基于Modbus總線的智能配電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要： 以某醫(yī)院智能配電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例，提出了一種基于現(xiàn)場(chǎng)總線的智能配電監(jiān)控系統(tǒng)，在分析了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，給出了系統(tǒng)上位機(jī)通信軟件流程圖、從設(shè)備通信軟件流程圖以及最后實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控界面圖。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)配電系統(tǒng)的智能化管理，提高了配電保護(hù)的可靠性和管理的效率。
關(guān)鍵詞： Moubus協(xié)議；智能配電監(jiān)控系統(tǒng)；監(jiān)控軟件

　隨著我國(guó)建筑行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)供配電系統(tǒng)的技術(shù)要求越來越高?，F(xiàn)有的供配電系統(tǒng)設(shè)備大都采用斷路器、電壓互感器和繼電器保護(hù)裝置為機(jī)械節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)運(yùn)行性能差，易誤動(dòng)作且缺乏智能化的信息管理措施。因此，基于Modbus的智能配電監(jiān)控系統(tǒng)將會(huì)有效提高整個(gè)行業(yè)的智能化水平。作為目前全球工業(yè)領(lǐng)域最流行的協(xié)議，Modbus協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS-232、RS-485和以太網(wǎng)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于過程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備互連通信網(wǎng)絡(luò)[1]。國(guó)內(nèi)外主要低壓電器制造商從20世紀(jì)90年代就開始不斷開發(fā)新一代低壓電器產(chǎn)品，以大幅度提高電氣壽命和運(yùn)行分?jǐn)嗄芰Γ鰪?qiáng)電器產(chǎn)品的運(yùn)行可靠性，同時(shí)具有可通信性能，能實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)總線的連接。由這些智能電器元件構(gòu)成的智能型開關(guān)柜與Modbus總線技術(shù)及上位機(jī)構(gòu)成的配電自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)具有功能強(qiáng)、系統(tǒng)完善、可靠性高、編程簡(jiǎn)易、控制簡(jiǎn)便及通信協(xié)議開放等特點(diǎn)[2]。
1 智能配電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
1.1 項(xiàng)目背景
　合肥市第二人民醫(yī)院是一所集醫(yī)療、教學(xué)、科研、預(yù)防、康復(fù)、急救等多項(xiàng)功能為一體的大型綜合醫(yī)院。該項(xiàng)目共設(shè)置3個(gè)10 kV變配電所，分別在外科病房大樓地下層（4×10 kVA）、門急診醫(yī)技大樓地下層（10 kVA）和食堂一層（4×800 kVA）；在門急診醫(yī)技樓地下一層戰(zhàn)時(shí)急救醫(yī)院內(nèi)設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)房，安裝兩臺(tái)200 kVA自備應(yīng)急柴油發(fā)電組。該工程設(shè)置智能配電監(jiān)控管理系統(tǒng)，監(jiān)控管理主機(jī)設(shè)置在外科病房大樓地下層BA控制室內(nèi)，并兼作變電所值班室。3個(gè)變電所內(nèi)所有高低壓進(jìn)出線回路、母聯(lián)開關(guān)及無功補(bǔ)償設(shè)備的電能參數(shù)均在控制室內(nèi)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控顯示，并在控制室內(nèi)對(duì)所有回路開關(guān)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。本文著重介紹該智能配電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。
1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　本系統(tǒng)采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、通信傳輸層和監(jiān)控管理層3個(gè)層次，如圖1所示[3]。
?。?）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備主要由多個(gè)智能型高低壓配電柜組成。每個(gè)智能型配電柜中均安裝智能框架斷路器、智能塑殼斷路器和網(wǎng)絡(luò)儀表等，采用綜合繼電器保護(hù)裝置對(duì)高壓母線、母聯(lián)及初相回路進(jìn)行綜合保護(hù)和監(jiān)測(cè)，并且相關(guān)產(chǎn)品都配有RS-485通信端口。系統(tǒng)通過監(jiān)控主機(jī)的上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)各供配電回路的各種電量參數(shù)（如電壓、電流、有功功率等）的監(jiān)測(cè)，對(duì)各回路的分合狀態(tài)、故障信息報(bào)警和配合軟件進(jìn)行監(jiān)視、控制。在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層通過對(duì)各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行地址編排，可以清楚地查看各設(shè)備的物理地址，方便查詢各個(gè)配電線路。整個(gè)通信系統(tǒng)采用設(shè)備與協(xié)議解析分層的原則，它們之間有標(biāo)準(zhǔn)的模塊接口，這增強(qiáng)了系統(tǒng)的可組態(tài)性和可擴(kuò)展性。
　（2）通信傳輸層。在整個(gè)分布式控制系統(tǒng)中，通信傳輸是監(jiān)控系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提供了各現(xiàn)場(chǎng)的配電和控制設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信連接。本設(shè)計(jì)采用Modbus通信協(xié)議，使用RS-232接口實(shí)現(xiàn)串行的Modbus。
本系統(tǒng)采用的是遠(yuǎn)程終端單元（RTU）通信模式。Modbus的RTU協(xié)議規(guī)定了消息、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、命令和就答的方式，數(shù)據(jù)通信采用Maser/Slave方式，Master端發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求消息，Slave端接收到正確消息后就可以發(fā)送數(shù)據(jù)到Master端以響應(yīng)請(qǐng)求；Master端也可以直接發(fā)送消息修改Slave端的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)雙向讀寫。
使用RTU模式，消息發(fā)送至少要以3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開始，也就是說在最后一個(gè)傳輸字符之后，一個(gè)至少3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓標(biāo)定了消息的結(jié)束。整個(gè)消息幀必須作為一個(gè)連續(xù)的流傳輸。如果在一個(gè)消息幀完成之前有超過1.5個(gè)字符時(shí)間的停頓時(shí)間，接收設(shè)備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個(gè)新消息的地址域。
　Modbus協(xié)議需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，RTU模式采用16 bit CRC校驗(yàn)。CRC域是2 B、包含一個(gè)16 bit的二進(jìn)制值，它由傳輸設(shè)備計(jì)算后加入到消息中。接收設(shè)備重新計(jì)算收到的CRC，并與接收到的CRC域中的值比較，如果兩值不同，則有誤。CRC是先調(diào)入一個(gè)值是全“1”的16 bit寄存器，然后調(diào)用過程將消息中連續(xù)的8 bit數(shù)據(jù)當(dāng)前寄存器中的值進(jìn)行處理。CRC校驗(yàn)碼添加到消息幀最后，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后，僅對(duì)每個(gè)消息幀中的8 bit數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，起始位、停止位以及奇偶校驗(yàn)位均不進(jìn)行CRC校驗(yàn)。
?。?）監(jiān)控管理層。通過計(jì)算機(jī)和軟件來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、用戶界面、系統(tǒng)組態(tài)、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存管理、報(bào)警提示和故障記錄等功能。為保證通信的可靠性，可加UPS電源一臺(tái)，在斷電的情況下，可切換至UPS電源，避免數(shù)據(jù)的丟失。
2 智能配電監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
　由圖1可以看出，該智能配電監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分主要采用一臺(tái)基于Windows平臺(tái)的計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，監(jiān)控整個(gè)配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并可以發(fā)出指令，改變系統(tǒng)運(yùn)行方式，控制斷路器通斷。智能配電柜中采用具有RS-485通信接口的智能電器元件，經(jīng)轉(zhuǎn)換器與上位機(jī)RS-232接口相連，使用Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信功能。