MODBUS通讯和PROFIBUS现场总线在地铁直流牵引配电系统中的应用

摘 要 本文主要介绍了MODBUS通讯和PROFIBUS现场总线的相关理论知识和在实际工程中的应用，并阐述了在同一个工程中，这两种工业通讯相结合同时使用的情况，设计了一个完整的地铁直流牵引配电系统的通讯系统，详述了此通讯系统的硬件组成和实现原理，给出了底层通讯站点与上位系统SCADA通讯的实现方法，解决了通信程序设计中的关键问题，验证了系统的可靠性和通信性能。

关键词 MODBUS；PROFIBUS；PLC；工业通信；通讯协议；

中图分类号TN91 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）93-0153-02

0 引言

MODBUS是一种标准、开放的协议，Modbus的帧格式简单、紧凑，通俗易懂，可以支持多种电气接口，具有MODBUS接口的电子仪器可以很方便的进行组态，在同一个网络中要求各终端设备波特率，校验方式一致，地址唯一。MODBUS在国内工业通讯领域用途甚广。

PROFIBUS，是一种国际化.开放式.不依赖于设备生产商的现场总线标准。Profibus的传输速率为9.6K～12Mbps，最大传输距离在9.6K～187.5Kbps时为1000m，500Kbps时为400m，1500Kbps时为200m，3000K～12000Kbps时为100m，可用中继器延长至10km。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接127个站点。PROFIBUS可实现数字和模拟输入/输出模块、智能信号装置和过程调节装、PLC、PC机之间的数据传输，可把I/O通道分散到现场设备附近，可减少系统工程费用，装配费用，硬件成本调试成本，被广泛应用于电力输送，过程自动化，楼宇自动化，制造业自动化等领域。PROFIBUS系统的安全、可靠性好，故障停机时间少，系统维护、设备更换和系统扩充方便，用户对系统配置、设备选型有较大的自。

在实际工程应用中，电气工程师在一个项目里往往会遇到不同厂家，不同功能的控制设备，那么如何经济地，可靠地把不同厂家，不同功能的控制设备集成到一个通讯网络中，并且要求安装方便，编程简单，那就成为一个至关重要的技术问题！

1 本通讯系统的硬件设备

1）SCADA数据采集与监视控制系统，此装置安装在变电所

2）意大利MS公司的直流继电保护装置：U-MLE-Ts，此装置安装在馈线柜，可为地铁直流牵引配电系统提供以下功能

（1）馈线段直流供电保护，例如热过负荷，一段过流，二段过流，电流增量，电流上升率，欠压保护等；

（2）逻辑控制；

（3） 故障记录；

（4） MODBUS RTU通信。

3）德国西门子公司的S7-300 PLC： CPU 313C-2 DP ， 此装置安装在进线柜和负极柜

（1）进线柜的S7-300 PLC可为地铁直流牵引配电系统提供以下功能

①进线段直流供电保护，例如过流，反流保护等；

②故障记录；

③逻辑控制；

④PROFIBUS通信。

（2）负极柜的S7-300 PLC可为地铁直流牵引配电系统提供以下功能

①框架保护；

② 逻辑控制；

③PROFIBUS通信。

4）德国西门子公司的S7-200 PLC： CPU 226 CN此装置安装在钢轨电位限制柜，可为地铁直流牵引配电系统提供以下功能

（1） 轨道电压限制保护；

（2）逻辑控制；

（3）MODBUS RTU通信。

2 通信网络的集成的关键技术问题分析：

SCADA数据采集与监视控制系统、意大利MS公司的直流继电保护装置：U-MLE-Ts、西门子S7-200 PLC：CPU 226 CN均支持MODBUS RTU通信，在不增加硬件成本的前提下，这三种装置设备可构成一个MODBUS RTU通信系统，但西门子S7-300 PLC： CPU 313C-2 DP本体不支持MODBUS RTU通信，如果要集成到此MODBUS RTU通信系统的话，则需要每台S7-300 PLC： CPU 313C-2 DP增加一个串行通讯模块CP 341（如右图），如果按常规的做法，一个变电所的直流牵引配电系统中就要增加3个CP 341模块，但此模块价格昂贵，因此我们最终确定只在202进线柜的S7-300 PLC的底板扩展总线增加1个CP 341模块，以此为三台本体不支持MODBUS RTU通信的S7-300 PLC集成到MODBUS RTU通信系统中去。

具体实现方法是：系统网络分两层。

第一层是PROFIBUS网络： 201进线柜和负极柜做PROFIBUS从站，202进线柜做PROFIBUS主站，PROFIBUS网络1主站2从站。

第二层是MODUBUS RTU网络： 安装在202进线柜的PLC通讯模块CP341 做MODBUS 网络的从站，SCADA系统 做MODBUS 网络主站 ，MODUBUS RTU网络1主站7从站。在PROFIBUS 网络中，202进线柜PROFIBUS主站收集201进线柜PROFIBUS从站和负极柜PROFIBUS从站的信息，并把信息映射在202进线柜S7-300 PLC的保持存储区中，然后通过编程使插在202进线柜S7-300PLC 底板扩展总线的CP341通讯模块访问PLC保持存储区， 同时SCADA也可以通过CP341通讯模块发信息到202进线柜PROFIBUS主站，然后主站再通过PROFIBUS的映射功能发给各从站，202进线柜PROFIBUS主站起传输枢纽的作用。

在MODUBUS RTU 网络中 SCADA与CP341通讯模块交换信息，根据MODBUS存储区与PLC存储器的对应关系，在PLC内部相应编程对应的存储器，即能间接与SCADA通讯。

1）202进线柜S7-300 PLC双层网络编程方法如下：

以上PROFIBUS编程对应的PLC映射存储区地址：

2）钢轨电位限制柜S7-200 PLCMODBUS RTU编程方法如下：

3）直流继电保护装置 U-MLE-Ts MODBUS RTU编程方法如下：

3 MODBUS RTU通讯的验证

可使用Modbus协议测试软件，根据MODBUS RTU协议，数据帧结构为

8Bit地址 8Bit功能码 nX8Bit数据 16BitCRC校验码

当数据帧到达被寻址的终端设备时，网络中唯一从站地址的终端根据功能码，作出相应的应答，就好像两人交谈一样一问一答，两者的语言就是通讯协议，两者谈话内容就是特定格式的报文，提问就是MODBUS功能码，如下图的实验数据

参考文献

[1]罗红福.profibus-dp现场总线工程应用实例解析[J].中国电力出版社.

[2]廖常初.PLC编程及应用[J].机械工业出版社.