基于MODBUS通信協(xié)議的低壓交流配電柜智能監控系
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基于MODBUS通信協(xié)議的低壓交流配電柜智能監控系統
介紹了一種基于MODBUS協(xié)議的低壓開(kāi)關(guān)柜智能監測系統：以工控機為主站，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)現了計算機與現場(chǎng)智能儀表之間的數據傳輸。介紹了MODBUS通信協(xié)議的基本內容和格式，監控系統的組成與結構，以及軟件實(shí)現的具體功能。
關(guān)鍵詞：低壓控制柜，監控系統，MODBUS協(xié)議
1 引 言
現場(chǎng)總線(xiàn)是應用在生產(chǎn)現場(chǎng)，在微機化測量控制設備之間實(shí)現雙向串行多節點(diǎn)數字通信的系統，也被稱(chēng)為開(kāi)放式、數字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò )。
目前，我國大多數配電房中使用的低壓配電系統沒(méi)有實(shí)現智能化控制，管理人員無(wú)法及時(shí)發(fā)現問(wèn)題，處理突發(fā)事件。具有通信功能的智能控制器的開(kāi)發(fā)及其在斷路器上的應用，以及智能網(wǎng)絡(luò )儀表的應用，使得通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)現低壓配電智能化成為可能。低壓配電監控系統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)現對各配電柜的遙控、遙測、遙調、遙訊。
2 MODBUS協(xié)議介紹
MODBUS是MODICON公司為其生產(chǎn)的PLC設計的一種通信協(xié)議，從功能上看，可以認為是一種現場(chǎng)總線(xiàn)。MODBUS協(xié)議定義了消息域格式和內容的公共格式，使控制器能認識和使用消息結構，而無(wú)需考慮通信網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構。它描述了一個(gè)控制器訪(fǎng)問(wèn)其它設備的過(guò)程，當采用MODBUS協(xié)議通信時(shí)，此協(xié)議規定每個(gè)控制器需要知道自己的設備地址，識別按地址發(fā)來(lái)的消息，如何響應來(lái)自其它設備的請求，如何偵測錯誤并記錄。
控制器通信采用主－從技術(shù)，即，只有主設備能發(fā)出查詢(xún)，從設備響應消息。主設備可單獨和從設備通信，從設備返回一個(gè)消息。如果采用廣播方式（地址為零）查詢(xún)，從設備不作任何回應。
MODBUS通信有兩種模式：ASCII和RTU模式。一個(gè)MODBUS通信系統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(kāi)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(lái)標識結束。一個(gè)新的消息可在此停頓后開(kāi)始。在接收期間，如果等待接收下一個(gè)字符的時(shí)間超過(guò)1．5個(gè)字符傳輸時(shí)間，則認為是下一個(gè)消息的開(kāi)始。校驗碼采用CRC－16方式，只對設備地址、功能代碼和數據段進(jìn)行。整個(gè)消息幀必須作為一連續的流傳輸，傳輸速率較ASCII模式高。
MODBUS可能的從設備地址是0～247（十進(jìn)制），單個(gè)設備的地址范圍是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，有些是針對某種MODICON控制器，有些是為用戶(hù)保留或備用。
3 系統實(shí)現
MODBUS標準物理層采用RS232接口，由于實(shí)際應用中強電干擾較大，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，不需要采用復雜的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。
上位機采用工控機，外接RS232／485轉換接口。斷路器為某公司生產(chǎn)的HSW1系列，共5臺。主進(jìn)線(xiàn)處采用法國“溯高美”（SOCOMEC）公司的“電能士系列”（DIRISSYSTEM）智能型電力系統電量監控器。為保證較快的傳輸速度，系統通信采用MODBUS推薦的RTU傳輸模式。表1所示為RTU傳輸模式每個(gè)字符的數據格式，表2為MODBUS協(xié)議RTU消息幀的格式。系統連接的通信介質(zhì)為A類(lèi)屏蔽雙絞線(xiàn)。系 統框圖如圖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(wàn)能式低壓斷路器，智能控制器基于PIC18C658單片機。斷路器硬件組成框圖如圖2所示。
智能控制器可設定過(guò)載長(cháng)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(xiàn)電壓，并控制斷路器的通／斷；并通過(guò)內置MAX485芯片實(shí)現與外界通信。
在實(shí)現智能控制器的MODBUS協(xié)議時(shí)，主要難點(diǎn)在RTU模式的停頓時(shí)間的實(shí)現上。首先，我們計算每個(gè)字節傳輸所需要的時(shí)間t，在初始化USART時(shí)，PIC18C658的Timer1置零并計時(shí)，Timer1的時(shí)限為4t，流程圖如圖3所示。因為RTU模式下為連續數據流，在連續接收數據期間，如果字符接收時(shí)間超過(guò)2t，則丟掉本次信息。信息接收完畢，利用Timer1定時(shí)中斷控制結束時(shí)間間隔，同時(shí)處理數據及錯誤。
3．2 電量監控器
電網(wǎng)監控所使用的DIRISC型電量監控器，可檢測三相四線(xiàn)制的相電壓、線(xiàn)電壓、相電流、零線(xiàn)電流、有功／無(wú)功功率、功率因素、頻率及相應的最大值。監控器以RS485接口，采用MODBUS協(xié)議中的RTU模式與外界連接，傳送電網(wǎng)監控數據。電量監控器根據實(shí)際應用，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控器中的任何測量值和設定值參數，一次最多可讀128個(gè)字數據；06功能，此功能可向電量監控器寫(xiě)入設定值參數，此功能一次只能寫(xiě)一個(gè)字數據，10功能，此功能可向電量監控器寫(xiě)入多個(gè)設定值參數，一次最多可寫(xiě)入多個(gè)設定值參數。
3．3 上位機軟件的實(shí)現
上位機軟件采用VC6．0開(kāi)發(fā)，操作系統為Windows NT4．0。在軟件編程時(shí)要注意的問(wèn)題是，由于MODBUS協(xié)議是MODICON公司為其PLC開(kāi)發(fā)的，多數命令只適用于MODICON的PLC，因此需要自己增加一些命令，以適應通信要求。主要實(shí)現功能如下。
3．3．1 遙控
遙控是通過(guò)主站工控機對每一從站斷路器進(jìn)行儲能、閉合、斷開(kāi)的操作控制。操作者從系統界面上選取相應的對象，系統即提供相應對象的當前運行狀態(tài)，可發(fā)出遙控“合”或“分”的指令。系統將指令傳遞給相應斷路器從站，從站在收到指令后，即按既定的時(shí)序進(jìn)行分斷、閉合、儲能等操作，并向主站報告遙控的結果。
3．3．2 遙調
遙調是通過(guò)主站工控機對從站的保護定值進(jìn)行設置。在主站工控機中存有所有從站的保護定值表，選定對象后，系統即提供相應對象的所有保護定值的當前設置，以及該對象的保護定值表，可從參數中選擇需要的參數，然后點(diǎn)擊相應的按鈕，主站便把參數下載給相應的從站，并報告遙調的結果。從站在收到指令后即修改自己的保護定值。
3．3．3 遙測
遙測是通過(guò)主站對各從站的電網(wǎng)運行參數實(shí)現監測。通訊子站向上位機報送工作參數如下：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：故障時(shí)的A、B、C、N相電流值，UAB
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