2014年05月21日

基于MODBUS通信协议的低压交流配电柜智能系统

  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,系统的组成与结构,以及软件实现的具体功能。

  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。低压配电系统采集配电房中各配电柜的电参量信息、断器状态信息,实现对各配电柜的遥控、遥测、遥调、遥讯。

  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。

  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器。为较快的传输速度,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类屏蔽双绞线所示。

  低压控制柜主要部件为HSW1智能型万能式低压断器,智能控制器基于PIC18C658单片机。断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,并控制断器的通/断;并通过内置MAX485芯片实现与通信。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。

  电网所使用的DIRISC型电量器,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。器以RS485接口,采用MODBUS协议中的RTU模式与连接,传送电网数据。电量器根据实际应用,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,此功能可向电量器写入多个设定值参数,一次最多可写入多个设定值参数。

  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。

  遥控是通过主站工控机对每一从站断器进行储能、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。

  遥调是通过主站工控机对从站的定值进行设置。在主站工控机中存有所有从站的定值表,选定对象后,系统即提供相应对象的所有定值的当前设置,以及该对象的定值表,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定值。

  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。

  遥讯是通过主站计算机查看从站的型号,闭合、断开状态,各项定值,及从站的运行和故障信息状况等信息。从站断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、交管理、负荷趋势分析、多种报表打印等。

  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,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。

  2高放,等.在PC机上模拟PLC实现MODBUS通信.微计算机信息,2001(5)

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