MODBUS通信冗余系统

[摘 要]　文章分析了配电监控系统的各种通讯冗余方式,阐述了他们的优缺点。介绍了一种ABB的采用MODBU通讯协议的解决方案,提供了此方案的通讯设备的配置及网络拓扑图,以期进一步推广使用。

[关键词] 通讯冗余 ABB的解决方案 MODBU通讯协议

1 概述

目前,越来越多的工程项目要求监控系统将配电设备及现场设备信息纳入其中,SCADA系统或DCS系统确有许多性能优势,但其本身有其克服不了的问题:现场设备的复杂性,各种通讯协议不利于系统的信息共享,速度慢。因而需要一种设备将现场通讯设备中的信息进行采集、整理、协议转换,而SCADA系统或DCS系统只需与这台设备通讯,采集需要的信息即可,这样可极大地节省配线、缩减信息采集时间,简化系统维护。而采用通信冗余则提高了监控系统可靠性。在此介绍一种采用ABBPLC作为通讯管理机实现通信冗余的可行的方案。

PLC技术之所以高速发展,直接应用于工业环境,是因为它有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和广阔的应用范围,这是区别于一般微机控制系统的重要特征,除了工业自动化的客观需要外,主要是因为它具有的独特优点。解决了工业领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。主要有以下特点:可靠性高、抗干扰能力强;编程简单、使用方便;功能完善、通用性强;设计安装简单、维护方便;体积小、重量轻、能耗低。

ABB PLC AC500的通讯功能强大、功能齐全,可适用各种层次工业自动化网络的不同需要,实现PLC与计算机、PLC与PLC、PLC与其他智能控制装置之间的通讯联网,PLC与计算机联网,可发挥各自所长,PLC用于现场设备的直接控制,计算机用于对PLC的编程、监控与管理;PLC与PLC联网能够扩大控制地域,PLC与智能控制装置(如智能仪表)联网。可有效地对智能装置实施管理。

ABB PLC AC500可以灵活采用多种不同的通讯bbL议,如:Modbus、Profibus DP、CANopen、DeviceNet、ARCNET;可以使用TCP/IP或UDP/IP发送和接收数据,也可以使用OPC进行数据传输;因而可以方便地进行协议转换,支持灵活多变的设计方案。

2　通讯协议

ABB通信冗余系统采用的足Modbus通讯协议。Modbus协议是一种开放的、通用的通讯协议,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,它已经成为通用工业标准。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。

本系统采用Modbus通讯协议是基于现场设备大多具有Modbus通讯能力,并且通讯线一般采用屏蔽双绞线即可,具有经济、通用性强的特点。

3　总线型结构

本系统的总线结构是:所有节点连接到一条公共通讯总线上。任何节点都可以在总线上传送数据,并且能被总线上任一节点所接收。这种结构简单灵活,容易增加新节点,甚至可用中继器连接多个总线。节点间通过总线直接通讯,速度快、延迟小。某个节点故障不会影响其它节点的工作,可靠性高(见图1)。

4 各种冗余系统的分析

按照对系统性能要求的侧重点的不同,冗余系统可通过以下方式实现:

(1)模块级冗余的方案一:两套模块,对上需要可自动切换的两条总线(见图2)。

优点:一路模块通讯不上,换另一路通讯,不会影响生产。

缺点:这种结构要求两套模块,不经济,成本高。

(2)模块级冗余的方案二:模块本身具有两个独立的通讯接口,对上需要可自动切换两个通讯口的两条总线(见图3)。

优点:个别模块通讯不上,切换至另一条总线仍可通讯,对整个系统影响不大,经济灵活。

缺点:这种结构要求模块本身具有两个独立的通讯接口,大部分模块只具有一个通讯接口。

(3)总线冗余的方案(见图2～5)。

优点:一条总线通讯断了,通过另一条总线通讯。

(4)CPU冗余方案一:采用一个PLC具有两个CPU方案(见图4)。

优点:这种结构两个冗余的CPU之间的数据完全一样,一旦一个CPU不能正常运行,立即无缝切换到另一个CPU。

缺点:造价高,若底板或电源出问题,则无法实现冗余。

(5)CPU冗余方案二:采用两个PLC具有各自的CPU方案(见图5)。

这种结构两个冗余的CPU之间的数据备份有一定的时间间隙,两个冗余的CPU之间的数据不是完全同步。

5 ABB解决方案

(1)网络拓朴图

网络拓朴图见图6(见下页)。

(2)PLC配置见表1。

(3)方案描述:

①在模块级我们采用了ABB的马达综保M102,本身具有两个独立RS485的通讯接口。

②初始状态PLC_A作主站与马达综保M102通讯,PLC―B作热备用,此时,若PLC―A故障或电源故障,通过冗余模块C1590自动切换PLC_B作主站与马达综保M102通讯;此时若PLC_A的故障恢复,不作切换,PLC_B仍作主站与马达综保M102通讯;此时若PLC_B故障,自动切换PLC_A作主站与马达综保M102通讯。两个PLC内部数据都有一个标志位,主站PLC标志位为Ⅱ,而热备用的PLC标志位为0。

③由于两个PLC在组合模型中的位置和地位相同,其中一个做主站,两个CPU同时运行同样的一个程序,两个CPU之间进行实时的数据交换。

(4)方案分析:

①根据用户的侧重点,在模块级我们采用了本身具有两个独立的RS485通讯接口的马达综保M102,MODBUS通讯协议,个别模块通讯不上,切换至另一条总线上采用马达综保M102的另一通讯口仍可通讯,不影响整个系统正常运行,经济灵活。

②采用总线冗余,模块的两个独立RS485通讯接口分别按至两条总线,同一时间只有一条总线在使用,同时冗余的总线起到支持CPU冗余的作用,

③通讯管理机我们采用了两个PLC具有各自CPU的方案:两个PLC分别接至两条总线,而两个PLC同一时间只有一个做为主站,一旦主站PLC不能正常运行,立即切换到备用PLC,即使底板或电源出问题,仍能实现冗余。 这种结构的缺点是两个冗余的CPU之间的数据备份有很小的时间间隙,两个冗余的CPU之间的数据不是完全同步。但考虑到后台系统对数据的实时性要求不是非常高(数据刷新频率约2s,而备用PLC的响应时间是5～50ms,因而完全可以满足用户的要求。

④对卜有3种与后台通讯的方式:

a通过本身的RS485通讯接口,MODBUS通讯协议,两个PLC可以是接至同一条总线上,同一模块地址,对后台来说不用考虑哪一个PLC作为主站在工作。

b通过本身的RS485通讯接口,MODBUS通讯协议,两个PLC分别接至不同的总线上,不同一模块地址,对后台来说需要判断哪一个PLC作为主站在工作。

c通过扩展的网口,经过交换机与后台通讯,两个PLC有不同的IP地址, 对后台来说需要判断哪一个PLC作为主站在工作,以上网络拓扑图就是这种方式。

③后台还可以通过写位数字来控制哪一个PLC做为主站。

6 结束语

冗余的方式有很多, 根据不同的侧重点选择不同的方案,目的都在于提高监控系统的可靠性。同时,实用性、灵活性、通用性、经济性都足方案确定需要权衡的因素。追求各个环节的完美有时会使系统复杂化,根据各自系统的特点,选择合适的方案实为上策。