Modbus-RTU在取水泵站監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

張國(guó)騫,何　明，張　瑋

(天津工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所有限公司，天津 300060)

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Modbus-RTU在取水泵站監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

張國(guó)騫,何明，張瑋

(天津工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所有限公司，天津 300060)

系統(tǒng)采用倍福PLC控制器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，并采用Modbus_RTU協(xié)議采集清污機(jī)、閘板門(mén)、旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)、綜保裝置等設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和工作電流，分別上傳至操作員站和工程師站的上位機(jī)KingSCADA系統(tǒng)，同時(shí)兼?zhèn)銶odbus通信失敗報(bào)警功能。上位機(jī)接收到PLC采集的數(shù)據(jù)并顯示到監(jiān)控系統(tǒng)畫(huà)面，同時(shí)還將重要的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳至主廠區(qū)DCS系統(tǒng)。由于泵站與主廠區(qū)距離較遠(yuǎn)，光纜鋪設(shè)成本大且難維護(hù)，故采用基于GPRS的DTU點(diǎn)對(duì)點(diǎn)設(shè)備并利用Modbus_RTU進(jìn)行485通信。

監(jiān)控系統(tǒng)；Modbus_RTU； DTU；485通信

引用格式：張國(guó)騫,何明，張瑋. Modbus-RTU在取水泵站監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(18)：72-73,84.

0　引言

取水泵站作為主廠區(qū)的備用水源，設(shè)有6 kV變電站高低壓配電系統(tǒng)、水泵機(jī)組及控制測(cè)量設(shè)備、直流系統(tǒng)及電氣保護(hù)設(shè)備等，并在中控室設(shè)置一套計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)泵站重要設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和運(yùn)行管理。監(jiān)控系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)與PLC相結(jié)合的方式，并采用主控層和現(xiàn)場(chǎng)控制單元的分布式結(jié)構(gòu)。主控層以工作站為監(jiān)控中樞，現(xiàn)場(chǎng)控制單元設(shè)有水泵機(jī)組現(xiàn)地控制單元LCU、配電設(shè)備現(xiàn)地控制單元LCU。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)設(shè)備的信號(hào)類(lèi)型可分為遠(yuǎn)程I/O信號(hào)、4～20 mA信號(hào)和RS485信號(hào)。監(jiān)控系統(tǒng)在對(duì)以上信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控的同時(shí)，還通過(guò)無(wú)線DTU與主廠區(qū)DCS系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，故可在主廠區(qū)也可對(duì)泵站設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。

1　系統(tǒng)方案

系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)[1]，主控層設(shè)有操作員站和工程師站各一臺(tái)，并配有KingSCADA組態(tài)軟件，便于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員觀察現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況，且便于開(kāi)發(fā)人員對(duì)組態(tài)畫(huà)面進(jìn)行修改；現(xiàn)場(chǎng)控制單元由主控柜、高低壓柜、1#電機(jī)柜、2#電機(jī)柜組成，并采用德國(guó)倍?？刂破鲗?duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，監(jiān)控范圍包括：泵組、閥門(mén)、電流表、電壓表、多功能表、綜保裝置、清污機(jī)、旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)、閘門(mén)等。主控柜與各分控站通過(guò)倍福光纖接口端子模塊連接起來(lái)，主控柜CPU模塊有4個(gè)百兆網(wǎng)口可與兩臺(tái)工作站通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)相連接，并采用OPC方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)配置圖如圖1所示。

2　Modbus_RTU通信

Modbus_RTU是一種依托于RS485接口的通信協(xié)議，采用主從原則的應(yīng)答機(jī)制進(jìn)行通信，只設(shè)一個(gè)主站，最多可設(shè)247個(gè)子站。通信開(kāi)始時(shí)，首先由主站向從站發(fā)送報(bào)文[2]，報(bào)文幀中包含從站的站號(hào)、進(jìn)行讀或?qū)懖僮鞯墓δ艽a、寄存器的起始地址、進(jìn)行操作的字節(jié)長(zhǎng)度和CRC校驗(yàn)碼。相應(yīng)的子站接收到報(bào)文后經(jīng)校驗(yàn)無(wú)誤后向主站返回所需數(shù)據(jù)的報(bào)文，返回的報(bào)文幀包含從站的站號(hào)、功能碼、寄存器的起始地址、進(jìn)行操作的字節(jié)長(zhǎng)度和CRC校驗(yàn)碼。主站接收到返回的報(bào)文后進(jìn)行校驗(yàn)，如無(wú)誤則此次通信成功。

圖1　系統(tǒng)配置圖

2.1現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備485通信

現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)行485通信的設(shè)備包括綜保裝置(2臺(tái))、電壓表(2臺(tái))、多功能表(4臺(tái))、旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)(2臺(tái))、清污機(jī)(2臺(tái))、閘門(mén)(2臺(tái))?？紤]到監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，因此不采用一條總線連接所有設(shè)備的方式。各現(xiàn)場(chǎng)分控站均配有485通信模塊，每個(gè)485通信模塊負(fù)責(zé)某一種類(lèi)型的設(shè)備的通信。同一類(lèi)型的設(shè)備串在同一條485總線上，在程序中采用輪詢方式與總線上的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信。485通信示意圖如圖2所示。

圖2　485通信示意圖

由于倍福控制器自帶Modbus功能塊CRC校驗(yàn)的高低字節(jié)存儲(chǔ)順序與某些設(shè)備所支持的CRC校驗(yàn)的高低字節(jié)存儲(chǔ)順序正好相反，故采用自由口發(fā)送報(bào)文并延時(shí)接收?qǐng)?bào)文的方式進(jìn)行通信。以多功能表的通信為例，首先為4塊多功能表確定站號(hào)(1～4)，然后以500 ms為周期，依次向4塊多功能表發(fā)送報(bào)文，隨即等待接收多功能表返回的報(bào)文，并將接收到的報(bào)文存入相應(yīng)的數(shù)組。由于數(shù)組中接收到的數(shù)據(jù)具有保持性，因此當(dāng)出現(xiàn)通信失敗的情況時(shí)，容易誤導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員。故在每次對(duì)相應(yīng)從站發(fā)送報(bào)文時(shí)，均對(duì)儲(chǔ)存接收?qǐng)?bào)文的數(shù)組的前兩個(gè)字節(jié)進(jìn)行清零，即表示返回?cái)?shù)據(jù)站號(hào)和功能碼的兩個(gè)字節(jié)，然后在完成接收程序后比較站號(hào)和功能碼，如為零則通信失??；如站號(hào)和功能碼正確則通信正常。另外，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，如與接收到的CRC校驗(yàn)不一致則舍棄此組數(shù)據(jù)。程序流程圖如圖3所示。

圖3　程序流程圖

2.2主廠區(qū)485通信

圖4　無(wú)線網(wǎng)絡(luò)示意圖

本取水泵站距離主廠區(qū)約5 km，其間有農(nóng)田、溝渠、公路等障礙，如采用光纜的方式進(jìn)行通信，則鋪設(shè)和維護(hù)成本較大，且有一定難度，故采用基于GPRS的無(wú)線點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信設(shè)備——DTU進(jìn)行通信。此種通信方式需要兩臺(tái)DTU設(shè)備分別安裝于取水泵站和主廠區(qū)，還需要一臺(tái)能夠連接Internet的計(jì)算機(jī)來(lái)連接兩臺(tái)DTU設(shè)備，除此之外還需要兩張開(kāi)通GPRS功能的SIM卡。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖4所示。

DTU能通過(guò)基站將數(shù)據(jù)發(fā)送至Internet，但如果要使兩臺(tái)設(shè)備建立連接，則需要在具備Internet連接的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行虛擬串口軟件，用來(lái)連接兩臺(tái)DTU。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，即用能夠連接Internet的虛擬串口軟件傳遞兩臺(tái)DTU之間發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)。另外，為保證主廠區(qū)與泵站監(jiān)控系統(tǒng)之間的485通信不占用過(guò)多的控制器資源，采用主廠區(qū)DCS系統(tǒng)直接從上位機(jī)獲取數(shù)據(jù)的方式。在上位機(jī)KingSCADA系統(tǒng)中單獨(dú)建立server鏈路(Modbus_RTU協(xié)議)，對(duì)應(yīng)端口為工程師站計(jì)算機(jī)串口1，并將此串口用232-485轉(zhuǎn)換器與DTU相連，泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)便可以與主廠區(qū)DCS系統(tǒng)收發(fā)報(bào)文了。

3　結(jié)論

本取水泵站監(jiān)控系統(tǒng)既能對(duì)泵組設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，又能利用Modbus_RTU對(duì)子設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，并兼?zhèn)?85通信失敗的報(bào)警功能。不僅如此，基于Modbus_RTU的無(wú)線DTU點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式成功替代了光纖通信，既節(jié)約了成本，又利于后期的維護(hù)。

[1] 王義,何偉,李華興.Modbus-RTU協(xié)議在煤礦井下變電所監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)電,2012(1):102-104.

[2] 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(dòng)化與儀表,2007，22(3):46-50.

The application of Modbus-RTU in the monitor system of water pumping station

Zhang Guoqian,He Ming,Zhang Wei

(Tianjin Institute for Process Industrial Automation & Instrumentation Co., LTD., Tianjin 300060, China)

This system adopts the PLC controller of Beckhoff to monitor the site equipment, and uses the Modbus_RTU protocol to collect the switch status and working current of the equipment,such as the removal machine, the sluice gate, the rotary sieve,and the composite protection device.They are uploaded to the upper computer KingSCADA system of the operator station and the engineer station. At the same time, this system has Modbus communication failure alarm function. The upper computer receives the data from the PLC and displays the data on the screen of the monitoring system,and then sends the important monitoring data to DCS system of the primary area. Because the pumping station is far away from the primary area, the cost of cable laying is large and it’s difficult to maintain,we adopt DTU point-to-point equipment based on GPRS and Modbus_RTU protocol to achieve 485 communication.

monitoring and control system; Modbus_RTU; DTU; 485 communication

TP277

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.18.021

2016-04-29)

張國(guó)騫(1988-)，男，碩士，初級(jí)工程師，主要研究方向：水處理自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。

何明(1987-)，男，本科，助理工程師，主要研究方向：水處理自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。

張瑋(1987-)，男，專(zhuān)科，初級(jí)工程師，主要研究方向：水處理自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。