MODBUS通信協(xié)議在水廠供電系統(tǒng)中的應用

1、MODBUS通信協(xié)議在水廠供電系統(tǒng)中的應用2008-7-2 9:58:00吳 杰供稿摘要：本文主要介紹了Modbus的通信功能，以及ModBus的通訊總線在水廠生產(chǎn)過程中對電量監(jiān)測的應用。Modbus通訊協(xié)議在水廠中應用既節(jié)省人力，降低生產(chǎn)成本;又能減少事故發(fā)生可能性，提高工作效率和生產(chǎn)安全性。實際應用表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，安裝維護簡單方便，為水廠供電監(jiān)測系統(tǒng)提供了一種較好的選擇方案。 關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡電力儀表，Modbus通訊協(xié)議，RS485接口，供電系統(tǒng)ApplicationofModbusCommunicationProtocolinWaterPlantPowerSupplySystem

2、Abstract：Inthispaper,thecommunicationfunctionofModbusprotocolandtheapplicationofitscommunicationbusintheelectricparametermeasurementofwaterplantproductionprocessarenarrated.TheapplicationofModbuscommunicationinwaterplantnotonlyreducesthecostofproductionbysavinglabourpower,butalsoimprovesworkefficien

3、cyandproductionsecuritybycuttingdownthepossibilityofaccidentoccuring.Practicalapplicationindicatesthesystemrunsstablyandreliably,whoseinstallationandmaintenancearesimpleandconvenient.Sothesystemoffersabetterchoiceforwaterpowersupplymonitoringsystem.Keywords：networkelectricinstrument,Modbuscommunicat

4、ionprotocol,RS485interface,powersupplysystem1.緒論在水廠生產(chǎn)中，維持恒壓供水至關(guān)重要。而要實現(xiàn)恒壓供水，控制水泵轉(zhuǎn)速意義重大，水泵轉(zhuǎn)速與供電系統(tǒng)有關(guān)，因此加強對供電系統(tǒng)監(jiān)控，尤為必要。傳統(tǒng)的的供電監(jiān)控都是在變配電室安排專人檢查，實行三班倒即輪流值班工作制度，一天二十四小時不離人，既浪費人力，又不安全。新的輸配電系統(tǒng)期望在無人或少人值班的情況下，能自動記錄電力參數(shù)的變異，掌握電力運轉(zhuǎn)的品質(zhì)。當事故發(fā)生時，可以迅速掌握故障所在，減少查詢時間，加速恢復正常供電?；谏鲜瞿康?，本文研究應用江陰長江斯菲爾公司生產(chǎn)的網(wǎng)絡電力儀表構(gòu)成供電監(jiān)控系統(tǒng)，通過電壓互感器

5、和電流互感器監(jiān)測三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、頻率和四象電能等電量。該監(jiān)控系統(tǒng)主機外接RS485接口，采用MODBUSRTU通訊協(xié)議，通過屏蔽雙絞線以總線方式與網(wǎng)絡電力儀表相聯(lián)系。如果上位機不帶RS485接口，而只有RS232接口，可通過RS232/485轉(zhuǎn)換器連接。合肥供水集團公司巢湖水源廠安裝了該監(jiān)控系統(tǒng)，運行一年來，沒有發(fā)生過一次故障，實時性好，可靠性高，既節(jié)省了人力，提高了工作效率;又減少了事故發(fā)生的可能性，提高了生產(chǎn)安全性。2.MODBUSRTU通信協(xié)議ModBusRTU通訊協(xié)議是Modicon公司的注冊商標,采用主從問答方式工作，是目前國際智能化儀表普遍采用的主流通訊協(xié)議

6、之一1。ModBusRTU通訊協(xié)議有兩種傳輸模式，分為RTU模式和ASCII模式，其中RTU模式信息幀中的8位數(shù)據(jù)包括兩個4位16進制字符，相對于ASCII模式，RTU模式表達相同的信息需要較少的位數(shù)，且在相同通訊速率下具有更大的數(shù)據(jù)流量。因此通常情況下，一般工業(yè)智能儀器儀表都是采用RTU模式。江陰長江斯菲爾公司生產(chǎn)的電力儀表大都采用MODBUSRTU通訊協(xié)議，允許一臺主機和多臺從機之間進行數(shù)據(jù)通信，在其生產(chǎn)的CD194E系列儀表通訊系統(tǒng)中，主機是微機（PC、工控機或PLC）,從機是CD194E型儀表。在該分散通訊系統(tǒng)中，允許總線掛接儀表多達128塊，通訊距離可達到1千200米。通訊方式采用主

7、機請求，從機應答，即：主機提出命令請求，從機接收數(shù)據(jù)后作數(shù)據(jù)分析，如果數(shù)據(jù)滿足通訊規(guī)約，從機作數(shù)據(jù)響應。主從機間的通訊約定：主機發(fā)送的每一幀數(shù)據(jù)由四個部分組成，分別為從機地址、命令字、信息字、校驗碼。從機地址（1個字節(jié)）是從機設備號，主機利用從機地址來識別進行通訊的從機設備，表明用戶設置地址的從機將接收主機發(fā)送來的信息。每個從機都必須有唯一的地址碼，并且只有符合地址碼的從機才能響應回送。命令字（1個字節(jié)）是主機發(fā)送的功能碼，告訴從機執(zhí)行什么任務。信息字（N個字節(jié)）包括進行兩機通訊中各種數(shù)據(jù)地址、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)信息。校驗碼（2個字節(jié)）用于檢測數(shù)據(jù)通訊錯誤，采用循環(huán)冗余碼CRC16。主機利用通訊命

8、令，可以進行讀取點（保持寄存器）或返回值（輸入寄存器）的操作。保持寄存器和輸入寄存器都是16位（2字節(jié)，即1個字）值，并且高位在前，這樣寄存器中相同數(shù)據(jù)區(qū)域可以是字地址表示，也可以是字節(jié)地址表示。若是字地址，主機就必須以字方式（通過WORD地址）發(fā)送命令給寄存器;若是字節(jié)地址，主機就必須以字節(jié)方式（通過BYTE地址）發(fā)送命令給寄存器。在上述兩種方式下，若通訊正常，則從機返回相同的數(shù)據(jù)。但若字地址與字節(jié)地址搞反將會得到錯誤結(jié)果或得不到從機響應。MODBUS通訊系統(tǒng)中以字節(jié)方式通訊為主。CD194E型儀表支持這兩種方式。使用CD194E型網(wǎng)絡電力儀表時，首先要進行通訊參數(shù)的設置：通過儀表上的編程鍵

9、盤對儀表進行通訊參數(shù)設置：（1）儀表地址：設置通訊網(wǎng)絡中從機（儀表）地址號，可以設置為1247。（2）通訊速度：設置通訊網(wǎng)絡中通訊速度，可選擇通訊速度（波特率）為4800或9600。下位機與上位機的通信波特率一般可自由設定，但必須保證上下機的通信波特率對應匹配。（3）數(shù)據(jù)格式：設置通訊網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)格式：1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位，可選擇無校驗位、奇校驗位、偶校驗位。（4）通訊協(xié)議：可選擇字通訊或字節(jié)通訊。網(wǎng)絡連接如圖1所示。連接好儀表上通訊線（RS485：A+,B-）。連接線建議采用雙絞屏蔽線，同時雙絞屏蔽線的兩端都接地，以減少現(xiàn)場干擾。增加終端電阻Z0=120可減少反射干擾，建議在通訊

10、速度快（9600）或通訊距離較遠的情況下（700m）的情況下連接。圖1網(wǎng)絡連接3.應用Modbus實現(xiàn)電量監(jiān)測電力測量包括高壓電力計量和低壓電量計量，其中高壓部分包括進線相電壓，相電流，全廠有功功率，無功功率及電度。低壓包括各主要電氣設備的電壓、電流和功耗。由于電量監(jiān)控點較多，而且分布較廣，因此單獨布線不僅增加了工程量，而且對于資源也是浪費，如果所選用的電力儀表具有通訊功能，不僅可以獲得更完整的信息，而且節(jié)省了大量的布線。原設計采用了點對點的連接，全部的電量監(jiān)測量大約為24個數(shù)字量，42個模擬量，需要2個16路DI，3個16路AI，不僅占用大量有限資源，而且信息無法滿足監(jiān)測的需要。在改進中，決

11、定采用總線通訊方式，利用雙絞線來取代大量的點對點接線工作，通過RS485通訊接口，按照Modbus協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換，既可以得到更詳盡的信息，又降低了生產(chǎn)成本，同時遠程調(diào)度打下了基礎。4.應用合肥市巢湖水源廠低壓配電房安裝了7臺型號為CD194E-2S4型電力儀表，通過RS485口，用雙屏蔽通訊線將它們與上位機連接起來，上位機選用的是研華工控機。上位機的通信軟件采用VB6.0的開發(fā)環(huán)境。一般用VB開發(fā)串行通信程序有兩種方法:一是利用Windows的通信API函數(shù);另一種是采用VB標準控件Mscomm來實現(xiàn)2。利用API編寫串口通信程序較為復雜，需要掌握大量通信知識，其優(yōu)點是可實現(xiàn)的功能更豐富、應

12、用面更廣泛，更適合于編寫較為復雜的低層次通信程序。VB通信控件Mscomm提供了功能完善的串口數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能，Mscomm控件具有兩種處理方式:1。事件驅(qū)動方式:由Mscomm控件的OnComm事件捕獲并處理通信錯誤及事件;2。查詢方式:通過檢查CommEvent屬性的值來判斷事件和錯誤。Mscomm控件的通信功能實現(xiàn)，實際上是調(diào)用了API函數(shù)，而API函數(shù)是由Comm.drv解釋并傳給設備驅(qū)動程序執(zhí)行的，對于VB程序開發(fā)者只需知道Mscomm控件的屬性和事件的用法即可以實現(xiàn)串口的操作。不論采用哪種方法編寫的串行端口通信程序，一般都可分為以下幾個過程:（1）初始化串行端口3在初始化程序中

13、，需要設定好整個幀結(jié)構(gòu)的命令數(shù)組、傳輸波特率、奇偶校驗、停止位，開辟數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，完成一些必須的串口初始化設定。（2）數(shù)據(jù)傳輸讀寫串行端口可分四種方式:查詢方式、同步I/O、異步（后臺）I/O和事件驅(qū)動I/O。命令字的發(fā)送應該嚴格按照Modbus規(guī)約所設計的幀格式和上下位機在該規(guī)約基礎上所定義的通信協(xié)議來編程。（3）超時控制為了防止意外情況使串口讀寫無休止地等待，必須在程序中設置超時控制。（4）CRC校驗的實現(xiàn)目前儀表類比較普遍采用的是CRC16校驗碼。其生成多項式為X16+X15+X2+1。在算法實現(xiàn)上，可以先預置一個16位的寄存器FFFF（全1），然后把8位的2進制數(shù)據(jù)（一個字節(jié)）與16位的

14、CRC寄存器低8位異或，并把結(jié)果放回CRC寄存器同時寄存器內(nèi)容右移，MSB補0，并檢查移出的LSB。如果LSB為0則繼續(xù)右移動，為1則CRC寄存器與多項式異或。重復上面操作到一個8bit字節(jié)完成，再繼續(xù)對下一個數(shù)據(jù)進行相同處理，直到所有數(shù)據(jù)結(jié)束。這個時候CRC寄存器中的數(shù)據(jù)就是我們所要的CRC碼了。下位機一般是使用固化好通信協(xié)議及工作指令的單片機。因為測控系統(tǒng)多采用的是單發(fā)多收的通信機制4，所以在下位機要允許用戶預先設定本機的地址碼，并且保證不能重復。此外，要注意通信波特率必須與上位機的波特率相匹配。在下位機軟件開發(fā)中，要遵循Modbus規(guī)約的通信幀結(jié)構(gòu)對上位機傳輸?shù)拿钸M行解析：非呼叫對象應

15、能及時重新恢復等待接受狀態(tài);響應呼叫的下位機要解析命令代碼并進行相應的功能處理，對非法的命令操作要能回送報錯信息。在具體的工程開發(fā)中，下位機多是采用各個廠家出產(chǎn)的基于Modbus規(guī)約的智能儀表。這樣雖然簡化了我們開發(fā)的工作量，但是下位機的合理安排與設計能降低系統(tǒng)誤碼率、提高可靠性。因此是每個工業(yè)系統(tǒng)設計人員所不應該忽略的重要部分。在工業(yè)控制中，因為各種干擾源的存在且一般下位機數(shù)量較大，要對RS-485芯片選型有很認真的考慮。條件許可的話盡量選用抗電擊和有較大級連驅(qū)動能力的芯片。理論上485芯片的級連能力至少32門，目前很多芯片廠家都能使工業(yè)級的級連數(shù)達到128以上。在實際應用中應該讓系統(tǒng)具有一定的富余度，一般級連數(shù)不能超過該器件滿載的70%。在選配RS232到RS485轉(zhuǎn)換頭的時候也應該盡量選用有源的轉(zhuǎn)換器，以提高驅(qū)動能力和穩(wěn)定性。此外，工業(yè)現(xiàn)場的降噪、隔離、布線、屏蔽等等措施的合理與否也會對最后系統(tǒng)的穩(wěn)定產(chǎn)生影響。該套系統(tǒng)在合肥市供水集團巢湖水源廠投入運行后，工作人員對系統(tǒng)運行狀況能隨時監(jiān)控，減輕了勞動強度，同時，提供了故障情況下實時在線分析的功能，使故障報警到排除故障時間大為縮短，實