ProfiNet转Modbus TCP协议转换网关实现西门子PLC与工控机通讯在智能交通系统的应用案例

一、项目背景

2025年，华东某中心城市新建 12km城市快速路隧道，设计时速 80 km，双洞 6车道，日均通行能力 8万辆。隧道机电系统采用“三级管理、两级控制”架构

由于业主已招标选用研华 IPC-610H工控机（i7-13700E，Windows 11 IoT）运行交通算法，内置 SCADA仅支持 Modbus TCP主站协议，而隧道段 30台远程 I/O箱全部通过 ProfiNet环网接入西门子 PLC，协议天然隔离。若更换 PLC或重新开发驱动，不仅工期紧张，且造价增加 60余万元。最终，设计院选用“捷米特 JM-TCP-PN工业级协议转换网关”作为两端从站，实现毫秒级数据映射，保障通风照明实时联动，同时保留既有平台软件零改动。

二、关键设备清单

序号	设备名称	品牌/型号	协议角色	数量	备注
1	工控机	研华 IPC-610H	Modbus TCP主站	2	主备冗余
2	可编程控制器	西门子 S7-1516-3 PN/DP	ProfiNet从站	1	自带双网口，环网冗余
3	协议转换网关	捷米特 JM-TCP-PN	ProfiNet从站+Modbus TCP从站	2	主备，导轨安装
4	工业交换机	赫斯曼 OCTOPUS 8M-EEC	千兆环网	8	IP67，-40~+70℃
5	电源模块	普尔世 CP10.241	24 VDC/10 A	2	冗余并联

三、JM-TCP-PN网关技术亮点

双核双网口：ARM Cortex-A7 800 MHz实时核负责 ProfiNet，M4核负责 Modbus TCP，两口物理隔离，数据通过 32 k共享 RAM交换，延迟 <5 ms

即插即用：内置 GSDML文件，博图 V18一键导入；同时提供 6000+常用 Modbus寄存器模板，无需手动计算地址。

冗余功能：支持 S2冗余模式，ProfiNet侧可接入 MRPD环网，Modbus TCP侧可设置双 IP，主备网关无缝切换。

宽温设计：-40~+85 ℃，铝壳无风扇，满足隧道强排风 24 h运行。

诊断丰富：自带 Web界面、SNMP MIB、ProfiNet诊断缓存，LED三色灯指示协议状态，方便运维。

四、网络拓扑与连接

五、博图侧 Profinet配置

在 TIA Portal V18新建项目，导入捷米特提供的 GSDML-V2.43-Jeemit-JM-TCP-PN-20250718.xml，拖拽至网络视图。

设置设备名称“JM_TCP_PN_Tunnel1”，I/O映射长度 64 Word In / 64 Word Out，更新周期 4 ms，使能“支持优先启动”。

将 PLC与网关分配到同一同步域，IRT拓扑选择“环型”，启用 MRPD。

编译下载后，PLC在线扫描，网关 Status=0x00，无丢包，RT等级 Class B。

六、Modbus TCP侧映射表

区域	寄存器地址	数据类型	含义	对应ProfiNet偏移
输入	40001-40010	UINT16	10路 CO浓度 (ppm)	IW64-IW83
输入	40011-40020	UINT16	10路 VI能见度 (1/m)	IW84-IW103
输入	40021-40030	UINT16	10路亮度 (cd/m²)	IW104-IW123
输出	40101-40110	UINT16	10路风机频率 (0.1 Hz)	QW64-QW83
输出	40111-40120	UINT16	10路 LED调光 (0-100%)	QW84-QW103
输出	40121-40130	UINT16	车道指示标志图样	QW104-QW123

网关默认使用 Modbus功能码 03/16，端口 502，最大支持 16条并发连接，完全满足双工控机+调试笔记本同时在线。

七、工控机 SCADA集成

研华 WebAccess/SCADA 9.1内置 Modbus TCP驱动，按上表建点，扫描周期 100 ms。通过脚本实现智能策略：

当任一 CO>120 ppm或 VI<0.007 1/m，自动开启 4 组 37 kW 射流风机，频率 45 Hz；

根据洞外亮度+车流密度，LED无级调光，节电率≥28%；

火灾模式硬线信号优先，网关 10 ms内将 PLC的 Fire=1写入 40200，触发 SCADA弹出视频联动。

八、调试与验证

协议一致性：使用 Wireshark抓包，ProfiNet 帧间隔稳定 4 ms，无丢序；Modbus TCP平均响应 3.2 ms，符合 GB/T 19582-2018。

冗余倒换：拔掉主网关光纤，PLC在 18 ms内完成环网切换，SCADA通信中断 0 s（双主站自动漫游）。

72 h老化：隧道内 45 ℃、湿度 95 %连续运行，网关外壳最高 62 ℃，CPU占用 38 %，内存占用 22 %，无重启。

EMC测试：通过 IEC 61000-4-5四级浪涌 ±2 kV，IEC 61000-4-3辐射 80 MHz-1 GHz 10 V/m，不误码。

九、运行效果

通车 3个月，日均车流量 7.6万辆，CO均值 52 ppm，亮度自适应后照明能耗下降 31 %，年省电费约 48万元。

故障统计：通信故障 0次；风机启动延迟 <800 ms；车道指示切换延迟 <300 ms，均优于设计指标。

运维简化：网关 Web界面可远程升级固件，2025年 10月已在线升级至 V1.4.6，新增 SNMP Trap，接入城市综合管廊 NMS，实现统一告警。

十、经验总结

通过本案例，捷米特JM-TCP-PN协议转换网关成功解决了 Modbus TCP工控机与 ProfiNet西门子 PLC的异构网络互联，为智能交通行业提供了一条低成本、高可靠、免改代码的协议互通路径，具备大规模复制推广价值。

审核编辑 黄宇