摘 要：本文介紹了串行通訊MODBUS-RTU的基本原理，以及在西門子系統(tǒng)中實現(xiàn)冗余的結(jié)構(gòu)方案。另外從工程應(yīng)用角度，介紹了在中海油60萬噸甲醇變電所ECS（Electrical Control System）系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。 關(guān)鍵詞：串行通訊;MODBUS-RTU;冗余

The Application of Redundancy MODBUS-RTU Serial communication in ECS system of 600,000t Methanol project of CNOOC

Abstract:This paper introduces that the basic principle of serial communication MODBUS-RTU, and the redundancy configuration methods in SIEMENS system. Otherwise for example , introduces the application instance in ECS system of transformer substation of CNOOC 60,0000T Methanol Project . Key Words: Serial communication ; MODBUS-RTU ; Redundancy 一 、概述 　　1.1 MODBUS簡介 　　Modbus 協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控。此協(xié)議定義了一個控制器能認(rèn)識使用的消息結(jié)構(gòu),而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了一控制器請求訪問其它設(shè)備的過程，如果回應(yīng)來自其它設(shè)備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。 　　當(dāng)在一Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時，此協(xié)議決定了每個控制器須要知道它們的設(shè)備地址，識別按地址發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動。如果需要回應(yīng)，控制器將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出。在其它網(wǎng)絡(luò)上，包含了Modbus協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡(luò)上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)換也擴(kuò)展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)解決節(jié)地址、路由路徑及錯誤檢測的方法 　　1.2 SIEMENS卡件實現(xiàn)冗余MODBUS主從通訊的結(jié)構(gòu)方案 　　1.2.1 作為MODBUS主站，提供兩個（在CPU允許范圍內(nèi)，可以更多）接口 　　所需訂貨： 1×CP341和單一授權(quán)（Master） 　　附加訂貨： 1×CP341和單一授權(quán)（Master）（不附帶軟件和文檔，只含硬件鑰匙） 　　注：此結(jié)構(gòu)方案為真正的冗余結(jié)構(gòu)，比較符合S7-400H對MODBUS冗余結(jié)構(gòu)的要求 　　所需訂貨： 1×CP341和單一授權(quán)（Master） 　　附加訂貨： 1×CP341和單一授權(quán)（Master） 　?。ú桓綆к浖臀臋n，只含硬件鑰匙） 　　所需訂貨： 1×CP441-2,1×接口模塊和單一授權(quán) 　　附加訂貨： 1×CP441-2,1×接口模塊和單一授權(quán) 　?。ú桓綆к浖臀臋n，只含硬件鑰匙） 　　注： 此結(jié)構(gòu)方案，在CPU不是冗余系統(tǒng)的情況下，可以根據(jù)需要提供多個MODBUS接口供系統(tǒng)需要，從結(jié)構(gòu)上看是雙路徑甚至是多路徑通訊的，但因CPU非冗余，故也不能稱之為冗余結(jié)構(gòu)。（示例僅畫了2個接口） 　　1.2.1 作為MODBUS從站，提供兩個（在CPU允許范圍內(nèi)，可以更多）接口 　　所需訂貨： 1×CP341和單一授權(quán)（Slave） 　　附加訂貨： 1×CP341和單一授權(quán)（Slave）（不附帶軟件和文檔，只含硬件鑰匙） 　　注：此結(jié)構(gòu)方案為真正的冗余結(jié)構(gòu)，比較符合S7-400H對MODBUS冗余結(jié)構(gòu)的要求 　　 　　所需訂貨： 1×CP341和單一授權(quán)（Master） 　　附加訂貨： 1×CP341和單一授權(quán)（Master） 　?。ú桓綆к浖臀臋n，只含硬件鑰匙） 　　所需訂貨： 1×CP441-2,1×接口模塊和單一授權(quán) 　　附加訂貨： 1×CP441-2,1×接口模塊和單一授權(quán) 　　（不附帶軟件和文檔，只含硬件鑰匙） 　　注： 此結(jié)構(gòu)方案，在CPU不是冗余系統(tǒng)的情況下，可以根據(jù)需要提供多個MODBUS接口供系統(tǒng)需要，從結(jié)構(gòu)上看是雙路徑甚至是多路徑通訊的，但因CPU非冗余，故也不能稱之為冗余結(jié)構(gòu)。（示例僅畫了2個接口） 二、項目應(yīng)用情況 　　2.1項目介紹 　　中國海洋石油建滔化工60萬噸甲醇項目是中國海洋石油總公司在海南東方市投資建設(shè)的。上海西門子工業(yè)自動化有限公司承擔(dān)了甲醇項目變電所ECS（Electrical Control System）系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試工作，這也是西門子公司第一次在中海油東方化工城中承擔(dān)項目。 　　該系統(tǒng)是以SIMATIC Wincc自動化平臺為主的SCADA系統(tǒng)。通過多層網(wǎng)絡(luò)通訊實現(xiàn)了將近兩百臺設(shè)備的監(jiān)視，并與其他系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)交換。 　　參見系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置圖（圖1），ECS系統(tǒng)是由以下7個部分組成的： 　　中壓MV綜保數(shù)據(jù)采集部分 　　低壓ABB智能保護(hù)單元M102-P數(shù)據(jù)采集部分 　　低壓ABB開關(guān)保護(hù)儀表采集部分 　　發(fā)電機數(shù)據(jù)采集部分 　　UPS與DC-Panel數(shù)據(jù)采集部分 　　與其他系統(tǒng)ESD2000,FCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換 　　上位WINCC 部分 　　上述系統(tǒng)都是以S7 416-2DP 主CPU模塊為核心，通過工業(yè)以太網(wǎng)與上位WINCC顯示交換數(shù)據(jù)，通過PROFIBUS-DP通訊方式與智能保護(hù)單元M102-P交換數(shù)據(jù)。作為主站以MODBUS-RTU的通訊方式與中壓MV綜保、低壓ABB開關(guān)保護(hù)儀表、發(fā)電機、UPS以及DC-Panel進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;作為MODBUS-RTU的從站與ESD2000,FCS進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 　　2.2項目中的應(yīng)用 　　項目共包括1臺S7 AS416-2DP，2臺工程師，2臺OSM TP22交換 上位（HMI）系統(tǒng)是由SIEMENS公司的WINCC V6.0+SP3 Asia軟件編制。在CPU416-2DP后，共帶CP卡件9塊，其中CP443-5卡2塊，CP443-1以太網(wǎng)卡件1塊，CP441-2卡共6塊。如圖2通訊站分布 　　CP443-5卡，負(fù)責(zé)與ABB的智能馬達(dá)管理器M102-P進(jìn)行通訊，采集各個電機回路的電流，電壓，功率因數(shù)等，并對回路的故障和報警信息進(jìn)行歸檔 　　3塊CP441-2卡（CP441-2a,CP441-2b,CP441-2c）作為MODBUS 主站讀取其他30個從站信息。連接的MODBUS從站有：ABB的AC31B-GB可編程控制器，共3臺，由CP441-2a完成通訊;澳通的綜保:MPM（MM）儀表，共23臺，CHLORIDE MASTER GUARD型UPS1臺，威爾信伯瓊斯（勞斯萊斯）柴油發(fā)電機組（60KVA）1臺，由CP441-2b,CP441-2c完成對它們的信息讀取，相關(guān)信息主要包括電流，功率，故障報警等。 　　3塊CP441-2卡（CP441-2d,CP441-2e,CP441-2f）作為MODBUS從站接收其他系統(tǒng)主站的訪問。在本系統(tǒng)中，與FCS系統(tǒng)（橫河DCS系統(tǒng)）的MODBUS通訊是冗余通訊結(jié)構(gòu)方式，由CP441-2e,CP441-2f完成通訊;與上級變電所ESD2000系統(tǒng)的通訊由卡件CP441-2d完成。3塊MODBUS從站卡件目前的設(shè)置地址都一樣，就是說三塊卡件對外的通訊區(qū)域是一致的，其他系統(tǒng)主站可訪問任意一卡件，均能與本ECS系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，最大一次交換數(shù)據(jù)為255Bytes。 　　在STEP7 V5.3 內(nèi)的硬件組態(tài)結(jié)構(gòu)如下圖3 　　該系統(tǒng)于2006年7月正式投入生產(chǎn)運行，目前系統(tǒng)運行可靠，符合用戶要求，并且可以根據(jù)用戶要求打印合適的報表系統(tǒng)，得到中海油甲醇項目組的一致認(rèn)可。 　　附圖：正在運行的系統(tǒng) 　　 三、應(yīng)用體會 　　整個系統(tǒng)的配置中，主要元器件采用高性能規(guī)格的原產(chǎn)地（德國）最新產(chǎn)品;通訊協(xié)議：與上位機的通訊采用高速工業(yè)以太網(wǎng)，現(xiàn)場總線分別采用了Profibus-DP，MODBUS-RTU 協(xié)議;采用星型結(jié)構(gòu)，并由單獨的通訊處理器負(fù)責(zé)各路通訊的協(xié)議轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理;可實現(xiàn)很好的故障隔離:通訊單元的故障只限于單元內(nèi)部，單路通訊故障（如斷線、短接）不會影響其它部分的通訊。 　　系統(tǒng)可靠安全性從產(chǎn)品性能、總線協(xié)議及組網(wǎng)結(jié)構(gòu)上得到保證,系統(tǒng)中的任何故障只影響局部.軟件采用模塊化設(shè)計,并采用了當(dāng)前最先進(jìn)的WINCC開放性監(jiān)控軟件,用戶可以對系統(tǒng)的應(yīng)用軟件進(jìn)行修改、補充。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)：上位網(wǎng)為光纖冗余環(huán)網(wǎng), 現(xiàn)場總線為星型結(jié)構(gòu)，用戶可根據(jù)需要增加相應(yīng)的接口如CP441-2等擴(kuò)展系統(tǒng)的規(guī)模。 　　以上特點充分證明西門子冗余串行通訊在讀取第三方系統(tǒng)中的高可靠性和靈活性，非常適合新建和改造變電所等項目的應(yīng)用。 現(xiàn)場照片