詢響應(yīng)
Modbus協(xié)議常用功能碼如圖3所示:
圖3 Modbus協(xié)議常用功能碼
Modbus協(xié)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(shù)據(jù),所以工業(yè)網(wǎng)絡(luò)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(jié)束標(biāo)志。信息幀所有字符位由16進(jìn)制字符0-9、A-F組成。
Modbus RTU通訊協(xié)議幀結(jié)構(gòu):
圖5 RTU通訊協(xié)議幀格式
Modbus RTU方式主站讀取從站寄存器數(shù)據(jù)示例:主設(shè)備查詢。
圖6 主設(shè)備查詢格式#p#分頁標(biāo)題#e#
Modbus RTU方式主站讀取從站寄存器數(shù)據(jù)示例:從設(shè)備響應(yīng)。
圖7 從設(shè)備響應(yīng)格式
2.3 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成及硬件介紹
如圖1所示,在該系統(tǒng)設(shè)計中有兩個網(wǎng)絡(luò)使用了上海泗博自動化的Modbus轉(zhuǎn)Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160。網(wǎng)關(guān)在這兩個網(wǎng)絡(luò)中的作用不一樣,其中:
在上層網(wǎng)絡(luò)中(建立西門子S7-300PLC和橫河DCS連接通信),Modbus轉(zhuǎn)Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160在Modbus側(cè)做Modbus從站,在Profibus-DP側(cè)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(shù)據(jù)容量為4000字。通過上海泗博自動化的網(wǎng)關(guān)配置軟件對PM-160進(jìn)行相關(guān)配置,將DCS的讀、寫指令及數(shù)據(jù)做相應(yīng)轉(zhuǎn)換、存儲,并映射到西門子PLC的輸入、輸出映像區(qū),以實現(xiàn)對上下位機控制信息的實時傳輸。
在下層網(wǎng)絡(luò)中(建立西門子S7-300PLC和現(xiàn)場智能儀表的連接通信),Modbus轉(zhuǎn)Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160在Modbus側(cè)做Modbus主站,在Profibus-DP側(cè)做從站,建立Modbus從站(現(xiàn)場各種智能儀表(現(xiàn)場電機、智能開關(guān)、變頻器、傳感器等))與Profibus-DP主站(西門子S7-300PLC)的通信。串口網(wǎng)絡(luò)(現(xiàn)場智能儀表)設(shè)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(zhuǎn)Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160實現(xiàn)與西門子S7-300PLC的連接通信。其中,通過使用網(wǎng)關(guān)的配套配置軟件對PM-160進(jìn)行相關(guān)配置,將需要采集的從站設(shè)備信息通過網(wǎng)關(guān)讀、寫命令及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、存儲,映射到西門子PLC的輸入、輸出映射區(qū),以實現(xiàn)PLC對現(xiàn)場智能儀表數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控。
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