基于Modbus協(xié)議的SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　【摘要】為某動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室改造提出了基于Modbus協(xié)議的數(shù)字化監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)SCADA（Su鄄pervisoryControlandDataAcquisiTIon）的構(gòu)建。整個(gè)系統(tǒng)以SLC/505PLC為核心，以支持Modbus協(xié)議的PM170儀表作為測(cè)量單元，再通過(guò)Ethernet將數(shù)據(jù)傳送給作為人機(jī)界面的GP觸摸屏。改造完成后近一年的實(shí)際運(yùn)行表明，整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)是穩(wěn)定、可靠、高效的，完全能夠滿足教學(xué)與科研的需要。

　　作為實(shí)際大電力系統(tǒng)的物理模擬，動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室不僅要符合實(shí)際電力系統(tǒng)的多種正常運(yùn)行方式，而且要模擬電力系統(tǒng)的各種故障方式;不僅要為科學(xué)研究提供準(zhǔn)確詳盡的測(cè)量數(shù)據(jù)，而且要保證各種試驗(yàn)設(shè)備始終運(yùn)行在允許狀態(tài)下。這些都對(duì)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)提出了較高的要求。

　　本文介紹一個(gè)用于監(jiān)控整個(gè)動(dòng)模系統(tǒng)的SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisiTIon）系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建以Prosoft公司的3150-MCM數(shù)據(jù)采集模塊和ABB公司的PM170系列測(cè)量表計(jì)組成Modbus網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和采集，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)AB公司的SLC/505PLC的處理和計(jì)算，再通過(guò)Ethernet發(fā)送給作為上位機(jī)的GP觸摸屏。

　　Modbus協(xié)議是Modicon公司開(kāi)發(fā)的一種工業(yè)通信和分布式控制系統(tǒng)協(xié)議。Modbus網(wǎng)絡(luò)屬于一種主從網(wǎng)絡(luò)，允許一個(gè)主機(jī)和一個(gè)或多個(gè)從機(jī)通信。它采用命令/應(yīng)答方式，每種命令報(bào)文都對(duì)應(yīng)著一種應(yīng)答報(bào)文。命令報(bào)文由主機(jī)發(fā)出，當(dāng)從機(jī)收到發(fā)給自己的報(bào)文后，就發(fā)出相應(yīng)的應(yīng)答報(bào)文進(jìn)行響應(yīng)。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)從機(jī)都必須分配給一個(gè)唯一的地址，主機(jī)發(fā)出的命令中含有要求訪問(wèn)的從機(jī)地址，只有具有該地址的從機(jī)才會(huì)對(duì)該命令響應(yīng)。

　　在Modbus協(xié)議中使用RTU和ASCII兩種傳輸模式。RTU模式的傳輸格式是8個(gè)數(shù)據(jù)位，2個(gè)停止位，沒(méi)有奇偶校驗(yàn)位。RTU接收設(shè)備依靠接收字符間經(jīng)過(guò)的時(shí)間判斷一幀的開(kāi)始，如果經(jīng)過(guò)3個(gè)半的字符時(shí)間后仍然沒(méi)有新的字符或者沒(méi)有完成幀，接收設(shè)備就會(huì)放棄該幀，并設(shè)下一個(gè)字符為新一幀的開(kāi)始。在RTU模式中，1字節(jié)的信息作為一個(gè)8位字符被發(fā)送;而在ASCII模式中則作為兩個(gè)ASCII字符被發(fā)送。如“08”發(fā)送時(shí)，采用RTU模式時(shí)為“00001000”，然而采用了ASCII模式則成為“00110000”+“00111000”（ASCII字符的“0”和“8”）。因此，發(fā)送同樣的數(shù)據(jù)時(shí)，RTU模式的效率大約為ASCII模式的兩倍，一般采用RTU模式。

　　3150-MCM通信模塊是Prosoft公司為了配合Allen-Bradley公司的SLC500系列PLC生產(chǎn)的一塊Modbus通信卡，它有兩個(gè)串口，每個(gè)串口都可支持RS-232，RS-422，RS-485通信協(xié)議（通過(guò)模塊上的跳線來(lái)選擇）。模塊的兩個(gè)串口可以配置為兩個(gè)都為Master，或兩個(gè)都為Slave;或者一個(gè)為Master、另一個(gè)為Slave。

　　在本應(yīng)用中都作為Master使用。3150-MCM通信模塊的功能是比較強(qiáng)大的。它內(nèi)部有多達(dá)100條的命令列表。每條命令，從裝置地址、內(nèi)部尋址的首地址和要求訪問(wèn)的字節(jié)數(shù)都是可以配置的，以形成符合Modbus協(xié)議的命令報(bào)文。模塊內(nèi)部有多達(dá)4000個(gè)16位存貯器，可以用來(lái)存貯數(shù)據(jù)并且與PLC的CPU單元交換數(shù)據(jù)。在通信出錯(cuò)時(shí)，模塊可以產(chǎn)生錯(cuò)誤代碼并返回給PLC以便進(jìn)行出錯(cuò)處理。Modbus協(xié)議的命令比較多，3150-MCM模塊并沒(méi)有支持其中的所有命令，而只是選擇實(shí)現(xiàn)了其中最主要的命令，對(duì)于一般的工程應(yīng)用而言，這些命令已經(jīng)足夠了。

　　3150-MCM模塊安裝在PLC的機(jī)架上，通過(guò)背板與CPU單元通信。由于SLC并沒(méi)有真正的塊通信功能，所以利用I/Otable控制模塊和CPU之間的握手，并使用M0/M1文件傳輸數(shù)據(jù)。模塊通信部分的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　在上電之后，模塊先進(jìn)行初始化，接著會(huì)不斷向CPU單元發(fā)出要求得到配置數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，直到得到含有配置數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊為止。之后，模塊就進(jìn)入正常的工作過(guò)程，具體包括對(duì)兩個(gè)串口的通信進(jìn)行管理以及和CPU單元交換信息。

　　從數(shù)據(jù)流的情況來(lái)看，模塊相當(dāng)于PLC與外部設(shè)備之間的中間層。它一方面通過(guò)Modbus網(wǎng)絡(luò)與外部設(shè)備通信，另一方面使用M0/M1文件與CPU單元進(jìn)行通信，如圖2所示。

　　ABB公司的PM170系列電力計(jì)量?jī)x表是ABB公司生產(chǎn)的適應(yīng)電力工業(yè)發(fā)展的新一代測(cè)量?jī)x表。它接線簡(jiǎn)單靈活，不再需要直流變送器，直接與TV，TA連線即可。它內(nèi)部裝有微處理器，通過(guò)測(cè)量計(jì)算可得到三相電壓、電流、有功、無(wú)功、功率因數(shù)、頻率和不平衡電流等多個(gè)電氣量。同時(shí)它還有比較強(qiáng)大的通信功能：在物理接口上支持RS-232，RS-422和RS-485三種通信接口;在通信協(xié)議上它支持ASCII，Modbus和DNPV3.00多種協(xié)議。