基于MODBUS通信協議的低壓交流配電柜智能監控系統
摘 要：介紹了一種基于MODBUS協議的低壓開關柜智能監測系統：以工控機為主站，帶協議接口的智能控制器和網絡儀表為從站，使用MODBUS協議實現了計算機與現場智能儀表之間的數據傳輸。介紹了MODBUS通信協議的基本內容和格式，監控系統的組成與結構，以及軟件實現的具體功能。
關鍵詞：低壓控制柜，監控系統，MODBUS協議
一、引言
現場總線是應用在生產現場，在微機化測量控制設備之間實現雙向串行多節點數字通信的系統，也被稱為開放式、數字化、多點通信的底層控制網絡。
目前，我國大多數配電房中使用的低壓配電系統沒有實現智能化控制，管理人員無法及時發現問題，處理突發事件。具有通信功能的智能控制器的開發及其在斷路器上的應用，以及智能網絡儀表的應用，使得通過現場總線實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、斷路器狀態信息，實現對各配電柜的遙控、遙測、遙調、遙訊。
二、MODBUS協議介紹
MODBUS是MODICON公司為其生產的PLC設計的一種通信協議，從功能上看，可以認為是一種現場總線。MODBUS協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，而無需考慮通信網絡的拓撲結構。它描述了一個控制器訪問其它設備的過程，當采用MODBUS協議通信時，此協議規定每個控制器需要知道自己的設備地址，識別按地址發來的消息，如何響應來自其它設備的請求，如何偵測錯誤并記錄。
控制器通信采用主－從技術，即，只有主設備能發出查詢，從設備響應消息。主設備可單獨和從設備通信，從設備返回一個消息。如果采用廣播方式（地址為零）查詢，從設備不作任何回應。
MODBUS通信有兩種模式：ASCII和RTU模式。一個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個字符傳輸時間的停頓開始（一般采用4個），在傳輸完最后一個字符后，有一個至少3．5個字符傳輸時間的停頓來標識結束。一個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字符的時間超過1．5個字符傳輸時間，則認為是下一個消息的開始。校驗碼采用CRC－16方式，只對設備地址、功能代碼和數據段進行。整個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（十進制），單個設備的地址范圍是1～247。
可能的功能代碼范圍是十進制的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，有些是為用戶保留或備用。
三、系統實現
MODBUS標準物理層采用RS232接口，由于實際應用中強電干擾較大，且是多點連接，所以，我們采用RS485接口。同時，由于配電房中配電柜集中安裝，不需要采用復雜的網絡拓撲結構。
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的HSW1系列，共5臺。主進線處采用法國“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傳輸模式每個字符的數據格式，表2為MODBUS協議RTU消息幀的格式。系統連接的通信介質為A類屏蔽雙絞線。
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。
智能控制器可設定過載長延時反時限、短延時反時限、定時限、瞬時功能；還可采集整定電流、動作電流、各線電壓，并控制斷路器的通／斷；并通過內置MAX485芯片實現與外界通信。
在實現智能控制器的MODBUS協議時，主要難點在RTU模式的停頓時間的實現上。首先，我們計算每個字節傳輸所需要的時間t，在初始化USART時，PIC18C658的Timer1置零并計時，Timer1的時限為4t。因為RTU模式下為連續數據流，在連續接收數據期間，如果字符接收時間超過2t，則丟掉本次信息。信息接收完畢，利用Timer1定時中斷控制結束時間間隔，同時處理數據及錯誤
2、電量監控器
電網監控所使用的DIRISC型電量監控器，可檢測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、頻率及相應的最大值。監控器以RS485接口，采用MODBUS協議中的RTU模式與外界連接，傳送電網監控數據。電量監控器根據實際應用，僅使用MODBUS通信協議中的部分功能：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個字數據；06功能，此功能可向電量監控器寫入設定值參數，此功能一次只能寫一個字數據，10功能，此功能可向電量監控器寫入多個設定值參數，一次最多可寫入多個設定值參數。
3、上位機軟件的實現
上位機軟件采用VC6．0開發，操作系統為Windows NT4．0。在軟件編程時要注意的問題是，由于MODBUS協議是MODICON公司為其PLC開發的，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。主要實現功能如下。
（1）遙控
遙控是通過主站工控機對每一從站斷路器進行儲能、閉合、斷開的操作控制。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，可發出遙控“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，即按既定的時序進行分斷、閉合、儲能等操作，并向主站報告遙控的結果。
（2）遙調
遙調是通過主站工控機對從站的保護定值進行設置。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）遙測
遙測是通過主站對各從站的電網運行參數實現監測。通訊子站向上位機報送工作參數如下：各子站實時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：故障時的A、B、C、N相電流值，UAB、UBC、UCA的電壓值，故障類型，故障動作時間。并將這些故障記錄在故障數據庫中。
計算機以棒圖、絕對值表等方式顯示各子站的當前實時電流、電壓，以實時曲線顯示各節點的運行狀況。
（4）遙訊
遙訊是通過主站計算機查看從站的型號，閉合、斷開狀態，各項保護定值，及從站的運行和故障信息狀況等信息。從站斷路器向上位機報送參數主要有：開關型號、開關狀態（合／分）、故障信息、報警信息、各種保護設定值等。
（5）系統其它功能
除了四遙操作控制功能外，系統還具有多種管理功能：事故報警、事件記錄、檢修掛牌、交接班管理、負荷趨勢分析、多種報表打印等。
四、結束語
該系統經過一年開發與調試，在杭州紅申電器有限公司配電房運行正常。該系統投入運行后，管理人員對系統運行狀況能隨時監控，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，實現了配電管理自動化的預期目的。
關鍵詞：低壓控制柜，監控系統，MODBUS協議
一、引言
現場總線是應用在生產現場，在微機化測量控制設備之間實現雙向串行多節點數字通信的系統，也被稱為開放式、數字化、多點通信的底層控制網絡。
目前，我國大多數配電房中使用的低壓配電系統沒有實現智能化控制，管理人員無法及時發現問題，處理突發事件。具有通信功能的智能控制器的開發及其在斷路器上的應用，以及智能網絡儀表的應用，使得通過現場總線實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、斷路器狀態信息，實現對各配電柜的遙控、遙測、遙調、遙訊。
二、MODBUS協議介紹
MODBUS是MODICON公司為其生產的PLC設計的一種通信協議，從功能上看，可以認為是一種現場總線。MODBUS協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，而無需考慮通信網絡的拓撲結構。它描述了一個控制器訪問其它設備的過程，當采用MODBUS協議通信時，此協議規定每個控制器需要知道自己的設備地址，識別按地址發來的消息，如何響應來自其它設備的請求，如何偵測錯誤并記錄。
控制器通信采用主－從技術，即，只有主設備能發出查詢，從設備響應消息。主設備可單獨和從設備通信，從設備返回一個消息。如果采用廣播方式（地址為零）查詢，從設備不作任何回應。
MODBUS通信有兩種模式：ASCII和RTU模式。一個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個字符傳輸時間的停頓開始（一般采用4個），在傳輸完最后一個字符后，有一個至少3．5個字符傳輸時間的停頓來標識結束。一個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字符的時間超過1．5個字符傳輸時間，則認為是下一個消息的開始。校驗碼采用CRC－16方式，只對設備地址、功能代碼和數據段進行。整個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（十進制），單個設備的地址范圍是1～247。
可能的功能代碼范圍是十進制的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，有些是為用戶保留或備用。
三、系統實現
MODBUS標準物理層采用RS232接口，由于實際應用中強電干擾較大，且是多點連接，所以，我們采用RS485接口。同時，由于配電房中配電柜集中安裝，不需要采用復雜的網絡拓撲結構。
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的HSW1系列，共5臺。主進線處采用法國“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傳輸模式每個字符的數據格式，表2為MODBUS協議RTU消息幀的格式。系統連接的通信介質為A類屏蔽雙絞線。
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。
智能控制器可設定過載長延時反時限、短延時反時限、定時限、瞬時功能；還可采集整定電流、動作電流、各線電壓，并控制斷路器的通／斷；并通過內置MAX485芯片實現與外界通信。
在實現智能控制器的MODBUS協議時，主要難點在RTU模式的停頓時間的實現上。首先，我們計算每個字節傳輸所需要的時間t，在初始化USART時，PIC18C658的Timer1置零并計時，Timer1的時限為4t。因為RTU模式下為連續數據流，在連續接收數據期間，如果字符接收時間超過2t，則丟掉本次信息。信息接收完畢，利用Timer1定時中斷控制結束時間間隔，同時處理數據及錯誤
2、電量監控器
電網監控所使用的DIRISC型電量監控器，可檢測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、頻率及相應的最大值。監控器以RS485接口，采用MODBUS協議中的RTU模式與外界連接，傳送電網監控數據。電量監控器根據實際應用，僅使用MODBUS通信協議中的部分功能：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個字數據；06功能，此功能可向電量監控器寫入設定值參數，此功能一次只能寫一個字數據，10功能，此功能可向電量監控器寫入多個設定值參數，一次最多可寫入多個設定值參數。
3、上位機軟件的實現
上位機軟件采用VC6．0開發，操作系統為Windows NT4．0。在軟件編程時要注意的問題是，由于MODBUS協議是MODICON公司為其PLC開發的，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。主要實現功能如下。
（1）遙控
遙控是通過主站工控機對每一從站斷路器進行儲能、閉合、斷開的操作控制。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，可發出遙控“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，即按既定的時序進行分斷、閉合、儲能等操作，并向主站報告遙控的結果。
（2）遙調
遙調是通過主站工控機對從站的保護定值進行設置。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）遙測
遙測是通過主站對各從站的電網運行參數實現監測。通訊子站向上位機報送工作參數如下：各子站實時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：故障時的A、B、C、N相電流值，UAB、UBC、UCA的電壓值，故障類型，故障動作時間。并將這些故障記錄在故障數據庫中。
計算機以棒圖、絕對值表等方式顯示各子站的當前實時電流、電壓，以實時曲線顯示各節點的運行狀況。
（4）遙訊
遙訊是通過主站計算機查看從站的型號，閉合、斷開狀態，各項保護定值，及從站的運行和故障信息狀況等信息。從站斷路器向上位機報送參數主要有：開關型號、開關狀態（合／分）、故障信息、報警信息、各種保護設定值等。
（5）系統其它功能
除了四遙操作控制功能外，系統還具有多種管理功能：事故報警、事件記錄、檢修掛牌、交接班管理、負荷趨勢分析、多種報表打印等。
四、結束語
該系統經過一年開發與調試，在杭州紅申電器有限公司配電房運行正常。該系統投入運行后，管理人員對系統運行狀況能隨時監控，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，實現了配電管理自動化的預期目的。
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