冗余MODBUS-RTU串行通訊在中海油60萬噸甲醇變電所ECS系統(tǒng)中的應(yīng)用

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(gè)控制器能認(rèn)識(shí)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(qǐng)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(qǐng)求，以及怎樣偵測錯(cuò)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(shí)，此協(xié)議決定了每個(gè)控制器須要知道它們的設(shè)備地址，識(shí)別按地址發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。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(cuò)誤檢測的方法

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中國海洋石油建滔化工60萬噸甲醇項(xiàng)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(dòng)化有限公司承擔(dān)了甲醇項(xiàng)目變電所ECS（Electrical Control System）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(xiàng)目。

該系統(tǒng)是以SIMATIC Wincc自動(dòng)化平臺(tái)為主的SCADA系統(tǒng)。通過多層網(wǎng)絡(luò)通訊實(shí)現(xiàn)了將近兩百臺(tái)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(gè)部分組成的：

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(jī)、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。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置圖

項(xiàng)目共包括1臺(tái)S7 AS416-2DP，2臺(tái)工程師，2臺(tái)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

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(gè)電機(jī)回路的電流，電壓，功率因數(shù)等，并對(duì)回路的故障和報(bào)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(gè)從站信息。連接的MODBUS從站有：ABB的AC31B-GB可編程控制器，共3臺(tái)，由CP441-2a完成通訊；澳通的綜保:MPM(MM)儀表，共23臺(tái)，CHLORIDE MASTER GUARD型UPS1臺(tái)，威爾信伯瓊斯（勞斯萊斯）柴油發(fā)電機(jī)組（60KVA）1臺(tái)，由CP441-2b,CP441-2c完成對(duì)它們的信息讀取，相關(guān)信息主要包括電流，功率，故障報(bào)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(jí)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(duì)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(yùn)行，目前系統(tǒng)運(yùn)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(bào)表系統(tǒng)，得到中海油甲醇項(xiàng)目組的一致認(rèn)可。

附圖：正在運(yùn)行的系統(tǒng)

整個(gè)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(jī)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(dú)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(shí)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(huì)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(jì),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(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用軟件進(jìn)行修改、補(bǔ)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(diǎn)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(xiàng)目的應(yīng)用。

現(xiàn)場照片