工业现场网络通信技术应用及实践 课件 傅仁轩 项目2、3 Profibus网络控制系统构建、Modbus 网络控制系统构

1项目2：Profibus网络控制系统

构建与运行任务3-S7-1200与S7-1500之间的

Profibus控制系统构建与运行任务1-

Profibus现场总线认知任务2-S7-1200PLC之间的

Profibus控制系统构建与运行22.1.1

Profibus现场总线认知2.1.2Profibus传输技术2.1.3PROFIBUS-DP系统配置和设备类型项目2：Profibus网络控制系统

构建与运行任务2-1

Profibus现场总线认知2.1.1

PROFIBUS现场总线认知1、概述作用：Profibus是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场通信网络，可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制，为实现工厂自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。适用行业：制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化。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。2、PROFIBUS分类由三个兼容部分组成。

PROFIBUS-DP（DistributedPeriphery，分布式外围设备）

PROFIBUS-PA(ProcessAutomation，过程自动化)

PROFIBUS-FMS(FieldbusMessageSpecification，现场总线报文规范)。主要使用主-从方式通常周期性地与传动装置进行数据交换。2.1.1

PROFIBUS现场总线认知3、PROFIBUS的通信协议PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际标准，以开放式系统互联网络（OpenSystemInterconnection-OSI）作为参考模型的。该模型共有七层：（1）PROFIBUS–DP：定义了第一、二层和用户接口。第三到七层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUS－DP设备的设备行为。PROFIBUS–DP是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。使用PROFIBUS－DP可取代24VDC或4－20mA信号传输2.1.1

PROFIBUS现场总线认知3、PROFIBUS的通信协议PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际标准，以开放式系统互联网络（OpenSystemInterconnection-OSI）作为参考模型的。该模型共有七层：2.1.1

PROFIBUS现场总线认知3、PROFIBUS的通信协议（3）PORFIBUS－PA：根据IEC1158－2标准，PA的传输技术可确保其本征安全性，而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在DP上扩展PA网络。PORFIBUS－PA专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际标准，以开放式系统互联网络（OpenSystemInterconnection-OSI）作为参考模型的。该模型共有七层：2.1.1

PROFIBUS现场总线认知4、PROFIBUS的数据链路层PROFIBUS-DP、FMS、PA均采用一样的总线存取控制技术，通过OSI参考模型第2层（数据链路层）来实现的，它包括保证数据可靠性技术及传输协议和报文处理。在PROFIBUS中，第2层称之为现场总线数据链路层（FDL，FieldbusDataLink）。介质存取控制（MAC，MediumAccessControl）具体控制数据传输的程序，MAC必须确保在任何一个时刻只有一个站点发送数据。2.1.1

PROFIBUS现场总线认知4、PROFIBUS的数据链路层

PROFIBUS主站之间采用令牌传送方式，

主站与从站之间采用主从方式。

令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权（令牌），令牌在所有主站中循环一周的最长时间是事先规定的。在PROFIBUS中，令牌传递仅在各主站之间进行。主站得到总线存取令牌时可依照：主-从通信关系表与所有从站通信，向从站发送或读取信息。主-主通信关系表与所有主站通信。2.1.1

PROFIBUS现场总线认知2.1.2

PROFIBUS传输技术

PROFIBUS提供了三种数据传输类型：

1.用于DP和FMS的RS485传输。

2.用于PA的IEC1158-2传输。

3.光纤1.用于DP/FMS的RS485传输技术

由于DP与FMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而，这两套系统可在同一根电缆上同时操作。

RS-485传输是PROFIBUS最常用的一种传输技术。采用的电缆是屏蔽双绞铜线。2.RS485的传输过程

Profibus的连接器上除了有一个220欧姆（Ω）的终端电阻外，还包括一个390欧姆（Ω）的上拉电阻和一个390欧姆（Ω）的下拉电阻。其中，上拉电阻（390Ω）与针脚6（VP，+5V）相连接，下拉电阻（390Ω）与针脚5（GND，0V）相连接，终端电阻（220Ω）通过总线连接器的开关与其它两个电阻相连在Profibus的网络中，上拉电阻和下拉电阻作为终端电阻的补充，可以保证在没有数据传输的时候，两根数据线之间的电压差趋于一个固定值，从而消除干扰数据。2.RS485的传输过程

下图是带终端电阻的Profibus总线拓扑结构图：2.RS485的传输过程

·站点数：每分段32个站（不带中继），可多到126（127广播地址）个站（带中继）3.用于PA的IEC1158-2传输技术

IEC1l58-2的传输技术用于PROFIBUS-PA，能满足化工和石油化工业的要求。它可保持其本质安全性，并通过总线对现场设备供电。IEC1158-2是一种位同步协议，可进行无电流的连续传输，通常称为H1

IEC1158－2原理：①．每段只有一个电源作为供电装置。②．当站收发信息时，不向总线供电。③．每站现场设备所消耗的为常量稳态基本电流。④．现场设备其作用如同无源的电流吸收装置。⑤．主总线两端起无源终端线作用。⑥．允许使用线性．树型和星型网络。⑦．为提高可靠性，设计时可采用冗余的总线段。⑧．为了调制的目的，假设每个部线站至少需用10mA基本电流才能使设备启动。通信信号的发生是通过发送设备的调制，从±9mA到基本电流之间。3.用于PA的IEC1158-2传输技术

IEC1158－2传输技术特性：①．数据传输：数字式．位同步．曼彻斯特编码。②．传输速率：31.25Kbit/s，电压式。③．数据可靠性：前同步信号,采用起始和终止限定符避免误差。④．电缆：双绞线，屏蔽式或非屏蔽式。⑤．远程电源供电：可选附件，通过数据线。⑥．防爆型：能进行本征及非本征安全操作。⑦．拓扑：线型或树型，或两者相结合。⑧．站数：每段最多32个，总数最多为126个。⑨．中继器：最多可扩展至4台。4.光纤传输技术

PROFIBUS系统在电磁干扰很大的环境下应用时，可使用光纤导体，以增加高速传输的距离。许多厂商提供专用总线插头，将RS-485信号转换成光纤导体信号或将光纤导体信号转换成RS-485信号。两种光纤导体：一种是价格低廉的塑料纤维导体，距离小于50m；另一种是玻璃纤维导体，距离小于1km。单模光纤（SMF）单模光纤运行在100M/s或1G/s的数据速率，传输距离都可以达到至少15km。单模光纤用于远程信号传输。

多模光纤（MMF）主要用于短距离的光纤通信，如在建筑物内或校园里。典型的传输速度是100M/s，传输距离，1G/s可达1000m，10G/s可达550m。2.1.3PROFIBUS系统配置和设备类型1.设备分类(2)单一总线型:(3)混合型：(1)总线接口型:根据现场设备是否具备Profibus接口可分为三种形式：2.1.3PROFIBUS系统配置和设备类型1.设备分类根据现场设备是否具备Profibus接口可分为三种形式：(1)总线接口型:现场设备不具备Profibus接口，采用分散式I/O作为总线接口与现场设备连接。2.1.3PROFIBUS系统配置和设备类型1.设备分类根据现场设备是否具备Profibus接口可分为三种形式：(2)单一总线型:现场设备都具备Profibus接口。这种一种理想情况。可使用现场总线技术，实现完全的分布式结构，可充分获得这一先进技术所带来的利益。新建项目可能具有这种条件，就目前来看，这种方案设备成本会较高2.1.3PROFIBUS系统配置和设备类型1.设备分类根据现场设备是否具备Profibus接口可分为三种形式：(3)混合型：现场设备部分具备Profibus接口。这将是一种相当普遍的情况。2.1.3PROFIBUS系统配置和设备类型1.设备分类(2)2类主站（DPM2）:(3)从站：(1)1类主站（DPM1）:根据现场设备在控制系统中的作用可分为三种形式：2.1.3PROFIBUS系统配置和设备类型

1)一级DP主站（DPM1）：

一级DP主站是中央控制器，

它在预定的信息周期内与分散的站（如DP从站）交换信息。典型的DPM1如PLC或PC1.设备分类2)二级DP主站（DPM2）：二级DP主站是编程器、组态设备或操作面板，在DP系统组态操作时使用，完成系统操作和监视目的。

3)DP从站：DP从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备（I/O设备、驱动器、HMI、阀门等）。

2.1.3PROFIBUS系统配置和设备类型在同一总线上最多可连接126（127广播地址）个站点。系统配置的描述包括：站数站地址输入/输出地址输入/输出数据格式等。2、PROFIBUS控制系统配置任务2-S7-1200PLC之间的Profibus控制系统构建与运行项目2：Profibus网络控制系统

构建与运行2.2.1Profibus-DP系统的网络结构Profibus-DP用于现场设备级的高速数据传送。在同一总线上最多可连接126（127广播地址）个站点。系统配置包括：站数、站地址、输入/输出地址、输入/输出数据格式、诊断信息格式及所使用的总线参数。Profibus-DP系统的网络有单主站系统和多主站系统。Profibus-DP单主站系统中，在总线系统运行阶段，只有一个活动主站，右图所示为Profibus-DP单主站系统网络结构图，PLC作为主站。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。任务2-S7-1200PLC之间的Profibus控制系统构建与运行项目2：Profibus网络控制系统

构建与运行Profibus-DP多主站系统中总线上连有多个主站。总线上的主站与各自从站构成相互独立的子系统，如图所示为Profibus-DP多主站系统网络结构图，任何一个主站均可读取DP从站的输入／输出映像，但只有一个DP主站允许对DP从站写入数据。任务2-S7-1200PLC之间的Profibus控制系统构建与运行项目2：Profibus网络控制系统

构建与运行Profibus-DP的数据通信分为4个阶段：主从站的初始化、令牌环的建立、主站与从站通信的初始化、交换用户数据通信。

2.2.2Profibus-DP系统的工作过程任务2-S7-1200PLC之间的Profibus控制系统构建与运行项目2：Profibus网络控制系统

构建与运行2.2.3S7-1200Profibus-DP

电气连接及特性数据特性数据参数传输速率9.6Kbps到12MbpsPROFIBUSDP地址范围0到126（127广播地址）

0一般用于编程设备

1一般用于操作员站；

126为不具有开关设置，必须通过网络重新寻址的出厂设备保留；

126（127广播地址）

用于广播；

DP设备的有效地址范围是2到125S7-1200DP主站数据区的大小最大1024字节

输入区最大512字节，输出区最大512字节。S7-1200DP从站数据区的大小输入区最大240字节，输出区最大240字节，每个DP从站的诊断数据区最大240字节。项目2：Profibus网络控制系统

构建与运行2.2.4S7-1200PLC之间的Profibus-DP控制系统构建1、控制要求采用Profibus-DP通信方式实现S7-1200和S7-1200之间的数据通信。分析：S7-1200自身不带Profibus-DP接口，但通过添加CM1243-5DP主站模块和CM1242-5DP从站模块构建Profibus-DP网络。2、系统配置系统为单主站Profibus-DP网络系统，系统配置如图所示，系统主站与从站之间通过Profibus连接，构成单主站形式的Profibus-DP网络系统。项目2：Profibus网络控制系统

构建与运行2.2.4S7-1200PLC之间的Profibus-DP控制系统构建3、系统创建过程（1）设备组态在博图软件中创建新项，添加2个S7-1215PLC，分别命名为DP主站、DP从站。（2）主站的组态（3）从站的组态（4）Profibus网络连接（5）Profibus网络数据通信区域的建立任务3S7-1200与S7-1500PLC之间的

Profibus控制系统构建与运行项目2：Profibus网络控制系统

构建与运行2）PROFIBUS通信模块CM1542-53）通信处理器CP1542-5CM1542-5/CP1542-5既可被组态为DP主站，也可被组态为DP从站，但是不能同时作为DP主站和DP从站使用。S7-1500的PROFIBUSDP通信可通过三种方式实现：1）集成DP接口的CPUCPU1516/CPU1517/CPU1518集成的PROFIBUSDP接口只能被组态为DP主站，不能被组态为DP从站。任务3S7-1200与S7-1500PLC之间的

Profibus控制系统构建与运行任务3S7-1200与S7-1500PLC之间的

Profibus控制系统构建与运行（1）打开DP主站的硬件组态界面进行下步操作任务3S7-1200与S7-1500PLC之间的

Profibus控制系统构建与运行（1）打开DP主站的硬件组态界面进行下步操作编译保存任务3S7-1200与S7-1500PLC之间的

Profibus控制系统构建与运行(2)打开DP从站的硬件组态界面操作拖动到从站硬件组态中任务3S7-1200与S7-1500PLC之间的

Profibus控制系统构建与运行(2)打开DP从站的硬件组态界面操作选择主站连接的Profibus-DP网络任务3S7-1200与S7-1500PLC之间的

Profibus控制系统构建与运行(2)打开DP从站的硬件组态界面操作任务3S7-1200与S7-1500PLC之间的

Profibus控制系统构建与运行(3)任务3S7-1200与S7-1500PLC之间的

Profibus控制系统构建与运行42项目3

Modbus网络

控制系统的构建任务1-Modbus通信认知任务2-PLC与温度控制器的Modbus通信任务3-PLC与PLC的Modbus通信43项目3

Modbus网络

控制系统的构建3.1.1Modbus总线认知3.1.2ModbusRTU通信任务3.1-Modbus通信认知3.1Modbus认知Modbus协议简介

Modbus是Modicon公司于1979年开发的一种通用串行通信协议，是国际上第一个真正用于工业控制的网络协议。由于其功能完善且使用简单、数据易于处理，因而在各种智能设备中被广泛采用，得到了诸如GE、SIEMENS等大公司的应用，并把它作为一种标准的通信接口提供给用户。3.1Modbus认知Modbus比其他通信协议使用的更广泛的主要原因有:公开发表并且无版权要求易于部署和维护对供应商来说，修改设备的比特或字节没有很多限制Modbus允许多个(大约240个)设备连接在同一个网络上进行通信举例：测量温度和湿度的装置，将结果发送给计算机。在数据采集与监视控制系统(SCADA)中，Modbus通常用来连接监控计算机和远程终端控制系统(RTU)。1）定义通讯数据单元Modbus协议是一种应用层报文传输协议（OSI模型第七层），它定义了一个与通信层无关的协议数据单元（ProtocolDataUnit，PDU），PDU=（功能码+数据域）。2）对物理端口不做具体要求

Modbus协议只定义了通讯消息的结构，对物理端口没有作具体规定，支持RS232、RS422、RS485和以太网接口，可以作为各种智能设备、仪表之间的通讯标准。1.协议特点

Modbus分为串口协议和网口协议，可用于不同的总线或网络。包括三种报文类型：RTUASCIITCP。2.总线分类2.总线分类RTUASCII串口协议Modbus通信协议有ModbusRTU，ModbusASCII，ModbusTCP

三种报文类型。RTU与ASCII均为支持RS-485总线的通信协议如0X51发送时，2种模式分别是2.总线分类RTUASCIIModbusRTU通信效率较高，应用比较广泛。ModbusASCII由于采用ASCII码传输，并且利用特殊字符作为其字节的开始与结束标识，其传输效率要远远低于ModbusRTU协议，通信效率较高，应用比较广泛通信数据量较小的情况下才考虑在工业现场一般都是采用RTU协议，大家说的基于串口通信的Modbus通信协议都是指ModbusRTU通信协议。Modbus的数据通信采用主/从方式。网络中只有一个主设备，通信采用查询-回应的方式进行，主设备初始化系统通信设置，并向从设备发送消息，从设备正确接收消息后响应主设备的查询或根据主设备的消息作出响应的动作。3.通信方式3.通信方式---原理3.通信方式---原理3.通信方式---原理

主设备初始化系统通信设置，并向从设备发送消息，从设备正确接收消息后响应主设备的查询或根据主设备的消息作出响应的动作。3.通信方式—请求-响应功能代码表示被选中的从设备要执行何种功能，例如指定的从设备地址为1，功能码为03，则含义是要求读取1#从站的多个寄存器值并返回它们的内容。数据段包括了从设备要执行功能的任何附加消息，例如从哪个寄存器地址开始读数据、要读的寄存器数量是多少个。3.通信方式3）错误检测域为从设备提供了一种

验证消息内容是否正确的方法。3.2ModbusRTU通信RTU协议由：帧头：3.5个字符地址码(一个字节），功能码（一个字节），起始地址（两个字节），数据（N个字节），校验码（两个字节）帧尾：3.5个字符五个部分组成（去掉头尾）1、RTU协议组成3.2ModbusRTU通信Modbus在串行链路上的信息帧结构如图，为了与从设备进行通讯，主设备会发送一段包含设备地址、功能代码、数据段、错误检查的信息。2、RTU协议帧结构3.2ModbusRTU通信1）地址域：信息帧的第一个字节是设备地址码，这个字节表明由用户设置地址的从机将接收由主机发送来的信息。每个从机都必须有唯一的地址码，并且只有符合地址码的从机才能响应回送；当从机回送信息时，相应的地址码表明该信息来自于何处。设备地址是一个从0～247的数字，发送给地址0的讯息可以被所有从机接收到。3.2ModbusRTU通信2）功能码：定义了从设备应该执行的命令，有些功能代码还拥有子功能代码。主机请求发送，通过功码告诉从机执行什么动作；作为从机响应，从机发送的功能码与从主机得到的功能码一样，并表明从机已响应主机进行操作。3.2ModbusRTU通信3）数据：数据区包含需要从机执行什么动作或由从机采集的返送信息，这些信息可以是数值、参考地址等；对于不同的从机，地址和数据信息都不相同。例如，功能码告诉从机读取寄存器的值，则数据区必需包含要读取寄存器的起始地址及读取长度。3.2ModbusRTU通信4）差错校验：RTU模式采用循环冗余校验码（CRC），该校验方式包含两个字节的错误检测码，由传输设备计算后加入到消息中，接收设备重新计算收到消息的CRC，并与接收到的CRC域中的值比较，如果两值不同，表明有错误。3.2ModbusRTU通信[设备地址][功能码01][起始寄存器地址高8位][低8位][读取的寄存器数高8位][低8位]

[CRC校验的低8位][CRC校验的高8位]3、RTU协议-数据帧协议中较常使用的功能码是1、2、3、4、5、6号功能码完成主站对从站的数字量和模拟量的读写操作。例：[11][01][00][13][00][25][CRC低][CRC高]主站向从站发送命令（下行指令）：(1)功能码01，读数字量寄存器(线圈状态)：3.2ModbusRTU通信

当从站接收到这串数据后，计算CRC校验，判断数据是否正确，如果判断数据无误，则返回信息给主站，返回的信息格式如下：(2)功能码03，主站对从站读数据操作主站向从站发送命令（下行指令）：01

03

0001

0001

D5CA

从机地址

功能号

数据地址

读取数据个数

CRC校验单位：字3.2ModbusRTU通信(2)功能码03，主站对从站读数据操作

01

03

02

0017

F84A

从机地址

功能号

数据字节个数

两个字节数据

CRC校验

MODBUS主站完成了一次对从站数据的读操作，从站地址0001的数据为0017，完成了通信。从站响应（上行帧）：3.2ModbusRTU通信(3)功能码06，主站对从站写数据操作主站向从站发送命令（下行指令）：01

06

0001

0017

9804

从机地址

功能号

数据地址

数据

CRC校验当从站接收到这串数据后，计算CRC校验，判断数据是否正确，如果数据无误，则结果是：

HoldDataReg[1]

=

0x0017;66项目3

Modbus网络

控制系统的构建任务1-Modbus通信认知任务2-PLC与温度控制器的Modbus通信任务3-PLC与PLC的Modbus通信67项目3

Modbus网络

控制系统的构建任务2-PLC与温度控制器的Modbus通信

主站：1215

从站：温度控制器温度控制器BAG主要任务：PLC中显示温度的数据硬件连线生成一个名为“ModbusRTU通信”的项目，主站PLC_1为1215C。

打开主站PLC_1的设备视图，将CM1241（RS485/422）模块拖放到101号槽。1、

ModbusRTU主站的硬件组态打开设备视图，添加S7-1215CPU，并在硬件目录里找到“通信模块”→“点到点”→“CM1241(RS422/485)”拖拽此模块至CPU左侧，如右图所示：1、

ModbusRTU主站的硬件组态1、

ModbusRTU主站的硬件组态在“设备视图”中用鼠标选中CM1241(RS422/485)模块，在“属性”→“端口组态”中配置此模块硬件接口参数，本例以传输率=9.6Kbps，奇偶校验=无奇偶校验，数据位=8位字符，停止位=1为例。如CM1241端口组态设置如图所示：1、

ModbusRTU主站的硬件组态S7-1200还提供了系统和时钟存储器功能，为了便于后续指令，建议使能该功能。在CPU“属性”→“常规”→“系统和时钟存储器”使能系统和时钟存储器功能，如图所示。图7.系统和时钟存储器功能

2、主站PLC_1编程生成DB1和DB2分别命名BF_OUT、BF_IN；每个数据块生成各有10个字元素的数组，分别命名“TO从站”、“From从站”3、

生成初始化程序块OB100在OB100中给要发送的DB1中的10个字赋初值16#1111，将保存接收到的数据的DB2中的10个字清零。

4．初始化modbus指令，Modbus_Comm_Load指令组态通信接口。REQ：请求信号，PORT：通信端口的硬件标识符，

BAUD：波特率9600bpsPARITY：奇偶校验位，为0，不使用奇偶校验校验。RESP_TO：响应超时时间1000ms，MB_DB：Modbus_Master函数块的背景数据块中的静态变量，

DONE：1表示指令执行完且没有出错。ERROR：1表示检测到错误STATUS：是错误代码。5．OB1中调用Modbus_Master指令

该指令用于Modbus主站与指定的从站通信。主站可访问一个或多个从站。在OB1中两次调用该指令，1）读取1号从站中Modbus地址从40001开始的10个字的数据，保存到主站的DB2中；2）将主站DB1中的10个字的数据写入从站的Modbus地址从40011开始的10个字中。6．O