基于Modbus協(xié)議的SCADA系統(tǒng)設(shè)計

　　【摘要】為某動模實驗室改造提出了基于Modbus協(xié)議的數(shù)字化監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)SCADA（Su鄄pervisoryControlandDataAcquisiTIon）的構(gòu)建。整個系統(tǒng)以SLC/505PLC為核心，以支持Modbus協(xié)議的PM170儀表作為測量單元，再通過Ethernet將數(shù)據(jù)傳送給作為人機界面的GP觸摸屏。改造完成后近一年的實際運行表明，整個監(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。

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

　　本文介紹一個用于監(jiān)控整個動模系統(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系列測量表計組成Modbus網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)的運行參數(shù)進行測量和采集，數(shù)據(jù)經(jīng)過AB公司的SLC/505PLC的處理和計算，再通過Ethernet發(fā)送給作為上位機的GP觸摸屏。

　　Modbus協(xié)議是Modicon公司開發(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)，允許一個主機和一個或多個從機通信。它采用命令/應(yīng)答方式，每種命令報文都對應(yīng)著一種應(yīng)答報文。命令報文由主機發(fā)出，當從機收到發(fā)給自己的報文后，就發(fā)出相應(yīng)的應(yīng)答報文進行響應(yīng)。網(wǎng)絡(luò)中的每個從機都必須分配給一個唯一的地址，主機發(fā)出的命令中含有要求訪問的從機地址，只有具有該地址的從機才會對該命令響應(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個數(shù)據(jù)位，2個停止位，沒有奇偶校驗位。RTU接收設(shè)備依靠接收字符間經(jīng)過的時間判斷一幀的開始，如果經(jīng)過3個半的字符時間后仍然沒有新的字符或者沒有完成幀，接收設(shè)備就會放棄該幀，并設(shè)下一個字符為新一幀的開始。在RTU模式中，1字節(jié)的信息作為一個8位字符被發(fā)送;而在ASCII模式中則作為兩個ASCII字符被發(fā)送。如“08”發(fā)送時，采用RTU模式時為“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，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，它有兩個串口，每個串口都可支持RS-232，RS-422，RS-485通信協(xié)議（通過模塊上的跳線來選擇）。模塊的兩個串口可以配置為兩個都為Master，或兩個都為Slave;或者一個為Master、另一個為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大的。它內(nèi)部有多達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)議的命令報文。模塊內(nèi)部有多達4000個16位存貯器，可以用來存貯數(shù)據(jù)并且與PLC的CPU單元交換數(shù)據(jù)。在通信出錯時，模塊可以產(chǎn)生錯誤代碼并返回給PLC以便進行出錯處理。Modbus協(xié)議的命令比較多，3150-MCM模塊并沒有支持其中的所有命令，而只是選擇實現(xiàn)了其中最主要的命令，對于一般的工程應(yīng)用而言，這些命令已經(jīng)足夠了。

　　3150-MCM模塊安裝在PLC的機架上，通過背板與CPU單元通信。由于SLC并沒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，模塊先進行初始化，接著會不斷向CPU單元發(fā)出要求得到配置數(shù)據(jù)的請求，直到得到含有配置數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊為止。之后，模塊就進入正常的工作過程，具體包括對兩個串口的通信進行管理以及和CPU單元交換信息。

　　從數(shù)據(jù)流的情況來看，模塊相當于PLC與外部設(shè)備之間的中間層。它一方面通過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單元進行通信，如圖2所示。

　　ABB公司的PM170系列電力計量儀表是ABB公司生產(chǎn)的適應(yīng)電力工業(yè)發(fā)展的新一代測量儀表。它接線簡單靈活，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，通過測量計算可得到三相電壓、電流、有功、無功、功率因數(shù)、頻率和不平衡電流等多個電氣量。同時它還有比較強大的通信功能：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。