基于MODBUS通信協(xié)議的低壓交流配電柜智能監(jiān)控系統(tǒng)

　介紹了一種基于MODBUS協(xié)議的低壓開關(guān)柜智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：以工控機(jī)為主站，帶協(xié)議接口的智能控制器和網(wǎng)絡(luò)儀表為從站，使用MODBUS協(xié)議實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)智能儀表之間的數(shù)據(jù)傳輸。介紹了MODBUS通信協(xié)議的基本內(nèi)容和格式，監(jiān)控系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)，以及軟件實(shí)現(xiàn)的具體功能。
??? 關(guān)鍵詞：低壓控制柜，監(jiān)控系統(tǒng)，MODBUS協(xié)議

1　引　言
　　現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。
　　目前，我國(guó)大多數(shù)配電房中使用的低壓配電系統(tǒng)沒有實(shí)現(xiàn)智能化控制，管理人員無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，處理突發(fā)事件。具有通信功能的智能控制器的開發(fā)及其在斷路器上的應(yīng)用，以及智能網(wǎng)絡(luò)儀表的應(yīng)用，使得通過現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)低壓配電智能化成為可能。低壓配電監(jiān)控系統(tǒng)采集配電房中各配電柜的電參量信息、斷路器狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)各配電柜的遙控、遙測(cè)、遙調(diào)、遙訊。
2　MODBUS協(xié)議介紹
　　MODBUS是MODICON公司為其生產(chǎn)的PLC設(shè)計(jì)的一種通信協(xié)議，從功能上看，可以認(rèn)為是一種現(xiàn)場(chǎng)總線。MODBUS協(xié)議定義了消息域格式和內(nèi)容的公共格式，使控制器能認(rèn)識(shí)和使用消息結(jié)構(gòu)，而無需考慮通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它描述了一個(gè)控制器訪問其它設(shè)備的過程，當(dāng)采用MODBUS協(xié)議通信時(shí)，此協(xié)議規(guī)定每個(gè)控制器需要知道自己的設(shè)備地址，識(shí)別按地址發(fā)來的消息，如何響應(yīng)來自其它設(shè)備的請(qǐng)求，如何偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄。
　　控制器通信采用主－從技術(shù)，即，只有主設(shè)備能發(fā)出查詢，從設(shè)備響應(yīng)消息。主設(shè)備可單獨(dú)和從設(shè)備通信，從設(shè)備返回一個(gè)消息。如果采用廣播方式（地址為零）查詢，從設(shè)備不作任何回應(yīng)。
　　MODBUS通信有兩種模式：ASCII和RTU模式。一個(gè)MODBUS通信系統(tǒng)中只能選擇一種模式，不允許兩種模式混合使用。
　　采用RTU模式，消息的起始位以至少3．5個(gè)字符傳輸時(shí)間的停頓開始（一般采用4個(gè)），在傳輸完最后一個(gè)字符后，有一個(gè)至少3．5個(gè)字符傳輸時(shí)間的停頓來標(biāo)識(shí)結(jié)束。一個(gè)新的消息可在此停頓后開始。在接收期間，如果等待接收下一個(gè)字符的時(shí)間超過1．5個(gè)字符傳輸時(shí)間，則認(rèn)為是下一個(gè)消息的開始。校驗(yàn)碼采用CRC－16方式，只對(duì)設(shè)備地址、功能代碼和數(shù)據(jù)段進(jìn)行。整個(gè)消息幀必須作為一連續(xù)的流傳輸，傳輸速率較ASCII模式高。
　　MODBUS可能的從設(shè)備地址是0～247（十進(jìn)制），單個(gè)設(shè)備的地址范圍是1～247。
　　可能的功能代碼范圍是十進(jìn)制的1～255。其中有些代碼適用于所有的控制器，有些是針對(duì)某種MODICON控制器，有些是為用戶保留或備用。
3　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
　　MODBUS標(biāo)準(zhǔn)物理層采用RS232接口，由于實(shí)際應(yīng)用中強(qiáng)電干擾較大，且是多點(diǎn)連接，所以，我們采用RS485接口。同時(shí)，由于配電房中配電柜集中安裝，不需要采用復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
??? 上位機(jī)采用工控機(jī)，外接RS232／485轉(zhuǎn)換接口。斷路器為某公司生產(chǎn)的HSW1系列，共5臺(tái)。主進(jìn)線處采用法國(guó)“溯高美”（SOCOMEC）公司的“電能士系列”（DIRISSYSTEM）智能型電力系統(tǒng)電量監(jiān)控器。為保證較快的傳輸速度，系統(tǒng)通信采用MODBUS推薦的RTU傳輸模式。表1所示為RTU傳輸模式每個(gè)字符的數(shù)據(jù)格式，表2為MODBUS協(xié)議RTU消息幀的格式。系統(tǒng)連接的通信介質(zhì)為A類屏蔽雙絞線。系 統(tǒng)框圖如圖1所示。

3．1　智能控制器
　　低壓控制柜主要部件為HSW1智能型萬能式低壓斷路器，智能控制器基于PIC18C658單片機(jī)。斷路器硬件組成框圖如圖2所示。

　　智能控制器可設(shè)定過載長(zhǎng)延時(shí)反時(shí)限、短延時(shí)反時(shí)限、定時(shí)限、瞬時(shí)功能；還可采集整定電流、動(dòng)作電流、各線電壓，并控制斷路器的通／斷；并通過內(nèi)置MAX485芯片實(shí)現(xiàn)與外界通信。
　　在實(shí)現(xiàn)智能控制器的MODBUS協(xié)議時(shí)，主要難點(diǎn)在RTU模式的停頓時(shí)間的實(shí)現(xiàn)上。首先，我們計(jì)算每個(gè)字節(jié)傳輸所需要的時(shí)間t，在初始化USART時(shí)，PIC18C658的Timer1置零并計(jì)時(shí)，Timer1的時(shí)限為4t，流程圖如圖3所示。因?yàn)镽TU模式下為連續(xù)數(shù)據(jù)流，在連續(xù)接收數(shù)據(jù)期間，如果字符接收時(shí)間超過2t，則丟掉本次信息。信息接收完畢，利用Timer1定時(shí)中斷控制結(jié)束時(shí)間間隔，同時(shí)處理數(shù)據(jù)及錯(cuò)誤。
3．2　電量監(jiān)控器
　　電網(wǎng)監(jiān)控所使用的DIRISC型電量監(jiān)控器，可檢測(cè)三相四線制的相電壓、線電壓、相電流、零線電流、有功／無功功率、功率因素、頻率及相應(yīng)的最大值。監(jiān)控器以RS485接口，采用MODBUS協(xié)議中的RTU模式與外界連接，傳送電網(wǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。電量監(jiān)控器根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，僅使用MODBUS通信協(xié)議中的部分功能：03功能，此功能可讀取電量監(jiān)控器中的任何測(cè)量值和設(shè)定值參數(shù)，一次最多可讀128個(gè)字?jǐn)?shù)據(jù)；06功能，此功能可向電量監(jiān)控器寫入設(shè)定值參數(shù)，此功能一次只能寫一個(gè)字?jǐn)?shù)據(jù)，10功能，此功能可向電量監(jiān)控器寫入多個(gè)設(shè)定值參數(shù)，一次最多可寫入多個(gè)設(shè)定值參數(shù)。
3．3　上位機(jī)軟件的實(shí)現(xiàn)
　　上位機(jī)軟件采用VC6．0開發(fā)，操作系統(tǒng)為Windows NT4．0。在軟件編程時(shí)要注意的問題是，由于MODBUS協(xié)議是MODICON公司為其PLC開發(fā)的，多數(shù)命令只適用于MODICON的PLC，因此需要自己增加一些命令，以適應(yīng)通信要求。主要實(shí)現(xiàn)功能如下。
3．3．1　遙控
　　遙控是通過主站工控機(jī)對(duì)每一從站斷路器進(jìn)行儲(chǔ)能、閉合、斷開的操作控制。操作者從系統(tǒng)界面上選取相應(yīng)的對(duì)象，系統(tǒng)即提供相應(yīng)對(duì)象的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，可發(fā)出遙控“合”或“分”的指令。系統(tǒng)將指令傳遞給相應(yīng)斷路器從站，從站在收到指令后，即按既定的時(shí)序進(jìn)行分?jǐn)?、閉合、儲(chǔ)能等操作，并向主站報(bào)告遙控的結(jié)果。
3．3．2　遙調(diào)
　　遙調(diào)是通過主站工控機(jī)對(duì)從站的保護(hù)定值進(jìn)行設(shè)置。在主站工控機(jī)中存有所有從站的保護(hù)定值表，選定對(duì)象后，系統(tǒng)即提供相應(yīng)對(duì)象的所有保護(hù)定值的當(dāng)前設(shè)置，以及該對(duì)象的保護(hù)定值表，可從參數(shù)中選擇需要的參數(shù)，然后點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕，主站便把參數(shù)下載給相應(yīng)的從站，并報(bào)告遙調(diào)的結(jié)果。從站在收到指令后即修改自己的保護(hù)定值。
3．3．3　遙測(cè)
　　遙測(cè)是通過主站對(duì)各從站的電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)。通訊子站向上位機(jī)報(bào)送工作參數(shù)如下：各子站實(shí)時(shí)A、B、C、N相電流值，UAB、UAC、UCA的電壓值等。
　　故障記錄可記錄以下的故障參數(shù)：故障時(shí)的A、B、C、N相電流值，UAB、UBC、UCA的電壓值，故障類型，故障動(dòng)作時(shí)間。并將這些故障記錄在故障數(shù)據(jù)庫(kù)中。
　　計(jì)算機(jī)以棒圖、絕對(duì)值表等方式顯示各子站的當(dāng)前實(shí)時(shí)電流、電壓，以實(shí)時(shí)曲線顯示各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀況。
3．3．4　遙訊
　　
　　遙訊是通過主站計(jì)算機(jī)查看從站的型號(hào)，閉合、斷開狀態(tài)，各項(xiàng)保護(hù)定值，及從站的運(yùn)行和故障信息狀況等信息。從站斷路器向上位機(jī)報(bào)送參數(shù)主要有：開關(guān)型號(hào)、開關(guān)狀態(tài)（合／分）、故障信息、報(bào)警信息、各種保護(hù)設(shè)定值等。
3．3．5　系統(tǒng)其它功能
　　除了四遙操作控制功能外，系統(tǒng)還具有多種管理功能：事故報(bào)警、事件記錄、檢修掛牌、交接班管理、負(fù)荷趨勢(shì)分析、多種報(bào)表打印等。
4　結(jié)束語
　　該系統(tǒng)經(jīng)過一年開發(fā)與調(diào)試，在杭州紅申電器有限公司配電房運(yùn)行正常。該系統(tǒng)投入運(yùn)行后，管理人員對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀況能隨時(shí)監(jiān)控，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)，提供了故障情況下實(shí)時(shí)在線分析的功能，使故障報(bào)警到排除故障時(shí)間大為縮短，實(shí)現(xiàn)了配電管理自動(dòng)化的預(yù)期目的。

1　潘洪躍．基于Modbus協(xié)議通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)．計(jì)量技術(shù)，2002（4）
2　高　放，等．在PC機(jī)上模擬PLC實(shí)現(xiàn)MODBUS通信．微計(jì)算機(jī)信息，2001（5）