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基于MODBUS协议的叶轮给煤机监控系统刘刚;王刚【摘要】目前,工控技术和工控产品种类繁多,因此不同控制设备之间的通信已成为一个系统能否完成控制任务的关键.Modbus协议由于具有开放性、透明性、成本低和易于开发等特点,已成为当今工业领域通信协议的首选.简单阐述了Modbus协议的基本原理,并结合多品牌PLC与常用设备的互连介绍了Modbus应用的一般方法和注意事项.应用该方法完成了在Modbus通信协议基础上的叶轮给煤机监控系统,对工业现场集中监控和管理的实现具有一定的借鉴意义.【期刊名称】《沈阳工程学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(008)003【总页数】5页(P235-239)【关键词】Modbus ASCII模式;RTU模式;RS-485【作者】刘刚;王刚【作者单位】华能营口热电有限责任公司设备管理部,辽宁营口115000;沈阳工程学院自动控制工程系,沈阳110136【正文语种】中文【中图分类】TP273火电厂常见的叶轮给煤机控制系统由于采购批次的不同而采用了不同品牌的PLC.原有的控制方式为就地独立控制，而现在进行控制系统升级改造时准备采用组态软件作为上位机核心软件，将所有相关系统集中监控和管理，这就面临着如何实现多种设备互连和通信的问题.Modbus协议是1种数据通信协议，通过这个协议，各种不同的设备和网络可相互通信.由于它具有高度的可操作性和开放性，Modbus协议已经成为1种通用性很强的工业控制网络通信协议，许多不同品牌、不同厂家的设备相互之间都可通过该协议交换数据.此次改造采用了Modbus协议作为统一的平台，将不同厂家的PLC有机地结合在一起，形成了1个完整的3级集散控制系统，达到集中监控和管理的目的，实现了系统升级改造.1 MODBUS协议简介Modbus协议是美国Modicon公司于1978年发明的1种支持控制器之间以及控制器经由网络(如以太网)与其他设备之间进行通信的协议.Modbus协议定义了1种信息结构，这种信息结构可以被所有支持该协议的各种设备在通信时认可和使用.它描述了控制器向其他设备发出查询的过程以及其他设备如何进行应答，同时还涵盖了错误的检测和报告等.Modbus协议业已成为开放式的有众多厂商支持的广泛应用的工表1 ASCII模式的帧结构起始位设备地址功能代码数据LRC 校验结束符1个字符2个字符2个字符n个字符2个字符2个字符RTU(Remote Terminal Unit)，即远程终端单元，这业协议.标准Modbus协议的通信方式分为2种，1种为串行接口，1种为面向对象连接的TCP/IP方式.其中串行接口的模式又分为2类，1类为RTU，1类为ASCII.其中最为常用的是RTU模式，而TCP/IP方式则与RTU模式很相似.采用哪种模式由用户根据自己的需要进行选择.在选择时，同一Modbus网络中的所有设备的模式必须一致.Modbus协议规定了消息和数据的结构以及命令和应答的方式，采用主/从(master/slave)技术.由主站发出请求，从站应答请求数据，其数据应答的内容依据功能码进行响应.在1个Modbus总线上，只能有1个master，而slave最多可有247个，地址依次为1～247.进行通信时，只有master才可以发起1个“查询”，充当slave的设备不断地检测，当检测到有自己地址的“查询”时，就会向master发出1个“回应”，或者根据master的命令采取相应的动作.ASCII(American Standard Code for Information Interchange)，即美国信息交换标准代码.在这种模式中(如表1所示)，每8Bit字节被转换成2个ASCII字符进行传送.这种模式的主要优点是传送的每相邻的2字节之间允许最大的时间间隔是1 s.种模式(如表2所示)的特点是信息中每8 Bit的字节被转换为2个4 Bit的十六进制字符来传输.它的优点是具有更大的数据密度，使它在相同的波特率下比ASCII模式有更强的数据吞吐能力.表2 RTU模式的帧结构起始位设备地址功能代码数据CRC 校验结束符T1－T2－T3－T4 8 Bit 8 Bit n个8 Bit 16 Bit T1－T2－T3－T4Modbus协议定义了控制器能够认识和使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的.Modbus协议并没有规定物理层，在实际应用中，可以使用RS-232，RS-422/485，Modem加电话线，TCP/IP等来联网.根据此次现场设备的实际情况和距离，统一采用了RS-485总线作为物理层.2 系统硬件软件配置及调试方法在此次系统升级改造中，Modbus充当的是计算机和PLC等设备之间互连的数据桥梁.计算机通过Modbus采集到PLC送出的现场数据，显示在操作界面上，同时依据设定好的控制策略计算出控制参数，提出下一步的操作方案，再通过Modbus将数据指令传至PLC中，经PLC产生相应的控制动作，完成生产运行的基本控制流程.叶轮给煤机的基本工作过程为:当叶轮给煤机沿着缝隙式煤沟的纵向轨道行走时，它的叶轮伸入煤槽缝隙中，借助于叶轮转动而将煤定量、均匀、连续地拨送到下面的带式输送机的皮带上，因此叶轮给煤机控制系统工况分析如下:①在给煤机移动过程中能够传送动力电源和控制信号;②叶轮给煤机的行走必须在工作叶轮开始旋转后方可进行;③叶轮给煤机应有自动往返行走和自动返回功能，并有极限位置保护;④采用调速装置来改变叶轮的转速以实现对给煤量的精确控制;⑤叶轮给煤机应有就地和远方操作2种操作方式，在集控室(远方)可以很方便地对叶轮给煤机进行行走方向的选择和电动机的启、停控制以及叶轮电机的转速控制.在系统中，煤沟的左右两侧各有2台共计4台叶轮给煤机，可互为备用，也可同时供煤.叶轮给煤机控制系统主要由主机部分、就地控制站和通信部分构成.主机部分设在主控室，就地控制部分安装在叶轮给煤机本体上，通信部分的两端分别在主控部分和就地部分内.主控部分通过通信线路与就地控制站组成Modbus通信控制网络，实现在主控室内通过操作员站，控制和监视现场叶轮给煤机的运行情况. 就地控制站保留了原有的手动部分作为备份.手动部分只能在现场通过操作就地控制站箱门上的操作按钮，来执行叶轮给煤机的单步动作，这部分具有硬件联锁及对叶轮电机、行走电机的过载及短路保护功能.2.1 PLC系统配置目前现场已应用的PLC有:西门子S7—200系列，西门子S7—300系列，SCHINEDER NEZA系列，SCHINEDER TWIDO系列和智能仪表，其中有部分PLC还是通过电力线载波模块与系统设备相连.西门子S7—200、300系列PLC具有RS-232接口，施耐德系列PLC具有RS-485接口，电力线载波模块具有RS-232或RS-485接口，由于RS-232与RS-485接口可以很方便地进行互转，而RS-485又具有更好的抗干扰性能，更远的传输距离和更多的节点数，所以升级改造过程中选择将所有物理接口都统一转换到RS-485这个物理层上，并采用Modbus协议作为通用协议平台.考虑到近期还要加入点对点的GPRS模块，无线电台和现场总线仪表等因素，还选用了组态软件来完成上位机的画面，节约了将来系统的扩充成本和所需时间.施耐德系列PLC本身支持Modbus协议，只需简单配置即可通信.大型PLC一般具有独立的通信模块，比集成型PLC通信功能更强，连接与配置更加简单可靠.下面以SCHINEDER TWIDO系列小型PLC为例说明施耐德系列PLC的硬件连接和配置.个人计算机的RS-232或USB端口通过TSXPCX1031或TSXPCX3030多功能通信电缆与TWIDO PLC的端口1相连接.电缆TSXPCX1031转换RS-232和RS-485间的信号，电缆TSXPCX3030转换USB和RS-485间的信号.电缆上设有4组位置旋转开关可供选择不同模式的操作.开关对应的4个位置依次是“0～3”.经过实际调试验证，当将Twido控制器通过TSXPCX1031通信电缆接入RS-485网络时，开关的正确设置是位置2.连接如图1所示.图1 SCHINEDER TW IDO PLC串口通信连接对于西门子系列PLC进行连接配置时也遵循类似的原则.CP341是西门子S7-300系列点到点的通讯模块，其硬件接口可采用RS-232、TTY、RS-422/485(X27)方式，软件协议有Modbus Master、3964(R)、RK512和ASCII，改造中将其配置成应用Modbus Master协议并采用RS-485接口.Modbus协议本身是Modicon公司发布的，施耐德系列的软件与其配套无任何障碍.西门子系列PLC应用PROFIBUS协议更为方便，为了兼容Modbus协议对S7-200系列PLC采用软件编程的方式，应用Step7 Microwin编程软件，利用库函数将端口0设置成Modbus协议通讯模式，则实现了数据通讯功能.程序设计中，考虑到Modbus通信操作的特点，同时针对本设备的工作特性，在程序中对功能码内容进行调整与合并，既简化了通信过程又保证了通信的畅通.根据叶轮给煤机控制系统工艺要求，改造时对PLC资源分配和控制器部分程序进行如下设计，以实现叶轮给煤机的监控功能.PLC资源分配如表3所示.表3 PLC系统资源分配表位编号I/O叶轮旋转指示2 Q0.1 DO给煤机行走指示－前行3 Q0.2 DO给煤机行走指示－后行4 Q0.3 DO给煤机行走停止信号5 Q0.4 DO清扫电机6 Q0.5 DO给煤机行走启动信号7 Q0.6 DO叶轮停止信号8 Q0.7 DO手动控制信号9 Q0.8 DO自动控制信号10 Q0.9 DO给煤机行走－前极限11 Q1.0 DO给煤机行走异常信号12 Q1.1 DO极限相撞信号13 Q1.2 DO叶轮旋转异常信号14 Q1.3 DO水除尘泵异常15 Q1.4 DO给煤机行走－后极限16 Q1.5 DO给煤机零位17 I0.0 DI叶轮启动18 I0.1 DI叶轮给煤机行走－前行19 I0.2 DI 叶轮给煤机行走－后行20 I0.3 DI给煤机行走停止21 I0.4 DI清扫电机22 I0.5 DI 给煤机行走启动23 I0.6 DI叶轮停止24 I0.7 DI手动/自动切换25 IW0.1.0 AI叶轮转速设置26 QW0.1.0 AO地址数据类型说明1 Q0.0 DO叶轮转速反馈叶轮给煤机控制系统中PLC程序流程如图2所示.图2 PLC梯形程序流程2.2 组态画面配置上位机控制系统主要完成对叶轮给煤机整个工艺流程的监控管理和显示功能，为了能够实时有效地监控现场设备的运行情况并反馈给操作人员，控制系统由一系列生动直观的画面组成，依托于组态软件强大的数据库和操作命令，显示实时数据趋势和历史趋势，为操作员提供丰富的信息和全面的人机交互功能.系统使用组态监控软件来编制上位机画面，同时还开通WEB功能，使远程计算机能通过互联网浏览，实现网上监测.操作员站画面包括:设备主运行监视画面，单设备监控画面，数据表显示画面，报警事件监视画面，历史/实时数据显示画面等.下面依据现场实际运行要求，举例说明上位机控制系统具体完成的任务.1)在主机显示屏上建立叶轮给煤机工作时的主监控画面.主监控画面是按照叶轮给煤机设备的实际布局来设计的(如图3所示).该画面可直观地显示整个叶轮给煤机系统的工作过程，同时显示叶轮给煤机的工作状态，如叶轮转速、故障报警等信息，还可以按比例显示叶轮给煤机的实际运行位置.对于每台叶轮给煤机都设计了触摸动画，点击任何操作按钮，可切换到该给煤机的具体操作画面.2)每台叶轮给煤机的设置画面.只要用鼠标点击显示屏上操作界面上的按钮，现场的叶轮给煤机将执行相应动作.其功能如下:①启动，有3种给煤方式供选择:定点/前行/后行，根据给煤情况可随时调整给煤方式;②停止，停止叶轮给煤机的运行;③叶轮转速设定，设置叶轮初始转速及在运行中的转速调整.图3 主监控画面3)组态软件与PLC的协同工作过程.当鼠标点击监控画面中“叶轮启动按钮”时，上位机将信号传入PLC内部位，使M0为“1”，此时，M10为“1”，并且M10自保持为“1”，同时PLC输出位Q0.0为“1”，使叶轮旋转继电器K001的常开触点闭合，叶轮开始旋转.当用鼠标点击监控画面中的“叶轮停止按钮”时，PLC内部位M6为“1”，M6常闭触点为“0”从而使M10为“0”，同时输出位Q0.0为“0”，使继电器K001的常开触点断开，叶轮停止转动.当用鼠标拖动叶轮转速设定滑块时，PLC内部位MW2对应的字范围对应经过量程变换后的叶轮转速设定值，从而将MW2中的值传入PLC模拟输出位QW0.1.0中，此时叶轮按照设定转速值旋转.在叶轮给煤机向前行走过程中，前极限限位开关感应轨道上的限位信号，使相应的PLC内部位为“1”，从而使上位机画面的位置指示灯状态做出相应变化，按比例反映叶轮给煤机的运行位置.2.3 调试方法及注意事项1)485 总线连接多台PLC和多个智能模块时，每台PLC和每个智能模块的地址必须是唯一的.2)如果某些参数的读写总是返回错误信息，请查看该设备的使用说明，确认是否手工填写的地址超出寄存器有效地址范围.3)如果所有参数的读写都返回错误信息，请检查“等待时间”的设置.4)如果所有参数的读写均超时，请检查设备连接情况.5)设备的站号、波特率、停止位、数据位和奇偶校验等的设置是否正确.6)通信校验时间间隔的设置是否正确，设置为0将导致设备不能通信.7)如果读出的数据与实际的数据不符，请检查寄存器的地址是从0开始还是从1开始，如果从0开始，要在原地址的基础上加1.8)关于MODBUS调试的问题其实大部分都是因为厂家的设计不统一，最多的是浮点数据的处理方式，同一个RTU协议，不同厂家的产品编码方式也有不同.例如32位浮点，有低位在前，也有高位在前的，另外，有的设备寄存器起始地址也不统一.通过使用调试工具观察通信的信息，将上述数据通信错误一一纠正过来.这样通过对相关错误的逐一修改和反复调试，终于实现了在RS-485网络上多种设备的通信，保证了本次系统改造的顺利完成.通过此次改造，主要解决了现场多种设备的集中监控和管理，由组态软件构成了直观生动的监控画面，与改造前单纯的手动控制方式相比，提高了系统的安全性和实时性，降低了劳动强度，提高了生产效率，进一步保障了机组的安全运行.3 结束语伴随着计算机网络、通讯、控制等技术的发展，信息交换沟通领域正迅速覆盖从工厂现场设备层到控制与管理的各个层次.基于Modbus协议的研究，对于实现第三方通信、系统集成互连和集中监控，具有实际意义.利用Modbus协议来实现不同设备之间的通讯，操作简便，适用性强，通讯速度快.Modbus也是一种实力较强的现场总线，在工业控制实现真正的网络化过程中，Modbus必将发挥越来越重要的作用.参考文献［1］廖常初，PLC编程及应用［M］.北京:中国电力出版社，2005.［2］张斑艳.基于低压电力载波通信的叶轮给煤机监控系统［J］.沈阳工程学院:自然科学版，2008，1:47－49.［3］武朝.基于Modbus协议的S7－200PLC主从结构的通信技术研究［J］.机械与电子，2001，4:26－29.。
基于Modbus协议的嵌入式系统网桥的研究的开题
报告
一、研究背景
随着工业智能化的发展，越来越多的工业设备采用了自动化控制系统。
而这些控制系统通常采用Modbus协议进行通信。
随着设备的数量不断增加以及网络的复杂程度不断提高，单一设备的通信能力已逐渐无法
满足需求。
因此，需要一种新的技术，即网桥技术，来实现不同设备间
的通信。
二、研究目的
本研究旨在设计一种基于Modbus协议的嵌入式系统网桥，使得不
同的工业设备能够相互通信，从而提高生产效率和设备利用率。
三、研究内容和方法
1、研究Modbus协议在工业领域的应用以及现有的网桥技术。
2、设计网桥硬件电路，包括主控芯片、通信模块、存储器等。
3、编写网桥软件，包括底层驱动、通信协议栈以及上层应用。
4、进行实验验证，测试网桥的可靠性和性能，并进行功能重点测试。
四、研究意义
1、提高工业设备利用率，减少生产成本。
2、提高生产效率，缩短生产周期。
3、拓展Modbus协议在工业领域的应用。
四、预期成果
1、具备实时通信、数据转发和数据存储等基本功能的Modbus协议嵌入式系统网桥。
2、一份完整的开发文档，包括硬件和软件的详细设计、测试结果等。
FRONTIER DISCUSSION | 前沿探讨基于MODBUS_TCP的防错验证监控系统开发及应用黄春笋 张俊上汽通用五菱汽车股份有限公司 重庆市 401135摘 要： 以发动机装配线为研究对象,通过对防错验证过程的分析，发现了当前防错验证执行的有效性及设备防错功能的有效性靠人工确认。
虽然基层人员会定期检查，但难以保证人员执行的有效性，同时该方法不能做到对防错过程的系统性监控，发动机装配防错装置存在失效,操作人员执行不可靠带来的质量风险。
为解决此问题，开发了一种防错验证监控系统，通过python、PLC编程，基于modbus_tcp协议传输数据，完成对防错验证执行情况的监控、设备防错有效性检测、防错验证发动机精确追溯，并发送信息进行预警功能，最终对生产过程各类防错实施了有效的监控。
关键词：防错 监控 Python modbus_tcp PLC1 前言发动机的可靠性，质量一致性对客户非常重要，为确保发动机装配过程质量，发动机装配生产线在各工位基本100%采用了各类防错措施，采用各类硬件加传感器等方式实现制造过程缺陷不接受，不制造，不传递的目标。
对于新增的风险，通过不断增加软硬件的方式来探测，长此以往，整个防错系统越来越臃肿，急需一套解决方案对各类防错验证的有效性进行系统性管理。
本文以某公司发动机装配线为例，通过该发动机装配线开班防错验证过程的分析研究，发现了防错验证过程中存在的问题（部分装置失效,不按操作规程执行等）。
针对这些问题，提出了基于modbus_tcp协议的低成本解决方案[1][2]，开发了一套防错验证监控系统，该系统自动完成各防错验证状态数据采集，并定时输出报表，预测防错功能失效风险。
2 开班防错验证方法分析该公司发动机装配线共有106个工位，分别由23个PLC控制，可同时共线生产多个机型。
为防止出现错漏装，每个工位都有相应的防错功能，并要求按不同周期开展防错验证，以确保设备正常工作。
能源研究与管理2020（4）开发与应用收稿日期：2020-09-01第一作者：张振宇（1983—），男，工程师，硕士，主要从事发电厂过程控制及生产信息化研究。
E-mail ：249679057@摘要：近年来，随着智能电厂研究和实施的不断深入，厂级监控信息系统（SIS ）在实现全厂一体化管控、整体效益分析、经济运行等方面越来越重要。
以某火电厂SIS 系统建设为例，设计了一种新的SIS 系统网络架构部署方式，简化了SIS 系统网络结构，数据处理更加便利；SIS 系统功能架构分层设计，系统硬件、软件、安全策略及应用功能等结合电厂实际需求优化配置，系统可靠性、信息交互性较高，应用功能较完善，为电厂生产运行、节能管理和决策分析等工作提供强大工具，为类似SIS 系统工程设计提供参考。
建议火电厂SIS 系统建设，应根据实际需要和技术发展，总体规划、分阶段实施，并不断更新、完善和升级。
关键词：火电厂；监控信息系统；系统架构；设计与应用中图分类号：TK012文献标志码：A文章编号：2096－7705（2020）04－0077－06ZHANG Zhenyu,LIU Zongkui,GAO Wensong,LI Zhenyu（Technology Center of SPIC Henan Electric Power Co.,Ltd.,Zhengzhou 450000,China.）In recent years,with the development of intelligent power plant research and implementation,supervisory inform-ation system (SIS)system is becoming more and more important in realizing integrated management and control,overall benefit analysis and economic operation of the whole plant.Taking the SIS system construction of a thermal power plant as an example,a new deployment mode of SIS system network architecture is designed,which simplifies the network structure of SIS system and makes data processing more convenient;the hierarchical design of SIS system functional architecture,system hardware,software,security strategy and application functions are optimized in combination with the actual needs of power plant,resulting in high system reliability,high information interaction and perfect application functions it provides powerful tools for power plant production and operation,energy saving management and decision analysis,and provides reference for similar SIS system engineering design.It is suggested that the SIS system construction of thermal power plant should be based on the actual needs and technical development,and should be implemented in stages,and constantly updated,improved andupgraded.thermal power plant;supervisory information system (SIS);system architecture;design and application火力发电厂厂级监控信息系统的设计与应用张振宇，刘宗奎，高文松，李振宇（国家电投集团河南电力有限公司技术信息中心，郑州450000）引言火电厂厂级监控信息系统（supervisory informa-tion system ，SIS ）属于厂级生产过程自动化范畴，是实现电厂管理信息系统（MIS ）与各种分散控制系统（DCS 、PLC 等）之间数据交换的桥梁。
虚拟仪器与S7-1200系列PLC 基于Modbus TCP协议实现PC对PLC监控LabVIEW是一种图形化编程软件，使用灵活方便，虚拟仪器开发环境能支持多种接口通信，而以太网接口的通信方式被广泛应用到工业设备中，本文详细介绍了使用LabVIEW内置的TCP模块编写上位机的程序，利用了ModbusTCP/ IP 协议实现了PC主机与西门子S7-1200PLC的通信，PC机读取并写入PLC数据块DB的数据。
从而实现对运行设备的监控。
标签：Modbus TCP/IP协议;虚拟仪器;S7-1200PLC1引言LabVIEW不仅具有强大的虚拟仪表功能，还具有丰富的图形界面模块，支持多种通信协议、数字信号处理。
在工业设备控制上用LabVIEW实施设备运行状态显示和设备在PC机上控制，不仅能够达到智能的人机界面、智能化控制，而且便于专业技术人员对控制系统软件的二次开发。
本文以开发垂直升降类机械式立体停车库的上位机为背景，介绍了用LabVIEW实时在线显示车库运行状态和存取车辆的功能。
2 Modbus TCP客户机与服务器Modbus客户机：允许用户应用控制与远程设备的信息交换。
客户机根据用户应用向Modbus客户机接口的发送要求中所包含的参数来建立一个Modbus请求。
Modbus客户机接口提供一个接口，使得用户应用能够生成各类Modbus服务的请求，该服务包括对Modbus应用对象的访问。
Modbus服务器在收到一个Modbus请求以后，模块激活一个本地操作进行读、写、或完成其他操作。
本文将运用Modbus TCP/IP技术实现计算机和西门子S7-1200PLC之间的通信。
3 系统硬件组成上位机上位机采用普通计算机。
由于本系统采用以太网连接，所以要求计算机必须安装有以太网卡。
下位机下位机使用西门子S7-1215C AC/DC/RL Y PLC，固件版本4.2。
选用的CPU 集成两个带隔离的PROFINET以太网端口，该端口都可用于编程上传和下载，支持PC与PLC间通信。
基于Modbus协议的智能电气监控系统张永亮;李凌【摘要】An intelligent monitoring system used in electrical cabinet was designed based on modbus protocol. The device consisted of detector,on-line monitor, embedded monitoring host. The on-line monitor can acquire current, voltage, temperature, leakage current,surge protection failure status information of the distribution box in real-time,and then make early warning,alarm,output tripping action. And based on modbus protocol of RS -485 data bus,it can communicate with the embedded monitoring host which can be responsible for the job of store,query and print.%设计了一种基于Modbus协议的电气开关柜智能监测系统.该装置由探测器、现场监控器、嵌入式监控主机组成.现场监控器能实时采集配电箱里面的电流、电压、温度、漏电流、浪涌保护的失效状态等信息,并作出预警、报警、输出脱扣动作；同时基于Modbus协议,经RS -485总线将数据传输回到嵌入式监控主机上进行储存、查询、输出打印等处理.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2012(000)004【总页数】4页(P41-43,49)【关键词】智能监控系统;Modbus协议;嵌入式监控主机【作者】张永亮;李凌【作者单位】广东机电职业技术学院信息工程学院,广东广州510515;中国科学院深圳先进技术研究院,广东深圳518055【正文语种】中文【中图分类】TP2730 引言针对国家标准设计了一套低压智能电气监控系统，通过采集配电房中各配电柜的三相交流电的电参量、断路器状态等信息，实现对各配电柜的遥控、遥测、遥调、遥讯，以及对相应故障进行脱扣控制等保护措施。
网络测试技术 电 子 测 量 技 术 ELEC TRON IC M EAS UREM EN T TEC HNO LOGY第33卷第9期2010年9月 基于MODBUS /TCP 协议桥梁监测系统的电力监控设计＊周 兵 李 娜(中交公路规划设计院有限公司 北京 100088)摘 要:论述了特大型桥梁安全监测项目中的远程电力监控系统设计方案,着重分析了M odbus /T CP 的协议构成。
通过采用状态机定时询问、实时应答与多线程技术,结合现场的远程控制终端和传感器设备,设计出基于M odbus /T CP 协议的工业以太网远程电力监控系统。
总体上实现桥梁健康监测系统现场配电变压装置的遥测、遥信、遥控、遥调、过流速断保护、远程抄表、负荷控制、故障报警等多种功能,同时,可以进行配置点网络的优化运行和符合的调控。
从而完成了监控系统网络化和数据的远程共享,很大程度提高的系统的安全性、可靠性和经济性。
关键词:M ODBU S /T CP ;电力监控;数据采集;L abVI EW 中图分类号:T P2 文献标识码:ADesign of power monitoring system Based onthe Modbus /TCP protocolZ ho u Bing Li Na(CCCC Highw ay Consu ltants CO .,Ltd .,Beij ing 100088)A bstract :Introduce s the desig n str ategy fo r a remo te po wer mo nito ring sy stem in the lar ge bridge safety mo nitor ing pr oject ,and focus on analy sis of the M odbus /T CP pro tocol co nstitute s .T hro ug h sta te machines w ith time to time a sked ,real -time re sponse and multi -threading technolog y ,co mbined with the remote contr ol te rminal at the scene andsensor equipment ,De sign a remo te pow er monito ring sy stem w ith Industrial Ether net w hich based o n M o dbus /T CP pr otoco l ,realize teleme try ,remote communica te ,remote contro l ,r emo te transfe r ,flo w r ate cut -off pro tectio n ,remo te me te r reading ,lo ad contr ol ,fault alarm and many o ther features of the bridg e health monito ring system a t the scene dist ribution tra nsfo rmer device ,A nd then get a mo nito ring system which in o rder to achieve netw or king and remo te data sharing ,im pr ove the safety o f the sy stem ,reliability and eco no my .Keywords :M odbus /T CP ;electricity mo nitor co nt rol sy stem ;data acquisitio n ;L abview ＊基金项目:国家科技支撑计划项目编号:(2008BAG07B00),课题名称:特大跨径钢箱梁悬索桥监控、管理关键技术研究(2008BAG07B05)0 引 言随着国内外大跨度桥梁的增多,桥梁结构型式的多样化、系统功能的复杂化以及人们对桥梁安全性与耐久性的要求越来越高。
桥梁结构健康监测已经成为国内外工程界和学术界关注的前沿课题,随之而产生的是基于特大型桥梁的结构健康监测系统[1]。
本文所论述的电力监控系统即是作为桥梁结构健康监测系统的一部分。
桥梁结构健康监测系统的电力设备主要安装于桥梁的箱梁、塔顶等不易到达的地带,工作人员一般难于现场操作,或是不便接近设备。
而同时,实时信息传送量快速增加,人们对调度自动化系统和程控自动化系统的数据通信提出了越来越高的要求,通过综合自动化控制模式实现远程工作站的无人值守和实时控制是电力监控系统管理的一种趋势,而通信协议是实现控制管理的关键。
因此,本文以舟山大陆连岛工程为依托,将新型工业以太网技术M odbus /TCP 引入到桥梁结构监测的电力远程监控系统中来,充分利用M odbus /TCP 协议通信可靠,效率高的优点[2-3],借助远程RTU 控制器,开发了运行稳定、控制可靠、操作友好的系统平台,为桥梁监测自动化领域的电力监控实时网络化通信提供一种有效的解决方案。
1 系统方案介绍远程电力监控系统的本质是一种SCA DA 系统,即数 周 兵等:基于M ODBUS /TCP 协议桥梁监测系统的电力监控设计第9期据的远程采集监视和控制系统。
系统从总体结构上分为3个部分组成:监控中心部分、通讯网络部分、现场监控终端部分。
实施目的是用来完成桥梁监测现场的电力设备的工作状况、预警保护提示和远程电源控制。
本系统由一系列远程控制器终端、工控机、服务器、工业以太网交换机等硬件系统和操作系统、应用软件等软件系统组成。
现场监控部分包括,RTU 远程控制器(支持网络接口)、温度传感器、调理器、空气电源控制开关、UPS 电源等。
将所有从远程监控终端的数据进行收集、显示并送入后台数据库进行分析、加工和备份,并通过控制逻辑对远程监控终端下发命令,执行对配电控制器的遥控。
硬件采用工业控制计算机,并配上数据库服务器,通过工业以太网交换机组成的局域网络进行数据的传送。
软件平台采用最新的虚拟仪器Labview 软件技术和数据分析技术,采用标准的数据接口。
监测中心软件为用户提供一个可视化的监测界面,让用户直观、方便、快捷地了解现场传感器、UPS 、数据采集调理器的运行状态,并根据数据分析的结果进行运行状态的调整和负荷的控制。
用户通过查询历史数据库,可以调出电力设备的历史运行状态曲线,并完成上位机对应的数据管理功能。
系统示意图如图1所示。
图1 系统组成示意2 系统设计与关键技术2.1 系统组成1)远程控制器测控终端采用工业级的电源和工业级微型RT U 。
测控终端实时监测现场设备的工作状况,包括变压器进线和出线的三相电压、三相电流、三相功率(负荷)、三相无功功率、三相不平衡电流、功率因数、谐波、变压器的温度等。
测控终端通过脉冲电度表的脉冲采集和通讯口对多功能电表的数据采集,完成远程抄表功能。
测控终端的遥信功能反映各开关的位置和控制箱的门状态,能检测各种异常(C T 短路分流、CT 开路、电压断相等)。
测控终端具备过流速断保护、本地数据的显示和控制,监控中心可根据负荷分析结果按设定的控制策略下发命令实现远程控制,可以通过监控终端对变压器输出三相进行组合控制和分相控制等。
2)直流电源系统告警与监测监控系统设有1～8路直流电压监测接口电路,可分别监测直流电压工作情况。
如蓄电池电压、传感器供电设备、整流设备的输出电压等,以此监测供电系统是否正常。
监控系统设有1～8路直流电流检测接口电路,可分别检测三路不同设备的使用电流。
当相应设备发生报警时,监控系统则可自动向管理中心告警。
3)交流电源系统告警与监测监控系统设有1路交流电压检测电路,分别组成对主供电交流电源和备用供电交流电源的入口电源和用户出口电源电压检测,三套三相电压检测手段,可分别诊断出主、备供电系统三相电源的断相、跳闸、接触不良、保险熔断、欠压、过压及三相电压不平衡等故障。
监控系统设有1路交流电流检测电路接口,分别测出交流三相电源的输出电流和零序电流(供电电流采用互感器的工作方式)一旦发生供电电流严重过流时,则呼叫管理中心进行设备告警。
由管理中心进行遥控断电或派人现场处理。
当存在较大零序电流时说明交流供电系统存在接地故障,需报有关部门检查修理[4]。
2.2 Modbus TC P /IP 协议1)协议介绍M odbus TC P /IP 协议是M odbu s 在T CP /IP 方面的延伸,如果使用TCP /IP 以太网的5层:第1层:物理层,提供设备的物理接口,与市售的介质/网络适配器相兼容;第2层:数据链路层,格式化信号到源/目的硬件地址的数据帧;第3层:网络层,实现带有32位IP 地址的IP 报文包;第4层:传输层,实现可靠性连接、传输、查错、重发、端口服务、传输调度;第5层:应用层,Modbus 协议报文。
M ODBUS TCP 模式下,由于模块的地址由IP 地址确定,所以不再有地址域内容,考虑到TCP 网络是可靠的数据传输网络,故不再有校验数据。
但是考虑到在IP 网上数据到达的顺序可能与我们预期的数据不一致,故增加了一个数据序号,考虑到在M ODBUS TC P 协议上承载M ODB US 协议,还在头部数据中增加了一个地址域[5-6],通信协议格式如表1所示。
表1 通信协议格式T ransaction Identifier P roto co l Identifier Lenth Unit Identifie r M o dbus RT U2BYT E2BY T E2BY T E1BYT ETransaction Identifier (事务编号)是在T CP 网络传输的事务编号,由CLIEN T 产生。
很多软件是每次交互加1Protocol Identifier (协议编号)0表示MODBUS 规约 第33卷电 子 测 量 技 术Lenth长度,指后续数据的字节数。
Unit Identifier单元标识,在MO DBUS桥接时使用, Unit Identifier=0xff用于访问本机的数据,等于其他用于访问RS232或者RS485上的设备。
M ODB US TC P的端口号为502端口。
2)RT U方式协议组成RT U方式协议格式如表2所示。
表2 RTU方式协议格式地址功能代码数据数量数据1…数据n地址域 功能域 数据域-----------M O DBU S RT U-----------数据域最多可达248字节,其具体格式与功能码相关。
