基于Modbus的船舶配電監(jiān)控系統(tǒng)的設計

周 穎，謝 明

（上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

基于Modbus的船舶配電監(jiān)控系統(tǒng)的設計

周 穎，謝 明

（上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

針對船舶配電系統(tǒng)的監(jiān)測問題，采用監(jiān)控通訊尋址方式，設計一種基于Modbus和TCP/IP協(xié)議，以多種電力測量儀表、高集成數(shù)字控制設備及計算機為核心并通過開發(fā)模塊化程序進行設備間通信船舶配電監(jiān)控系統(tǒng)。詳細介紹了各模塊的工作原理和軟硬件設計。實際應用表明所設計的系統(tǒng)實現(xiàn)了船舶配電系統(tǒng)的發(fā)電機繼電保護、功率管理，系統(tǒng)安全報警和遠程控制等功能，與傳統(tǒng)的船舶配電監(jiān)控系統(tǒng)相比，降低船舶設計項目成本，提高了系統(tǒng)的安全性和實時性。

Modbus協(xié)議；RS485網(wǎng)絡；人機界面；船舶配電系統(tǒng)

0 引言

伴隨著船舶向大型化、自動化方向發(fā)展，已逐步形成集可視化監(jiān)控、自動化控制和能耗高效管理于一體的協(xié)同自動化配電系統(tǒng)，即船舶功率管理系統(tǒng)（PMS）[1]。其中，發(fā)電系統(tǒng)的智能管理及其相關信息的協(xié)同與監(jiān)控為保證船舶安全，持續(xù)，高效供電的保證[2]。船舶配電監(jiān)控系統(tǒng)起的作用不僅限于主站觸摸屏對從站控制設備的監(jiān)控、同步報警、數(shù)據(jù)分析等直觀功能，最重要的是簡化了船舶配電系統(tǒng)中發(fā)電機及其控制設備構成的功率管理系統(tǒng)（PMS）的上位機-報警管理系統(tǒng)（AMS）對尋址結構的優(yōu)化。以四臺發(fā)電機構成的船舶配電系統(tǒng)為例，在沒有監(jiān)控系統(tǒng)的情況下，上位機報警AMS系統(tǒng)對功率管理系統(tǒng)PMS的尋址是直接的且必備廠家負責，PMS負責廠家必須提供為AMS負責廠家逐一提供具體單個設備寄存器地址，這將會增加整個項目的成本。 在有監(jiān)控系統(tǒng)的情況下，HMI觸摸屏在通信網(wǎng)絡起著銜接橋梁的作用。在監(jiān)控中作為上位機的HMI觸摸屏則在與上位報警管理系統(tǒng)構成的通訊網(wǎng)絡中作于下位機。上位控制系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)則可以先通過觸摸屏，以中間樞紐采集后，再構成與上位控制主系統(tǒng)的通信[3]。這樣的結構極大簡化了尋址過程，同時還增加了不同項目尋址信息的可移植性。在多個觸摸屏構成的監(jiān)控系統(tǒng)中，可將各屏之間通過工業(yè)以太網(wǎng)Modbus TCP/IP。本文設計了一套基于Modbus協(xié)議的船舶配電監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)控制主站集中管理大量Modbus協(xié)議采集設備，避免連接采集設備而大量布線，且兼容性好、實時性高、可靠性強，使用方便，從而降低了船舶項目設計成本，并且傳輸速度快，安全性高。

1 系統(tǒng)結構設計與工作原理

基于Modbus協(xié)議的船舶配電監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖1所示。該系統(tǒng)主要由上位機管理系統(tǒng)、下位機控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)組成。上位機管理系統(tǒng)由工控機和觸摸屏構成，下位機控制系統(tǒng)由繼電器控制保護模塊構成。該系統(tǒng)主要通過信息采集設備采集船舶電站的電量參數(shù)和運行狀態(tài)，再將信號和數(shù)據(jù)處理并封裝成標準串口Modbus協(xié)議幀，通過絡傳輸進行數(shù)據(jù)交戶，在觸摸屏的控制下，通過Modbus將各監(jiān)控數(shù)據(jù)進行分析處理和顯示，從而實現(xiàn)對船舶發(fā)電機繼電保護、發(fā)電機功率管理、安全報警等功能。

圖1 系統(tǒng)結構

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件分為繼電控制保護模塊和HMI模塊，下面對這兩部分硬件進行設計。

2.1 繼電控制保護模塊

該模塊為德國Stucke Eletronik公司生產的SYMAP繼電控制保護模塊，如圖2所示。該設備內部集成的PLC電路可以實現(xiàn)單個控制功能的鎖定。所有數(shù)字量輸出和模擬量輸出都經(jīng)由SYMAP控制單元處理控制，這樣可以確定數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性以及提升了靈活性[4]。此外，SYMAP控制器還提供了不同的通訊協(xié)議供主控制系統(tǒng)與SYMAP的通訊。這些模塊彼此獨立，針對各自控制的電機或開關進行繼電保護，功率負荷分配，自動/半自動控制調整等舉措，監(jiān)控對象的實時報警；彼此之間可進行網(wǎng)絡通訊，通過CANBUS完成內部廣播，實現(xiàn)備機優(yōu)先級選取的功能，圖3為SYMAP的端口圖。

圖2 SYMAP界面

圖3 SYMAP 端口

2.2 HMI模塊設計

該模塊為瑞典Beijer Eletronics公司生產的iX T10A觸摸屏，通過Modbus通訊協(xié)議與下位機設備互聯(lián)，并以固定的輪詢時間對下位機寄存器進行尋址，完成對發(fā)電機狀態(tài)的顯示，參數(shù)修改，報警同步等功能[5]。發(fā)電機的狀態(tài)包括電壓，電流，頻率，功率等用電參數(shù)；以及所處狀態(tài)的自動控制，遠程控制，半自動控制。參數(shù)修改包括對發(fā)電機備機優(yōu)先級選取的調整，發(fā)電機的緊急通斷。報警同步能將各個下位機的報警信息及時上報上位機，這樣協(xié)同能夠使操作人員及時了解報警出現(xiàn)的時間與位置。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 Modbus通訊設計

Modbus協(xié)議被廣泛的應用于工控領域中，根據(jù)網(wǎng)絡實現(xiàn)上的不同，常見的有基于以太網(wǎng)絡的Modbus/ TCP協(xié)議、基于串行口的ModbusRTU/ASCII協(xié)議[6]。由于相比較于RS232有諸多優(yōu)點，工控現(xiàn)場多數(shù)采用RS422/485物理網(wǎng)絡。

Modbus協(xié)議定義了一個與基礎通信層無關的簡單協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU。特定總線或網(wǎng)絡上的Modbus協(xié)議映射能夠在應用數(shù)據(jù)單元ADU上引入一些附加字段。Modbus的ADU單元由主站創(chuàng)建，其中功能碼指示從站將執(zhí)行的操作。功能碼字段由一個字節(jié)編碼，即有效范圍為十進制的1至255。Modbus的傳輸方式分為RTU（遠程終端單元）及ASCII碼單元。Modbus幀格式如圖4所示。

圖4 Modbus幀格式

3.1.1 Modbus在鏈路層上的實現(xiàn)

Modbus串行鏈路協(xié)議是一個主-從協(xié)議，在一個通信網(wǎng)絡中只有一個主站，它向每一個從站發(fā)出顯示命令并處理響應[7]。在同一時刻，一個主站最多可以和247個從站連接串行總線上。采用查詢、應答的方式進行通信，主設備向從設備發(fā)出消息，從設備響應消息查詢，每個從機具有唯一的地址碼在物理層，可用RS-232或RS-485作為傳輸接口。主站用單播模式或廣播模式兩種模式向從站發(fā)出請求。

設計中iX觸摸屏為主機，SYMAP作為從站。標準的Modbus協(xié)議有兩種傳輸方式：ASCII模式和RTU模式。前者用于通信數(shù)量少而且主要是文本的通信，后者用于通信數(shù)據(jù)量大而且是二進制的通信[8]。在同樣的波特率下，RTU模式傳輸?shù)淖址華SCII模式多，因此在設計中網(wǎng)絡物理層采用的是RS485網(wǎng)絡，使用Modbus-RTU協(xié)議。ModbusRTU幀格式如圖5所示。

圖5 ModbusRTU幀格式

3.1.2 Modbus協(xié)議在TCP/IP上的實現(xiàn)

在TCP/IP上使用一種專用報文頭來識別Modbus應用數(shù)據(jù)單元，這種報文頭為MBAP報文頭，本設計中是通過協(xié)議標識符的值為0識別Modbus協(xié)議，Modbus TCP/IP幀格式（ADU）如圖6所示。

圖6 ModbusTCP/IP幀格式

3.1.3 Modbus在SYMAP中的通訊實現(xiàn)

SYMAP設備在Modbus通信協(xié)議中支持功能碼03和功能碼06。

1）功能碼03讀輸出寄存器。此功能使主站能夠讀取從站的輸出寄存器地址。輸出寄存器包括測量裝置狀態(tài)信息和測量值。對于每個請求，尋址過程允許接受最大到124個寄存器（16位）。功能碼03的請求幀格式和功能碼03接收幀格式如圖7所示。

圖7 功能碼03的請求幀格式和接收幀格式

2）功能碼06寫單個寄存器。對于主站而言，此功能實現(xiàn)了指令的輸出和下位機設置的改變。根據(jù)Modbus協(xié)議，該設備等待以下查詢，一個命令只能通過查詢被送出。作為反映，設備會對主站請求反饋。主站可以發(fā)出一個收集模式（從站地址=0），在這種情況下，所有從站設備將輸出所需命令，但從站不發(fā)出反饋信息，就是之前所提到的廣播模式。功能碼06的請求幀格式如圖8所示。

圖8 功能碼06的請求幀格式

3）寄存器地址查詢。在上位機設備對SYMAP設備進行特定地址尋址時，只需將匹配的寄存器地址以規(guī)定的格式給出，即可完成對設備特定信息值的信息采集。如表1所示，為部分寄存器地址。其中，寄存器地址134表示發(fā)電機電流，138表示母排電壓，139表示母排功率，144表示電機轉速等信息。

表1 部分寄存器地址說明

3.2 SYMAP的重載問詢

重載問詢管理，即當有一個用電需求較大的負載請求并入電網(wǎng)時，設備采取啟動備機或是拒絕的職能管理、黑牌處理（在船舶出現(xiàn)緊急供電故障時的處理）、輕載減負管理（當有多臺發(fā)電機同時運行，而實際電網(wǎng)負荷遠低于發(fā)電機額定值時，采取將優(yōu)先級較低的電機脫離電網(wǎng)的省電處理）。如圖9所示，“Bow Truster”用電設備的重載問詢流程圖舉例，在聯(lián)絡開關合閘且電站模式為自動的情況下，考慮發(fā)電機機組的功率是否大于560kW，若滿足，則運行允許；否則進入啟動備機預案，將備機啟動后的并網(wǎng)處理，增大電網(wǎng)中帶負載能力，滿足用電設備的用電需求。若備機數(shù)為零，則重載請求失敗，“Bow Truster”不被允許。

圖9 重載問詢流程圖

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)HMI開發(fā)

該觸摸屏內置預置元件，可以通過調用，自動生成Xaml代碼，再通過修改代碼值，改編元件屬性，觸發(fā)動作或匹配變量。對于設備不具備的元件，可以通過編寫Xaml代碼進行創(chuàng)建。監(jiān)控的總界面如圖10所示。

以發(fā)電機為1部分變量為例，如表2所示，描述了變量定義格式，DG1_C，DG1_V，DG1_P，DG1_F定義為發(fā)電機1的電流，電壓，功率，頻率。DG1_A1-A4分別表示編號1～4的報警，BUS_V為母排電壓。該格式各三塊構成變量（Tag），控制器（Controllers），數(shù)據(jù)交換（Data Exchange）。信號的采集在于從控制器端得到數(shù)據(jù)，再賦值入Tag中。所以，方向是由控制器到變量（Right），當數(shù)據(jù)變化時，傳遞數(shù)據(jù)。1:40135表示寄存器，1表示發(fā)電機1的從站地址為1，135表示寄存器地址。

圖10 上位機監(jiān)控界面

表2 發(fā)電機1各參數(shù)變量說明

4 測試

目前該系統(tǒng)通過測試，已應用到西門子船舶設計項目中。實際運行結果表明：高集成度的SYMAP控制模塊實現(xiàn)準確采集各配電參數(shù)，同時網(wǎng)絡通訊傳輸無誤；監(jiān)控系統(tǒng)能夠實時接受現(xiàn)場各從站節(jié)點發(fā)送的配電數(shù)據(jù)，并建立數(shù)據(jù)庫供操作人員進行歷史查詢。

5 結論

由于該系統(tǒng)使用集成度較高的繼電控制保護模塊，與傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)相比，避免了大量布線和可靠性低的缺陷，提升了系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性和靈活性。因而提高工作效率，有效預防設備及電力事故，保證船舶航行安全。

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Design of monitoring system of ship distribution based on Modbus

ZHOU Ying, XIE Ming

TP274

A

1009-0134(2016)12-0121-05

2016-09-09

周穎（1983 -），女，浙江寧波人，碩士研究生，主要從事電力電子與電力傳動研究。