基于Forcecontrol配電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：針對配電網(wǎng)中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、位置分散、管理手段落后的問題，利用MODBUS通信協(xié)議和RS 485、RJ45接口等技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)場總線控制理論，開發(fā)了一種基于Forcecontrol組態(tài)軟件的低壓配電智能監(jiān)測系統(tǒng)。整個監(jiān)控系統(tǒng)由控制室中工控機和光纖適配器組成，每個無人低壓配電室由基于MODBUS—RTU通信協(xié)議的RS 485通信端口的智能控制器和光纖適配器組成。系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)自動采集、動態(tài)數(shù)據(jù)和曲線顯示、故障記錄報警、實時通信等主要特點。
關(guān)鍵詞：低壓配電；遠程監(jiān)控；MODBUS通信協(xié)議；Forcecontrol

0 引言
    在生產(chǎn)企業(yè)中，由于低壓配電室分布過于分散，使得配電室的維護非常不方便。本文針對河南某鋁廠分散的低壓配電室，設(shè)計了基于工業(yè)以太網(wǎng)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。在無人值守低壓配電室中三相電壓U、三相電流I、頻率f、功率P、功率因數(shù)cosφ電度Ep、遠程設(shè)備運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)通過帶RS 485通信端口的智能控制器讀取，利用MODBUS—RTU通信協(xié)議通過光纜向工控機中傳送數(shù)據(jù)；在控制室中，通過工控機可以實現(xiàn)各種狀態(tài)的報警，各種數(shù)據(jù)參數(shù)的監(jiān)控，及繪制實時變化曲線和歷史曲線。

1 配電監(jiān)控系統(tǒng)
1．1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
    本系統(tǒng)主要是對17個配電室中的各種功耗參數(shù)(如電壓、電流、功率等)進行測試并實現(xiàn)實時動態(tài)顯示與處理。通信結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由兩大部分組成，即硬件連接和軟件平臺。

    整個系統(tǒng)硬件包括H型智能控制器、串口服務(wù)器、光纖適配器、交換機、工控機。H型控制器采集數(shù)據(jù)，串口服務(wù)器是通過網(wǎng)絡(luò)，用計算機來存取、管理和配置遠程的設(shè)備，光纖適配器連接不同類型的光纖跳線接口，交換機是一種用于電信號轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。它可以為接入交換機的任意兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點提供獨享的電信號通路。在此串口通信系統(tǒng)中，計算機為上位機，H型智能控制器為下位機，二者之間的通信遵循MODBUSRTU協(xié)議。通信介質(zhì)為雙絞線，H型智能控制器作為RS 485通信網(wǎng)絡(luò)的工作站節(jié)點，將采集的信號通過MODBUS協(xié)議轉(zhuǎn)換為控制信號傳送到上位機，實現(xiàn)對電量信號的監(jiān)控；上位PC選用聯(lián)想IdeaCentre工控機，監(jiān)控軟件選用的是國產(chǎn)軟件ForceControl 6．0?？偩€結(jié)構(gòu)安全、簡潔，具有很高的可靠性和實用性。
1．2 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)
    數(shù)據(jù)自動采集與檢測：通過帶RS 485通信端口的智能控制器來實現(xiàn)無人值班低壓配電室的三相電壓U、三相電流J、頻率f、功率P、功率因數(shù)cosφ、電度Ep、遠程設(shè)備運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)的采集和檢測，再利用MODBUS—RTU通信協(xié)議通過光纖適配器后，通過光纜向工控機中傳送實時數(shù)據(jù)。
    通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成：在現(xiàn)場無人值班低壓配電室，通過新配置的帶MODBUS—RTU通信協(xié)議的RS 485通信口的智能控制器檢測數(shù)據(jù)，再將多臺各種型號的智能控制器中的數(shù)據(jù)統(tǒng)一通過光纖適配器后，經(jīng)過光纜傳送到中央監(jiān)控室中的光纖適配器上，轉(zhuǎn)化為RJ45接口連接到工控機上，從而實現(xiàn)各種實時數(shù)據(jù)的監(jiān)控。
    動態(tài)顯示：在控制室內(nèi)，通過工控機經(jīng)由光纖適配器通過光纖傳送現(xiàn)場智能控制器中的各種參數(shù)數(shù)據(jù)，從而在顯示器上動態(tài)顯示各種參數(shù)的當(dāng)前運行狀態(tài)和實時動態(tài)數(shù)據(jù)，采用改變圖形顏色和閃爍功能進行各種報警，并為操作人員提供決策信息。此外，操作人員的級別和代碼，各種數(shù)據(jù)的實時曲線和歷史曲線，各種日報表、周報表和月報表等都可以在上位機中實現(xiàn)。

2 串口通信的實現(xiàn)
2．1 MODBUS—RTU協(xié)議串口通信的實現(xiàn)
    MODBUS通信協(xié)議是由美國的MODBUS公司推出的開放式現(xiàn)場總線通信協(xié)議，其功能完善、使用簡單、協(xié)議開放，正在成為儀表及智能終端的工業(yè)標準。該協(xié)議有RTU和ASCII兩種傳輸方式，其中RTU模式的消息幀中8位數(shù)據(jù)包括兩個4位16進制字符，相比ASCII模式，RTU模式表達相同信息需要較少位數(shù)，且相同通信速率下具有更大數(shù)據(jù)流量，本系統(tǒng)采用的串口通信即為RTU模式。
    依照MODBUS的格式，系統(tǒng)的通信雙方為計算機和智能控制器，計算機即為通信規(guī)約中的“主站”，智能控制器即為“從站”。主站可根據(jù)從站的惟一的地址編號向從站發(fā)送請求信號，主站和從站之間通信的內(nèi)容包括主站對從站的讀取和寫入。通信回路遵照主／從方式，在這種方式下，信息和數(shù)據(jù)在單個主站和從站之間傳遞。每個MODBUS數(shù)據(jù)包由從站地址、功能碼、數(shù)據(jù)和錯誤校驗4個部分組成。具體來講，主站發(fā)送的數(shù)據(jù)幀包括從站地址、功能碼、數(shù)據(jù)起始地址、數(shù)據(jù)大小和CRC校驗碼。MODBUS—RTU消息幀格式見表1。

2．2 通信指令字符串的處理
    由于MODBUS—RTU串口通信采用的均是十六進制的字符串類型，但是在發(fā)送控制指令的時候，指令僅僅是普通字符串類型，所以必須進行格式轉(zhuǎn)換。但由于各種指令字符串的大小不同以及計算機對數(shù)值型字符串的識別大多以ASCII碼的形式，所以不能視為簡單的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。在對通信指令字符串進行格式轉(zhuǎn)換處理時，將字符串的長度除以4的余數(shù)作為條件判斷分支，分別對余數(shù)為0、1、2和3四種分支情況作了單獨的轉(zhuǎn)換處理。這樣，輸入帶校驗碼的普通型字符串，而輸出則變?yōu)閹ｒ灤a的十六進制字符串，可直接進行串口通信。

3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件實現(xiàn)
3．1 系統(tǒng)軟件組成
    監(jiān)測系統(tǒng)的軟件主要由用戶面板和程序框圖兩大部分組成。其中，用戶面板是面向用戶的操作面板，用于對電機功耗參數(shù)的動態(tài)顯示功能，并允許用戶進行一些交互操作。
    工控機服務(wù)器運行Windows Server，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 7．0，負責(zé)遠方數(shù)據(jù)的采集和充當(dāng)數(shù)據(jù)服務(wù)器的作用，管理員工作站和工程師工作站運行Windows XP。工控機服務(wù)器在采集和保存實時數(shù)據(jù)的同時，還作為各個工作站的數(shù)據(jù)源。
    支撐軟件：配置專業(yè)網(wǎng)絡(luò)版組態(tài)軟件ForceControl6．0。
    應(yīng)用軟件：即基于組態(tài)軟件ForceControl 6．0開發(fā)出來的低壓配電計算機監(jiān)控與管理系統(tǒng)，具有良好的Windows人機交互界面，包括以下部分：
    軟件配置：在軟件運行后，進入系統(tǒng)配置畫面，操作員按屏幕提示進行系統(tǒng)配置后進入裝置模擬屏畫面。
    裝置模擬：畫面中的圖標在開路時與通電時設(shè)置為不同的顏色，以此進行模擬。
    主要完成功能：登陸、注銷、退出、主接線圖、遠程監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)、操作記錄、安全設(shè)置等。通過這些系統(tǒng)與低壓配電裝置等現(xiàn)場設(shè)備的配合，使成套供電、配電、用電系統(tǒng)能夠在本機、上位機環(huán)境、負載等對象中交換各種信息，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)狀態(tài)檢測、信息回饋、綜合判斷、發(fā)出命令及操作等，從而提高整個配電系統(tǒng)的可靠性?？梢哉f這是以現(xiàn)場總線控制技術(shù)為核心的自動化技術(shù)與配電技術(shù)的結(jié)合。
3．2 系統(tǒng)的控制面板
    系統(tǒng)的用戶面板如圖2所示。面板上有17個配電室，分別為一分解槽、二分解槽、分解一、分解二、焙燒、蒸發(fā)一、蒸發(fā)二、原料一、原料二、動力一、動力二、溶出一、溶出二、空壓站、沉降一、沉降二、高效沉降配電室。并有用戶登錄、用戶注銷、修改密碼、用戶管理等控制按鈕。

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4 結(jié)論
    系統(tǒng)主控計算機在控制室內(nèi)通過通信光纜對成套裝置的電氣元件進行操作，系統(tǒng)還實現(xiàn)信息資源查詢、故障記錄、日記報表以及對電網(wǎng)管理、成本分析、電網(wǎng)質(zhì)量和符合分析等，提高了效率。該項目目前已經(jīng)通過驗收。