張國騫,何明，張瑋

　　(天津工業(yè)自動化儀表研究所有限公司，天津 300060)

       摘要：系統(tǒng)采用倍福PLC控制器對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，并采用Modbus_RTU協(xié)議采集清污機(jī)、閘板門、旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)、綜保裝置等設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)和工作電流，分別上傳至操作員站和工程師站的上位機(jī)KingSCADA系統(tǒng)，同時兼?zhèn)銶odbus通信失敗報警功能。上位機(jī)接收到PLC采集的數(shù)據(jù)并顯示到監(jiān)控系統(tǒng)畫面，同時還將重要的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳至主廠區(qū)DCS系統(tǒng)。由于泵站與主廠區(qū)距離較遠(yuǎn)，光纜鋪設(shè)成本大且難維護(hù)，故采用基于GPRS的DTU點(diǎn)對點(diǎn)設(shè)備并利用Modbus-RTU進(jìn)行485通信。

　　關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng)；Modbus-RTU； DTU；485通信

0引言

　　取水泵站作為主廠區(qū)的備用水源，設(shè)有6 kV變電站高低壓配電系統(tǒng)、水泵機(jī)組及控制測量設(shè)備、直流系統(tǒng)及電氣保護(hù)設(shè)備等，并在中控室設(shè)置一套計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對泵站重要設(shè)備進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和運(yùn)行管理。監(jiān)控系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)與PLC相結(jié)合的方式，并采用主控層和現(xiàn)場控制單元的分布式結(jié)構(gòu)。主控層以工作站為監(jiān)控中樞，現(xiàn)場控制單元設(shè)有水泵機(jī)組現(xiàn)地控制單元LCU、配電設(shè)備現(xiàn)地控制單元LCU。

　　計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)所監(jiān)測設(shè)備的信號類型可分為遠(yuǎn)程I/O信號、4-20 mA信號和RS485信號。監(jiān)控系統(tǒng)在對以上信號進(jìn)行監(jiān)控的同時，還通過無線DTU與主廠區(qū)DCS系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信，故可在主廠區(qū)也可對泵站設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。

1系統(tǒng)方案

　　系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)［1］，主控層設(shè)有操作員站和工程師站各一臺，并配有KingSCADA組態(tài)軟件，便于現(xiàn)場運(yùn)行人員觀察現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀況，且便于開發(fā)人員對組態(tài)畫面進(jìn)行修改；現(xiàn)場控制單元由主控柜、高低壓柜、1#電機(jī)柜、2#電機(jī)柜組成，并采用德國倍福控制器對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，監(jiān)控范圍包括：泵組、閥門、電流表、電壓表、多功能表、綜保裝置、清污機(jī)、旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)、閘門等。主控柜與各分控站通過倍福光纖接口端子模塊連接起來，主控柜CPU模塊有4個百兆網(wǎng)口可與兩臺工作站通過工業(yè)以太網(wǎng)相連接，并采用OPC方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)配置圖如圖1所示。

2Modbus-RTU通信

　　Modbus-RTU是一種依托于RS485接口的通信協(xié)議，采用主從原則的應(yīng)答機(jī)制進(jìn)行通信，只設(shè)一個主站，最多可設(shè)247個子站。通信開始時，首先由主站向從站發(fā)送報文［2］，報文幀中包含從站的站號、進(jìn)行讀或?qū)懖僮鞯墓δ艽a、寄存器的起始地址、進(jìn)行操作的字節(jié)長度和CRC校驗(yàn)碼。相應(yīng)的子站接收到報文后經(jīng)校驗(yàn)無誤后向主站返回所需數(shù)據(jù)的報文，返回的報文幀包含從站的站號、功能碼、寄存器的起始地址、進(jìn)行操作的字節(jié)長度和CRC校驗(yàn)碼。主站接收到返回的報文后進(jìn)行校驗(yàn)，如無誤則此次通信成功。

       2.1現(xiàn)場設(shè)備485通信

　　現(xiàn)場需要進(jìn)行485通信的設(shè)備包括綜保裝置（2臺）、電壓表（2臺）、多功能表（4臺）、旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)（2臺）、清污機(jī)（2臺）、閘門（2臺）。考慮到監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時性，因此不采用一條總線連接所有設(shè)備的方式。各現(xiàn)場分控站均配有485通信模塊，每個485通信模塊負(fù)責(zé)某一種類型的設(shè)備的通信。同一類型的設(shè)備串在同一條485總線上，在程序中采用輪詢方式與總線上的各個設(shè)備進(jìn)行通信。485通信示意圖如圖2所示。

　　由于倍福控制器自帶Modbus功能塊CRC校驗(yàn)的高低字節(jié)存儲順序與某些設(shè)備所支持的CRC校驗(yàn)的高低字節(jié)存儲順序正好相反，故采用自由口發(fā)送報文并延時接收報文的方式進(jìn)行通信。以多功能表的通信為例，首先為4塊多功能表確定站號（1-4），然后以500 ms為周期，依次向4塊多功能表發(fā)送報文，隨即等待接收多功能表返回的報文，并將接收到的報文存入相應(yīng)的數(shù)組。由于數(shù)組中接收到的數(shù)據(jù)具有保持性，因此當(dāng)出現(xiàn)通信失敗的情況時，容易誤導(dǎo)現(xiàn)場運(yùn)行人員。故在每次對相應(yīng)從站發(fā)送報文時，均對儲存接收報文的數(shù)組的前兩個字節(jié)進(jìn)行清零，即表示返回?cái)?shù)據(jù)站號和功能碼的兩個字節(jié)，然后在完成接收程序后比較站號和功能碼，如為零則通信失敗；如站號和功能碼正確則通信正常。另外，對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，如與接收到的CRC校驗(yàn)不一致則舍棄此組數(shù)據(jù)。程序流程圖如圖3所示。

　　2.2主廠區(qū)485通信

　　本取水泵站距離主廠區(qū)約5 km，其間有農(nóng)田、溝渠、公路等障礙，如采用光纜的方式進(jìn)行通信，則鋪設(shè)和維護(hù)成本較大，且有一定難度，故采用基于GPRS的無線點(diǎn)對點(diǎn)通信設(shè)備——DTU進(jìn)行通信。此種通信方式需要兩臺DTU設(shè)備分別安裝于取水泵站和主廠區(qū)，還需要一臺能夠連接Internet的計(jì)算機(jī)來連接兩臺DTU設(shè)備，除此之外還需要兩張開通GPRS功能的SIM卡。無線網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖4所示。

　　DTU能通過基站將數(shù)據(jù)發(fā)送至Internet，但如果要使兩臺設(shè)備建立連接，則需要在具備Internet連接的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行虛擬串口軟件，用來連接兩臺DTU。簡單來說，即用能夠連接Internet的虛擬串口軟件傳遞兩臺DTU之間發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)。另外，為保證主廠區(qū)與泵站監(jiān)控系統(tǒng)之間的485通信不占用過多的控制器資源，采用主廠區(qū)DCS系統(tǒng)直接從上位機(jī)獲取數(shù)據(jù)的方式。在上位機(jī)KingSCADA系統(tǒng)中單獨(dú)建立server鏈路（Modbus_RTU協(xié)議），對應(yīng)端口為工程師站計(jì)

　　算機(jī)串口1，并將此串口用232-485轉(zhuǎn)換器與DTU相連，泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)便可以與主廠區(qū)DCS系統(tǒng)收發(fā)報文了。

3結(jié)論

　　本取水泵站監(jiān)控系統(tǒng)既能對泵組設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，又能利用Modbus-RTU對子設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，并兼?zhèn)?85通信失敗的報警功能。不僅如此，基于Modbus-RTU的無線DTU點(diǎn)對點(diǎn)通信方式成功替代了光纖通信，既節(jié)約了成本，又利于后期的維護(hù)。

　　參考文獻(xiàn)

　　［1］ 王義,何偉,李華興.Modbus-RTU協(xié)議在煤礦井下變電所監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.煤礦機(jī)電,2012(1):102-104.

　　［2］ 王兆華,孟文,王文璽.Modbus協(xié)議在變電站監(jiān)控組態(tài)軟件中的實(shí)現(xiàn)［J］.自動化與儀表,2007，22(3):46-50.