摘要：本文介绍了串行通讯MODBUS-RTU的基本原理，以及在西门子系统中实现冗余的结构方案。另外从工程应用角度，介绍了在中海油60万吨甲醇变电所ECS(Electrical Control System)系统中的应用情况。

  关键词：串行通讯；MODBUS-RTU；冗余 

1.1 MODBUS简介

Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。
    当在一Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上，包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法

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）   

 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

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，这也是西门子公司第一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模块为核心，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，最大一次交换数据为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）最新产品；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,并采用了当前最先进的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