MODBUS-RTU串行通讯在ECS系统中的应用

　　一 、概述

　　1.1 MODBUS简介

　　Modbus协议是一种已广泛应用于当今工业控制领域的通用通讯协议。通过此协议，控制器相互之间、或控制器经由网络（如以太网）可以和其它设备之间进行通信。Modbus协议使用的是主从通讯技术，即由主设备主动查询和操作从设备。一般将主控设备方所使用的协议称为Modbus Master，从设备方使用的协议称为Modbus Slave。典型的主设备包括工控机和工业控制器等；典型的从设备如PLC可编程控制器等。Modbus通讯物理接口可以选用串口（包括RS232和RS485），也可以选择以太网口。其通信遵循以下的过程：

　　·主设备向从设备发送请求；

　　·从设备分析并处理主设备的请求，然后向主设备发送结果；

　　·如果出现任何差错，从设备将返回一个异常功能码。

　　1.2   SIEMENS卡件实现冗余MODBUS主从通讯的结构方案

　　1.2.1 作为MODBUS主站，提供两个（在CPU允许范围内，可以更多）接口

　　所需订货：  1×CP341和单一授权（Master）

　　附加订货：  1×CP341和单一授权（Master）（不附带软件和文档，只含硬件钥匙）

　　注：此结构方案为真正的冗余结构，比较符合S7-400H对MODBUS冗余结构的要求

　　所需订货： 1×CP341和单一授权（Master）

　　附加订货：  1×CP341和单一授权（Master）

　　（不附带软件和文档，只含硬件钥匙）

　　所需订货： 1×CP441-2,1×接口模块和单一授权

　　附加订货：  1×CP441-2,1×接口模块和单一授权

　　（不附带软件和文档，只含硬件钥匙）

　　注： 此结构方案，在CPU不是冗余系统的情况下，可以根据需要提供多个MODBUS接口供系统需要，从结构上看是双路径甚至是多路径通讯的，但因CPU非冗余，故也不能称之为冗余结构。（示例仅画了2个接口）

　　1.2.1  作为MODBUS从站，提供两个（在CPU允许范围内，可以更多）接口

　　所需订货：  1×CP341和单一授权（Slave）

　　附加订货：  1×CP341和单一授权（Slave）（不附带软件和文档，只含硬件钥匙）

　　注：此结构方案为真正的冗余结构，比较符合S7-400H对MODBUS冗余结构的要求

　　所需订货：  1×CP341和单一授权（Master）

　　附加订货：  1×CP341和单一授权（Master）

　　（不附带软件和文档，只含硬件钥匙）

　　所需订货：  1×CP441-2,1×接口模块和单一授权

　　附加订货：  1×CP441-2,1×接口模块和单一授权

　　（不附带软件和文档，只含硬件钥匙）

　　注： 此结构方案，在CPU不是冗余系统的情况下，可以根据需要提供多个MODBUS接口供系统需要，从结构上看是双路径甚至是多路径通讯的，但因CPU非冗余，故也不能称之为冗余结构。（示例仅画了2个接口）

　　二、项目应用情况

　　2.1项目介绍

　　英创公司推出的ModBus通讯协议软件产品主要应用于英创ARM9嵌入式主板环境，英创工控主板均带有丰富的串口、网络资源、通用GPIO接口等，同时具有强大的处理能力。结合ModBus通讯协议软件，就可非常方便地构成符合ModBus通讯规范的主控（Master）及设备（Slave）的应用平台。针对ModBus通讯的主从方式这一特点，英创公司的ModBus通讯协议软件包分为两个可独立使用的部分，即“ModBus主控协议软件”（简称modbus_Master）以及“ModBus设备方协议软件”（简称modbus_Slave）。目前英创ModBus通讯协议软件运行于WinCE环境下，均以C函数加静态LIB库的形式提供给客户。其主要特征如下：

　　·非常适用于实时的工业应用。

　　·可以支持基于串口的ModBus通讯协议应用或TCP的ModBus通讯协议应用。

　　·RTU传输模式。

　　·支持大多数的Modbus功能码操作，包括对线圈、离散开关输入的位操作，以及对寄存器的字节操作。

　　·支持广播地址。

　　·可以灵活设置ModBus通讯的超时时间。

　　·可以获取通讯中传输协议的错误代码的详细信息。

　　中国海洋石油建滔化工60万吨甲醇项目是中国海洋石油总公司在海南东方市投资建设的。上海西门子工业自动化有限公司承担了甲醇项目变电所ECS（Electrical Control System）系统的设计和调试工作，这也是西门子公司次在中海油东方化工城中承担项目。

　　该系统是以SIMATIC Wincc自动化平台为主的SCADA系统。通过多层网络通讯实现了将近两百台设备的监视，并与其他系统进行了数据交换。

　　参见系统网络配置图（图1），ECS系统是由以下7个部分组成的：

　　中压MV综保数据采集部分

　　低压ABB智能保护单元M102-P数据采集部分

　　低压ABB开关保护仪表采集部分

　　发电机数据采集部分

　　UPS与DC-Panel数据采集部分

　　与其他系统ESD2000,FCS系统的数据交换

　　上位WINCC 部分

　　上述系统都是以S7 416-2DP 主CPU模块为，通过工业以太网与上位WINCC显示交换数据，通过PROFIBUS-DP通讯方式与智能保护单元M102-P交换数据。作为主站以MODBUS-RTU的通讯方式与中压MV综保、低压ABB开关保护仪表、发电机、UPS以及DC-Panel进行数据交换；作为MODBUS-RTU的从站与ESD2000,FCS进行数据交换。

　　图1   系统网络配置图

　　2.2项目中的应用

　　项目共包括1台S7 AS416-2DP，2台工程师，2台OSM TP22交换 上位（HMI）系统是由SIEMENS公司的WINCC V6.0+SP3 Asia软件编制。在CPU416-2DP后，共带CP卡件9块，其中CP443-5卡2块，CP443-1以太网卡件1块，CP441-2卡共6块。如图2通讯站分布

　　图2     通讯站分布

　　CP443-5卡，负责与ABB的智能马达管理器M102-P进行通讯，采集各个电机回路的电流，电压，功率因数等，并对回路的故障和报警信息进行归档

　　3块CP441-2卡（CP441-2a,CP441-2b,CP441-2c）作为MODBUS 主站读取其他30个从站信息。连接的MODBUS从站有：ABB的AC31B-GB可编程控制器，共3台，由CP441-2a完成通讯；澳通的综保：MPM（MM）仪表，共23台，CHLORIDE MASTER GUARD型UPS1台，威尔信伯琼斯（劳斯莱斯）柴油发电机组（60KVA）1台，由CP441-2b,CP441-2c完成对它们的信息读取，相关信息主要包括电流，功率，故障报警等。

　　3块CP441-2卡（CP441-2d,CP441-2e,CP441-2f）作为MODBUS从站接收其他系统主站的访问。在本系统中，与FCS系统（横河DCS系统）的MODBUS通讯是冗余通讯结构方式，由CP441-2e,CP441-2f完成通讯；与上级变电所ESD2000系统的通讯由卡件CP441-2d完成。3块MODBUS从站卡件目前的设置地址都一样，就是说三块卡件对外的通讯区域是一致的，其他系统主站可访问任意一卡件，均能与本ECS系统交换数据，交换数据为255Bytes。

　　在STEP7 V5.3 内的硬件组态结构如下图3

　　该系统于2006年7月正式投入生产运行，目前系统运行可靠，符合用户要求，并且可以根据用户要求打印合适的报表系统，得到中海油甲醇项目组的一致认可。

　　附图：正在运行的系统

　　三、应用体会

　　整个系统的配置中，主要元器件采用高性能规格的原产地（德国）产品；通讯协议：与上位机的通讯采用高速工业以太网，现场总线分别采用了Profibus-DP，MODBUS-RTU 协议；采用星型结构，并由单独的通讯处理器负责各路通讯的协议转换及数据处理；可实现很好的故障隔离：通讯单元的故障只限于单元内部，单路通讯故障（如断线、短接）不会影响其它部分的通讯。

　　系统可靠安全性从产品性能、总线协议及组网结构上得到保证，系统中的任何故障只影响局部。软件采用模块化设计，并采用了当前的WINCC开放性监控软件，用户可以对系统的应用软件进行修改、补充。系统硬件结构：上位网为光纤冗余环网， 现场总线为星型结构，用户可根据需要增加相应的接口如CP441-2等扩展系统的规模。

　　以上特点充分证明西门子冗余串行通讯在读取第三方系统中的高可靠性和灵活性，非常适合新建和改造变电所等项目的应用。

　　现场照片