Profibus与Modbus总线协议转换的研究与应用

潘兆楠

(兰州兰石重工有限公司)

Profibus与Modbus总线协议转换的研究与应用

潘兆楠*

(兰州兰石重工有限公司)

介绍了Profibus和Modbus两种现场总线协议，并探讨了两种现场总线协议的转换方法。

快锻机组 现场总线 Profibus Modbus 协议转换

现场总线控制系统由于其开放性、分散性和完全可互操作性的特点，正成为未来新型工业控制系统的发展方向。但现场总线协议标准众多且通信协议差异很大，互不兼容，给现场总线控制系统的集成带来了很大困难，另一方面也给现场总线技术的推广和应用带来了不利影响。目前国内快锻机组电控系统大多采用Modbus和Profibus两种总线。笔者通过对这两种总线之间协议转换技术的探讨，研究不同现场总线之间的集成问题。

1 Modbus通信协议

Modbus 协议主要用于控制器之间的通信。通过此协议，两个控制器相互之间或控制器通过网络(如以太网)和其他设备之间进行通信。目前有很多设备采用Modbus的通信协议标准。如果按照国际ISO/OSI 的七层网络模型来说，标准Modbus协议定义了通信物理层、链路层和应用层。物理层定义了基于 RS232 和 RS485 的异步串行通信规范；链路层规定了基于站号识别、主/从方式的介质访问控制；应用层规定了信息规范(或报文格式)及通信服务功能。

目前很多Modbus设备应用都是基于RS232/485，也有变化的Modbus网络通信，只使用Modbus的应用层(信息规范)，而底层使用其他通信协议。如：底层使用以太网+TCP/IP 的Modbus网络通信和底层使用无线扩频通信Modbus网络等等。

Modbus是主/从通信协议。主站主动发送报文,只有与主站发送报文中呼叫地址相同的从站才向主站发送回答报文。报文以0地址发送时为广播模式，无需从站应答，可作为广播报文发送，包括：修改线圈状态、修改寄存器内容、强置多线圈、预置多寄存器和询问诊断。

Modbus规定了两种字符传输模式：ASCII模式和RTU(二进制)模式。两种传输模式不能混用，笔者所探讨的内容只使用 RTU模式。涉及到的控制器(或Modbus设备)存储区标识见表1。

表1 控制器存储区标识

(续表1)

2 Modbus通信协议

Profibus是应用于制造业和过程自动化领域中的现场总线标准。它包括3个兼容的版本：Profibus-DP、Profibus-PA和Profibus-FMS。Profibus-DP主要应用于自动控制系统与分散外围设备I/O和智能现场仪表之间的高速数据通信。Profibus协议采用ISO/OSI简化模型，它使用了1、2层外加用户接口，3～7层未加描述。这种精简的结构确保高速数据传输。

Profibus-DP的物理层是根据EIA标准的RS-485制定。数据链路层描述了用于数据传输中报文的一般格式、安全机制和可用的传输服务。Profibus-DP协议的任务只是定义用户数据怎样通过总线从一个站传送到另一个站。在这里，传输协议并没有对所传送的用户数据进行评价。直接数据链路映像程序(DDLM)提供对第二层的访问。在用户接口中规定了PROFIBUS-DP设备的应用功能，以及各种类型的系统和设备的行为特性。

3 通信协议转换原理

Profibus是开放的、与制造商无关、无知识产权保护的标准。原则上，Profibus协议在任何微处理器上都可以实现。通信速度超过500kbps时，推荐使用协议专用芯片(ASIC)。由于Profibus协议复杂，专用芯片的使用也可以使Profibus-DP总线设备的开发周期大大缩短。DP从站功能最常用的ASIC是SIEMENS公司的SPC3。SPC3将完整的Profibus-DP协议集成在芯片中，可独立完成全部Profibus-DP通信功能，加速了通信协议的执行。SPC3还提供格式化的用户数据接口，源码提供的固态程序使用户易于访问这些接口。Modbus协议也是完全开放的，与Profibus相比Modbus协议要简单得多，不需用协议芯片实现。

PB-B-Modbus/232/485/V32是智能型Profibus到Modbus-232/485的协议转换接口。在接口RAM 中建立了Profibus到Modbus映射数据区，由软件实现Profibus和Modbus协议转换及数据交换。图1是PB-B-Modbus/485/V32 硬件结构图。图1中SPC3是西门子公司的Profibus通信协议芯片。Profibus Interface是Profibus标准驱动电路，由光隔和RS485 驱动组成。CPU通过对SPC3控制实现Profibus的通信，并在 RAM中建立Profibus通信数据缓冲区。另一方面，通过 RS232 Interface 实现和外部Modbus现场设备的通信，同样在 RAM 中建立Modbus通信缓冲区。CPU通过两个通信缓冲区的数据交换，实现Profibus到Modbus的通信。

图1 PB-B-Modbus/485/V32 硬件结构示意图

4 与Profibus的连接

在 PLC 为主站的Profibus系统中，PB-B-MS/V32 总线桥是Profibus从站。另外一侧PB-B-MS/V32通过 RS232/485与Modbus设备连接，是一个Modbus设备的从站(等待接收Modbus主站设备发送的Modbus通信报文并回答)。PLC 为主站的Profibus系统中使用 PB-B-MS/V32 将Modbus主站设备或一个Modbus局域网连接到Profibus上。

在Step7的硬件组态中添加PB-B-MS/V32 总线桥，如图2所示从 PB-B-MS/V32 的硬件配置中可以看到，0#、1#槽被接口占用。0#槽是一个字节输入，用作通信状态字status，本例中占用Profibus输入地址I1。1#槽是一个字节输出，用作通信控制字control。本例中占用Profibus输出地址Q1。PB-B-MS/V32有 0#～19#共20个槽(逻辑上，非物理设备)。0#、1#槽已占用，剩下18个槽提供用户使用，建立一个Profibus输入/输出与Modbus存储区对应关系表。每个槽是关系表的一项；所以该关系表最多有18项。在Hardwarecatalog 中打开 PB-B-MS/V32 目录, PB-B-MS/V32 下每一个模块可以作为关系表中的一项, 双击可插入在某一个槽中。

图2 PB-B-MS/V32 的硬件配置

5 结束语

通过对Profibus与Modbus两种总线桥接的设计，DP-Master可以对Modbus网络上的站点透明的访问。解决了这两种异构网络的互连问题。目前该技术已在多台快锻机组控制系统中得到了有效应用。既减少了现场布线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，工程师。甘肃省兰州市，730050。

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0254-6094(2015)01-0151-03

2014-07-10)