冗余MODBUS-RTU串行通訊在中海油60萬噸甲醇變電所ECS系統中的應用
一 、概述
1.1 MODBUS簡介
Modbus 協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡（例如以太網）和其它設備之間可以通信。它已經成為一通用工業標準。有了它，不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡，進行集中監控。此協議定義了一個控制器能認識使用的消息結構,而不管它們是經過何種網絡進行通信的。它描述了一控制器請求訪問其它設備的過程，如果回應來自其它設備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內容的公共格式。
當在一Modbus網絡上通信時，此協議決定了每個控制器須要知道它們的設備地址，識別按地址發來的消息，決定要產生何種行動。如果需要回應，控制器將生成反饋信息并用Modbus協議發出。在其它網絡上，包含了Modbus協議的消息轉換為在此網絡上使用的幀或包結構。這種轉換也擴展了根據具體的網絡解決節地址、路由路徑及錯誤檢測的方法
當在一Modbus網絡上通信時，此協議決定了每個控制器須要知道它們的設備地址，識別按地址發來的消息，決定要產生何種行動。如果需要回應，控制器將生成反饋信息并用Modbus協議發出。在其它網絡上，包含了Modbus協議的消息轉換為在此網絡上使用的幀或包結構。這種轉換也擴展了根據具體的網絡解決節地址、路由路徑及錯誤檢測的方法
1.2 SIEMENS卡件實現冗余MODBUS主從通訊的結構方案
1.2.1 作為MODBUS主站，提供兩個(在CPU允許范圍內，可以更多)接口
所需訂貨： 1×CP341和單一授權（Master）
附加訂貨： 1×CP341和單一授權（Master）（不附帶軟件和文檔，只含硬件鑰匙）
注：此結構方案為真正的冗余結構，比較符合S7-400H對MODBUS冗余結構的要求
所需訂貨： 1×CP341和單一授權（Master）
附加訂貨： 1×CP341和單一授權（Master）
（不附帶軟件和文檔，只含硬件鑰匙）
所需訂貨： 1×CP441-2,1×接口模塊和單一授權
附加訂貨： 1×CP441-2,1×接口模塊和單一授權
（不附帶軟件和文檔，只含硬件鑰匙）
注： 此結構方案，在CPU不是冗余系統的情況下，可以根據需要提供多個MODBUS接口供系統需要，從結構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構。（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，可以更多)接口
所需訂貨： 1×CP341和單一授權（Slave）
附加訂貨： 1×CP341和單一授權（Slave）（不附帶軟件和文檔，只含硬件鑰匙）
注：此結構方案為真正的冗余結構，比較符合S7-400H對MODBUS冗余結構的要求
所需訂貨： 1×CP341和單一授權（Master）
附加訂貨： 1×CP341和單一授權（Master）
（不附帶軟件和文檔，只含硬件鑰匙）
所需訂貨： 1×CP441-2,1×接口模塊和單一授權
附加訂貨： 1×CP441-2,1×接口模塊和單一授權
（不附帶軟件和文檔，只含硬件鑰匙）
注： 此結構方案，在CPU不是冗余系統的情況下，可以根據需要提供多個MODBUS接口供系統需要，從結構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構。（示例僅畫了2個接口）
二、項目應用情況
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的。上海西門子工業自動化有限公司承擔了甲醇項目變電所ECS（Electrical Control System）系統的設計和調試工作，這也是西門子公司第一次在中海油東方化工城中承擔項目。
該系統是以SIMATIC Wincc自動化平臺為主的SCADA系統。通過多層網絡通訊實現了將近兩百臺設備的監視，并與其他系統進行了數據交換。
參見系統網絡配置圖（圖1），ECS系統是由以下7個部分組成的：
- 中壓MV綜保數據采集部分
- 低壓ABB智能保護單元M102-P數據采集部分
- 低壓ABB開關保護儀表采集部分
- 發電機數據采集部分
- UPS與DC-Panel數據采集部分
- 與其他系統ESD2000,FCS系統的數據交換
- 上位WINCC 部分
上述系統都是以S7 416-2DP 主CPU模塊為核心，通過工業以太網與上位WINCC顯示交換數據，通過PROFIBUS-DP通訊方式與智能保護單元M102-P交換數據。作為主站以MODBUS-RTU的通訊方式與中壓MV綜保、低壓ABB開關保護儀表、發電機、UPS以及DC-Panel進行數據交換；作為MODBUS-RTU的從站與ESD2000,FCS進行數據交換。
圖1 系統網絡配置圖
2．2項目中的應用
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以太網卡件1塊，CP441-2卡共6塊。如圖2通訊站分布
圖2 通訊站分布
CP443-5卡，負責與ABB的智能馬達管理器M102-P進行通訊，采集各個電機回路的電流，電壓，功率因數等，并對回路的故障和報警信息進行歸檔
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）柴油發電機組（60KVA）1臺，由CP441-2b,CP441-2c完成對它們的信息讀取，相關信息主要包括電流，功率，故障報警等。
3塊CP441-2卡(CP441-2d,CP441-2e,CP441-2f)作為MODBUS從站接收其他系統主站的訪問。在本系統中，與FCS系統（橫河DCS系統）的MODBUS通訊是冗余通訊結構方式，由CP441-2e,CP441-2f完成通訊；與上級變電所ESD2000系統的通訊由卡件CP441-2d完成。3塊MODBUS從站卡件目前的設置地址都一樣，就是說三塊卡件對外的通訊區域是一致的，其他系統主站可訪問任意一卡件，均能與本ECS系統交換數據，最大一次交換數據為255Bytes。
在STEP7 V5.3 內的硬件組態結構如下圖3
該系統于2006年7月正式投入生產運行，目前系統運行可靠，符合用戶要求，并且可以根據用戶要求打印合適的報表系統，得到中海油甲醇項目組的一致認可。
附圖：正在運行的系統
三、應用體會
整個系統的配置中，主要元器件采用高性能規格的原產地（德國）最新產品；通訊協議：與上位機的通訊采用高速工業以太網，現場總線分別采用了Profibus-DP，MODBUS-RTU 協議；采用星型結構，并由單獨的通訊處理器負責各路通訊的協議轉換及數據處理；可實現很好的故障隔離:通訊單元的故障只限于單元內部，單路通訊故障（如斷線、短接）不會影響其它部分的通訊。
系統可靠安全性從產品性能、總線協議及組網結構上得到保證,系統中的任何故障只影響局部.軟件采用模塊化設計,并采用了當前最先進的WINCC開放性監控軟件,用戶可以對系統的應用軟件進行修改、補充。系統硬件結構：上位網為光纖冗余環網, 現場總線為星型結構，用戶可根據需要增加相應的接口如CP441-2等擴展系統的規模。
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用。
現場照片
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