基于Modbus的采區(qū)變電所監(jiān)測系統(tǒng)

劉冬梅 蘇明輝

(1.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100022；2.中國國際人才開發(fā)中心，北京 100192；

3.中國神華海外開發(fā)投資有限公司，北京 100011)

經(jīng)筆者現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，演馬礦采區(qū)變電所開關(guān)雖然都采用了微機(jī)綜合保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)和電網(wǎng)參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測，而且絕大部分開關(guān)都配備了RS-485通信接口和Modbus通信協(xié)議[1]，但是所有開關(guān)沒有組成網(wǎng)絡(luò)，形成一個統(tǒng)一的系統(tǒng)，這樣導(dǎo)致多次出現(xiàn)開關(guān)誤動作造成大面積停電。在事故處理方面，由于缺乏網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)測系統(tǒng)，造成供電的二次事故，影響礦井安全生產(chǎn)。因此，筆者提出采用PIC單片機(jī)，基于Modbus協(xié)議開發(fā)采區(qū)變電所監(jiān)測系統(tǒng)，將采區(qū)所有開關(guān)聯(lián)成一個網(wǎng)絡(luò)，統(tǒng)一管理以提高井下采區(qū)供配電的安全性。

根據(jù)演馬礦實(shí)際情況，筆者設(shè)計的變電所監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。監(jiān)測平臺與各綜保開關(guān)采用RS-485總線連接。采區(qū)變電所監(jiān)測平臺集中監(jiān)測綜保開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)，顯示采區(qū)電網(wǎng)參數(shù)，同時作為井下以太網(wǎng)的一個節(jié)點(diǎn)，將必要的信息打包傳送至地面配電所。

圖1 采區(qū)變電所監(jiān)測系統(tǒng)的組成

循檢。監(jiān)測平臺按地址編碼順序?qū)Ω鱾€綜保開關(guān)進(jìn)行循檢，綜保開關(guān)接收到平臺發(fā)送來的讀取數(shù)據(jù)請求后，將實(shí)測電壓、電流、功率因素、整定參數(shù)和故障信息(過流、短路、漏電、過壓、欠壓及斷相等)發(fā)送到監(jiān)測平臺，進(jìn)行集中顯示并打包處理，供調(diào)度室采集。對系統(tǒng)中的全部綜保開關(guān)檢查完后，整個系統(tǒng)才算完成一個周期。

遠(yuǎn)程控制。通過監(jiān)測平臺，操作人員發(fā)出啟停及參數(shù)整定等命令，監(jiān)測平臺暫停循檢，向綜保開關(guān)發(fā)出控制命令，綜保開關(guān)收到命令并判斷控制命令正確后，向監(jiān)測平臺發(fā)出確認(rèn)信息，并執(zhí)行控制命令。完成后，手動恢復(fù)循檢。

對控制功能的實(shí)現(xiàn)，需對操作人員進(jìn)行身份驗(yàn)證。平臺自動記錄操作人員的編號、整定參數(shù)值和操作時間，以便以后查詢，確保責(zé)任到人。

2 采區(qū)變電所監(jiān)測平臺的設(shè)計

采區(qū)變電所監(jiān)測平臺是該系統(tǒng)的核心，因?yàn)椴煌木C保開關(guān)支持的寄存器地址不同，設(shè)計的平臺需能夠支持演馬礦所有的綜保開關(guān)。因此就必須在元件選型、電路設(shè)計和軟件開發(fā)過程中全面考慮。

2.1 元件選型和電路設(shè)計

采區(qū)變電所監(jiān)測平臺結(jié)構(gòu)如圖2所示，該平臺以PIC24FJ32GA104單片機(jī)為核心，外擴(kuò)CM320240-8液晶顯示模塊、EDG-4504串口服務(wù)器模塊和RS-485光隔通信模塊。

圖2 采區(qū)變電所監(jiān)測平臺結(jié)構(gòu)

PIC24FJ32GA104單片機(jī)有兩個串口，一個用于和綜保開關(guān)組成RS-485網(wǎng)絡(luò)，另一個用于連接串口服務(wù)器[2]并接入井下工業(yè)以太網(wǎng)；CM320240-8液晶顯示模塊自帶中文、西文和特殊字符庫，減少了平臺代碼；EDG-4504串口服務(wù)器具有4個獨(dú)立的RS-232/422/485端口，10/100Mbit/s Base-T以太網(wǎng)支持；RS-485光隔通信模塊選用MAX485完成單片機(jī)的TTL電平與RS-485電平的相互轉(zhuǎn)換[3]，在單片機(jī)和MAX485之間采用光耦方式將信號隔離，電路如圖3所示。

圖3 RS-485轉(zhuǎn)換電路

監(jiān)測平臺外殼設(shè)計成隔爆兼本安型，本安電源安裝在隔爆腔內(nèi)，主電路板和液晶顯示器安置在本安腔內(nèi)，并采用鋼化玻璃將液晶顯示器與外界隔開，隔爆兼本安型外殼設(shè)有喇叭口，可以接入127V(AC)電源和通信電纜，其結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 隔爆兼本安型采區(qū)變電所監(jiān)測平臺結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 軟件設(shè)計

在標(biāo)準(zhǔn)的Modbus網(wǎng)絡(luò)上，Modbus協(xié)議有兩種發(fā)生模式——ASCII和RTU。兩種模式不可混合使用[4]。筆者采用Modbus RTU模式開發(fā)監(jiān)測平臺軟件，波特率為9 600Bd，通信的主要流程為：先發(fā)送帶地址信息、功能信息、CRC校驗(yàn)碼的8字節(jié)，然后等待接收并存儲綜合保護(hù)裝置發(fā)來的數(shù)據(jù)，同時整理顯示在液晶屏上。軟件流程如圖5所示。

圖5 軟件流程

使用Modbus RTU模式，主機(jī)、從機(jī)數(shù)據(jù)格式分別見表1、2。

表1 主機(jī)讀請求數(shù)據(jù)幀格式

表2 從機(jī)(綜保開關(guān))正確響應(yīng)數(shù)據(jù)格式

表1為讀機(jī)位號為01的以23 8D開始的長度為01的寄存器中的值，1F A5為01 03 23 8D 00 01計算所得的CRC值。表2為正確響應(yīng)了主機(jī)的信息，發(fā)送23 8D中的數(shù)據(jù) 00 1A，數(shù)據(jù)長度為2位，39 8F為從機(jī)計算的01 03 02 00 1A的CRC值。

下面為一段主機(jī)側(cè)通信程序：

main()

{

comm5(); /*待發(fā)送8字節(jié)數(shù)據(jù)初始化*/

initserial (9600,′n′); /* 設(shè)定波特率和奇偶校驗(yàn)*/

while(1){

delay(15);

outp(0x3f8+3,0x07);

while(!((inp(0x3f8+5))&0x20));

for(n=0;n<8;n++) { /* 發(fā)送帶地址信息、功能信息、CRC校驗(yàn)碼的8個字節(jié)*/

while(!((inp(0x3f8+5))&0x20));

美的公司2017年的年報顯示應(yīng)收賬款期末余額為1752871.7萬元，占總資產(chǎn)的7.06%。如果美的對相應(yīng)業(yè)務(wù)都是采取直接收款的方式結(jié)算，收入已確認(rèn)，那么美的2017年度與這些業(yè)務(wù)相關(guān)的應(yīng)納稅額為438 217.925萬元。如果美的采取的是分期收款、賒銷、委托代銷等方式進(jìn)行收入確認(rèn)，則438 217.925萬元的稅款是可以部分或者全部向后期遞延繳納的。

outp(0x3f8,tbut[n]);

}

transd(); /*接收單片機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)*/

Save_data();

Display_data();

}

}

/*CRC校驗(yàn)子函數(shù) */

unsigned int crc16(unsigned char *str,unsigned int num)

int i,j;

unsigned int c,crc=0xffff;

for (i=0;i

{ c=str[i]&0x00ff;

crc^=c;

for (j=0;j<8;j++)

{

if (crc&0x0001)

{

crc>>=1;

crc^=0xa001;

}

else

crc>>=1;

}

}

return(crc);

}

3 結(jié)束語

基于分布式集中控制的思想，筆者開發(fā)了采區(qū)變電所監(jiān)測系統(tǒng)，將采集綜保開關(guān)聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，可以及時發(fā)現(xiàn)停電故障點(diǎn)，盡快維護(hù)開關(guān)，縮短影響生產(chǎn)的時間，及時恢復(fù)供電，尤其是對高突、高瓦斯礦井意義深遠(yuǎn)。當(dāng)系統(tǒng)中的一個開關(guān)出現(xiàn)問題或例行檢修時，不會影響整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行。該系統(tǒng)已在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試成功，并在演馬礦進(jìn)行工業(yè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：該系統(tǒng)運(yùn)行可靠。

[1] 張惠剛.變電站綜合自動化原理與系統(tǒng)[M].北京：中國電力出版社,2004．

[2] 王亞民，陳青，劉暢生，等.組態(tài)軟件設(shè)計與開發(fā)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2003．

[3] 李喜東，劉波濤，劉剛，等.Modbus RTU串行通信協(xié)議在工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2005,(7)：37～40．

[4] 王兆華，孟文，王文璽.Modbus協(xié)議在變電站監(jiān)控組態(tài)軟件中的實(shí)現(xiàn)[J].自動化與儀表,2007，22(3)：46～50．