基于MODBUS通信协议的低压交流配电柜智能监控系统

基于MODBUS通信协议的低压交流配电柜智能监控系统

介绍了一种基于MODBUS协议的低压开关柜智能监测系统：以工控机为主站，带协议接口的智能控制器和网络仪表为从站，使用MODBUS协议实现了计算机与现场智能仪表之间的数据传输。介绍了MODBUS通信协议的基本内容和格式，监控系统的组成与结构，以及软件实现的具体功能。
    关键词：低压控制柜，监控系统，MODBUS协议

1　引　言
　　现场总线是应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。
　　目前，我国大多数配电房中使用的低压配电系统没有实现智能化控制，管理人员无法及时发现问题，处理突发事件。具有通信功能的智能控制器的开发及其在断路器上的应用，以及智能网络仪表的应用，使得通过现场总线实现低压配电智能化成为可能。低压配电监控系统采集配电房中各配电柜的电参量信息、断路器状态信息，实现对各配电柜的遥控、遥测、遥调、遥讯。
2　MODBUS协议介绍
　　MODBUS是MODICON公司为其生产的PLC设计的一种通信协议，从功能上看，可以认为是一种现场总线。MODBUS协议定义了消息域格式和内容的公共格式，使控制器能认识和使用消息结构，而无需考虑通信网络的拓扑结构。它描述了一个控制器访问其它设备的过程，当采用MODBUS协议通信时，此协议规定每个控制器需要知道自己的设备地址，识别按地址发来的消息，如何响应来自其它设备的请求，如何侦测错误并记录。
　　控制器通信采用主－从技术，即，只有主设备能发出查询，从设备响应消息。主设备可单独和从设备通信，从设备返回一个消息。如果采用广播方式（地址为零）查询，从设备不作任何回应。
　　MODBUS通信有两种模式：ASCII和RTU模式。一个MODBUS通信系统中只能选择一种模式，不允许两种模式混合使用。
　　采用RTU模式，消息的起始位以至少3．5个字符传输时间的停顿开始（一般采用4个），在传输完最后一个字符后，有一个至少3．5个字符传输时间的停顿来标识结束。一个新的消息可在此停顿后开始。在接收期间，如果等待接收下一个字符的时间超过1．5个字符传输时间，则认为是下一个消息的开始。校验码采用CRC－16方式，只对设备地址、功能代码和数据段进行。整个消息帧必须作为一连续的流传输，传输速率较ASCII模式高。
　　MODBUS可能的从设备地址是0～247（十进制），单个设备的地址范围是1～247。
　　可能的功能代码范围是十进制的1～255。其中有些代码适用于所有的控制器，有些是针对某种MODICON控制器，有些是为用户保留或备用。
3　系统实现
　　MODBUS标准物理层采用RS232接口，由于实际应用中强电干扰较大，且是多点连接，所以，我们采用RS485接口。同时，由于配电房中配电柜集中安装，不需要采用复杂的网络拓扑结构。
    上位机采用工控机，外接RS232／485转换接口。断路器为某公司生产的HSW1系列，共5台。主进线处采用法国“溯高美”（SOCOMEC）公司的“电能士系列”（DIRISSYSTEM）智能型电力系统电量监控器。为保证较快的传输速度，系统通信采用MODBUS推荐的RTU传输模式。表1所示为RTU传输模式每个字符的数据格式，表2为MODBUS协议RTU消息帧的格式。系统连接的通信介质为A类屏蔽双绞线。系 统框图如图1所示。

3．1　智能控制器
　　低压控制柜主要部件为HSW1智能型万能式低压断路器，智能控制器基于PIC18C658单片机。断路器硬件组成框图如图2所示。

　　智能控制器可设定过载长延时反时限、短延时反时限、定时限、瞬时功能；还可采集整定电流、动作电流、各线电压，并控制断路器的通／断；并通过内置MAX485芯片实现与外界通信。
　　在实现智能控制器的MODBUS协议时，主要难点在RTU模式的停顿时间的实现上。首先，我们计算每个字节传输所需要的时间t，在初始化USART时，PIC18C658的Timer1置零并计时，Timer1的时限为4t，流程图如图3所示。因为RTU模式下为连续数据流，在连续接收数据期间，如果字符接收时间超过2t，则丢掉本次信息。信息接收完毕，利用Timer1定时中断控制结束时间间隔，同时处理数据及错误。
3．2　电量监控器
　　电网监控所使用的DIRISC型电量监控器，可检测三相四线制的相电压、线电压、相电流、零线电流、有功／无功功率、功率因素、频率及相应的最大值。监控器以RS485接口，采用MODBUS协议中的RTU模式与外界连接，传送电网监控数据。电量监控器根据实际应用，仅使用MODBUS通信协议中的部分功能：03功能，此功能可读取电量监控器中的任何测量值和设定值参数，一次最多可读128个字数据；06功能，此功能可向电量监控器写入设定值参数，此功能一次只能写一个字数据，10功能，此功能可向电量监控器写入多个设定值参数，一次最多可写入多个设定值参数。
3．3　上位机软件的实现
　　上位机软件采用VC6．0开发，操作系统为Windows NT4．0。在软件编程时要注意的问题是，由于MODBUS协议是MODICON公司为其PLC开发的，多数命令只适用于MODICON的PLC，因此需要自己增加一些命令，以适应通信要求。主要实现功能如下。
3．3．1　遥控
　　遥控是通过主站工控机对每一从站断路器进行储能、闭合、断开的操作控制。操作者从系统界面上选取相应的对象，系统即提供相应对象的当前运行状态，可发出遥控“合”或“分”的指令。系统将指令传递给相应断路器从站，从站在收到指令后，即按既定的时序进行分断、闭合、储能等操作，并向主站报告遥控的结果。
3．3．2　遥调
　　遥调是通过主站工控机对从站的保护定值进行设置。在主站工控机中存有所有从站的保护定值表，选定对象后，系统即提供相应对象的所有保护定值的当前设置，以及该对象的保护定值表，可从参数中选择需要的参数，然后点击相应的按钮，主站便把参数下载给相应的从站，并报告遥调的结果。从站在收到指令后即修改自己的保护定值。
3．3．3　遥测
　　遥测是通过主站对各从站的电网运行参数实现监测。通讯子站向上位机报送工作参数如下：各子站实时A、B、C、N相电流值，UAB、UAC、UCA的电压值等。
　　故障记录可记录以下的故障参数：故障时的A、B、C、N相电流值，UAB、UBC、UCA的电压值，故障类型，故障动作时间。并将这些故障记录在故障数据库中。
　　计算机以棒图、绝对值表等方式显示各子站的当前实时电流、电压，以实时曲线显示各节点的运行状况。
3．3．4　遥讯
　　
　　遥讯是通过主站计算机查看从站的型号，闭合、断开状态，各项保护定值，及从站的运行和故障信息状况等信息。从站断路器向上位机报送参数主要有：开关型号、开关状态（合／分）、故障信息、报警信息、各种保护设定值等。
3．3．5　系统其它功能
　　除了四遥操作控制功能外，系统还具有多种管理功能：事故报警、事件记录、检修挂牌、交接班管理、负荷趋势分析、多种报表打印等。
4　结束语
　　该系统经过一年开发与调试，在杭州红申电器有限公司配电房运行正常。该系统投入运行后，管理人员对系统运行状况能随时监控，减轻了劳动强度，同时，提供了故障情况下实时在线分析的功能，使故障报警到排除故障时间大为缩短，实现了配电管理自动化的预期目的。

1　潘洪跃．基于Modbus协议通信的设计与实现．计量技术，2002（4）
2　高　放，等．在PC机上模拟PLC实现MODBUS通信．微计算机信息，2001（5）