基于Modbus/TCP的風(fēng)機數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計

◆鄭 欽 張真真 唐宏芬

基于Modbus/TCP的風(fēng)機數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計

◆鄭 欽 張真真 唐宏芬

(中國大唐集團新能源科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 北京 100040)

Modbus通信協(xié)議具有標(biāo)準(zhǔn)、開放及免費等特性，其在新能源風(fēng)電機組PLC通信中得到了廣泛應(yīng)用，很多風(fēng)機主控系統(tǒng)廠家，都支持Modbus通信協(xié)議。本文基于Modbus/TCP設(shè)計并開發(fā)了風(fēng)電機組數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可直接與風(fēng)機的主控PLC通信，可準(zhǔn)確的獲取風(fēng)機的實時運行數(shù)據(jù)，有效地解決了風(fēng)力發(fā)電機組數(shù)據(jù)獲取方面的問題，具有一定工程價值。

Modbus協(xié)議；風(fēng)電機組；PLC；風(fēng)電機組數(shù)據(jù)采

0 引言

實時、精確的獲取風(fēng)電機組數(shù)據(jù)運行數(shù)據(jù)是開展風(fēng)電機組運維指標(biāo)、狀態(tài)評估、故障分析、健康診斷與預(yù)警等工作的基礎(chǔ)，是指導(dǎo)風(fēng)電場精細化運維管理的必然要求。目前，獲取風(fēng)機數(shù)據(jù)主要手段是通過風(fēng)機SCADA系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)，這種途徑獲取到數(shù)據(jù)的實時性及數(shù)據(jù)點的個數(shù)日漸滿足不了風(fēng)機各項分析的需求。一方面，轉(zhuǎn)發(fā)獲取的風(fēng)機數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性也依賴于風(fēng)機SCADA系統(tǒng)為穩(wěn)定性，SCADA系統(tǒng)一旦發(fā)生故障或者數(shù)據(jù)跳變，就會導(dǎo)致采集中斷或者計算出錯。另一方面，受制于SCADA系統(tǒng)本身，為了保障其本身運行狀況良好，所轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)量級及精度未必能夠滿足分析應(yīng)用需求。

因此，充分利用主控廠家開放的通信協(xié)議，可以直接從風(fēng)機主控PLC采集數(shù)據(jù)，不失是一種風(fēng)機數(shù)據(jù)采集的行之有效的便捷方式。文獻[1]提出了一種基于TwinCAT的風(fēng)機PLC數(shù)據(jù)采集方式，可通過TwinCAT協(xié)議，從風(fēng)機采集數(shù)據(jù)。文獻[2]研究了OPCXML-DA接口規(guī)范，開發(fā)了OPCXML-DA客戶端程序，實現(xiàn) SIEMENS-2.38海裝風(fēng)機數(shù)據(jù)的采集。本文提出了基于Modbus/TCP的風(fēng)機PLC數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計，并開發(fā)了相應(yīng)的工具。

1 Modbus通信協(xié)議

Modbus是工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用總線協(xié)議，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)的采集及過程監(jiān)控。按照傳輸介質(zhì)分類，Modbus協(xié)議簡要分為兩種：串口Modbus及網(wǎng)絡(luò)Modbus。串口Modbus 是一種異步串行傳輸協(xié)議，傳輸介質(zhì)有RS232/422/485,光纖或者無線等，在通訊時，需要定義使用的參數(shù)，例如波特率、校驗方式等。網(wǎng)絡(luò)Modbus采用網(wǎng)線進行通信，數(shù)據(jù)通信的1-4層實現(xiàn)，與通常的以太網(wǎng)通信一樣。風(fēng)機通信過程中，應(yīng)用較多的是網(wǎng)絡(luò)Modbus，本文主要對網(wǎng)絡(luò)Modbus的應(yīng)用進行介紹。網(wǎng)絡(luò)Modbus使用了TCP傳輸過程中的五層，物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層以及傳輸層都與普通網(wǎng)絡(luò)通信相似，端口默認(rèn)為502，在第五層（應(yīng)用層）上面，采用Modbus的協(xié)議報文進行通信。Modbus TCP數(shù)據(jù)幀包含報文頭、功能代碼和數(shù)據(jù)3部分。其中，MBAP為其報文頭，包括MBAP、Modbus Application Protocol、Modbus應(yīng)用協(xié)議四個域。

2 PLC數(shù)據(jù)采集方案

根據(jù)風(fēng)機類型的不同，風(fēng)機內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不相同，但是主要包括葉片、輪轂、變槳、偏航、機艙、風(fēng)速議、塔筒、塔基等幾個部分。風(fēng)機內(nèi)部有主控制器，根據(jù)采集到的風(fēng)機的數(shù)據(jù)以及狀態(tài)，并通過內(nèi)部的計算和判斷，控制風(fēng)機的啟停、偏航、變槳等[3]。風(fēng)機內(nèi)部通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

風(fēng)機內(nèi)部分為主PLC及從PLC，主PLC位于機艙內(nèi)部，是風(fēng)機的大腦，負責(zé)監(jiān)控風(fēng)機的運行的所有參數(shù)，從PLC控制器位于塔底，是面向運維人員的，運維人員可通過控制面板，由從PLC控制器，向主PLC發(fā)送控制指令及參數(shù)設(shè)置[4]。主從PLC控制器之間，通過一般通過光纖連接。

圖1 風(fēng)機內(nèi)部通信結(jié)構(gòu)圖

通常情況下，將一個風(fēng)電場所有的風(fēng)機，或者一條集電線上的多臺風(fēng)電機組串聯(lián)形成光纖通信環(huán)網(wǎng)，將其主PLC聯(lián)結(jié)起來，統(tǒng)一接入風(fēng)電場場站內(nèi)的風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)平臺上。這樣，只要連接到通信環(huán)網(wǎng)交換機上，理論上就可以和每臺風(fēng)機進行實時通信。

圖2 風(fēng)電場風(fēng)機通信網(wǎng)環(huán)網(wǎng)示意圖

本文在風(fēng)電場場站內(nèi)部署通信工控機，接入通信環(huán)網(wǎng)交換機，用以實現(xiàn)與每臺風(fēng)機的通信。然后部署Modbus采集程序，實現(xiàn)風(fēng)機數(shù)據(jù)采集。

風(fēng)機數(shù)據(jù)采集的基本步驟如下：

（1）通過Connect()命令與風(fēng)機的502端口建立連接；

（2）準(zhǔn)備Modbus數(shù)據(jù)報文；

（3）使用send()命令發(fā)送報文，然后等待應(yīng)答；

（4）使用recv()命令讀取報文，并對報文進行解析；

（5）將采集的數(shù)據(jù)，與通信點表對應(yīng)，并將數(shù)據(jù)展示到界面上。

以讀取風(fēng)機遙測數(shù)據(jù)為例，每個遙測值占用2個字節(jié)，即1個寄存器，通信開始時發(fā)送報文：

01 03 02 00 00 0D 85 B7

其中，01為設(shè)備地址，03為功能碼，02 00為寄存器地址，00 0D為數(shù)據(jù)長度，85 B7為CRC校驗碼。

接收報文為：

01 03 1A 00 00 00 00 00 00 1E AE 00 00 1E AD 1E AD 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 6A 96 77 67

其中，01為設(shè)備地址，03為功能碼，1A為數(shù)據(jù)長度，最后二位77 67為CRC校驗，中間為實時數(shù)據(jù)。圖3為程序?qū)崿F(xiàn)界面。

圖3 采集程序?qū)崿F(xiàn)界面

3 總結(jié)

Modbus通信協(xié)議由于簡單、免費等特點，在風(fēng)機PLC通信中應(yīng)用廣泛，同時，Modbus通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，可方便不同廠家采集數(shù)據(jù)，這也為直接從風(fēng)機PLC采集風(fēng)機數(shù)據(jù)提供了可能。基于Modbus的風(fēng)機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可直接從風(fēng)機PLC采集數(shù)據(jù)，確保了風(fēng)機數(shù)據(jù)的高效、穩(wěn)定性。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已在大唐集團某風(fēng)電場實際運行，運行效果良好。

[1]尹詩，申燭，孟凱峰等.基于Twincat風(fēng)電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集設(shè)計[J].能源與節(jié)能，2013.

[2]尹詩，余忠源.基于OPCXML技術(shù)的風(fēng)電場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[C]//中國電機工程學(xué)會年會，2012.

[3]廖茜.Modbus/TCP協(xié)議在風(fēng)機組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].智慧工廠，2010.