基于InTouch和MODBUS协议的电力监控系统

1  概述

                
  　intouch是由美国wonderware公司开发的过程可视化组态软件，其功能强大、易用性好，市场占有率高，结合其他的软件，如io server和d/a server，可以完成许多工业项目。modbus是由modicon公司开发的开放的通信协议，它已经成为事实上的工业标准，国内外生产的中低压智能电力监控装置大多带rs-485接口，并支持标准modbus通讯协议。基于以上两点，笔者设计了一种基于intouch和modbus协议的电力监控系统，上位机采用安装有intouch和modbus io server的研华工控机，下位机采用上海南自科技公司的snp-200系列电力测控仪表，系统开发方便，扩展性和稳定性好。
           
 2  电力监控系统的硬件设计
           
　　电力监控系统的硬件示意图如图1所示。

                                            
  图1  电力监控系统硬件示意图

　　snp-200测控仪表有一个rs-485接口，采用modbus-rtu通讯协议。rs-485接口的接线端子为“a”和“b”，“a”有时也被称为差动信号的“+”，“b”被称为差动信号的“-”，图中所有snp-200仪表的“a”短接在一起，所有的“b”短接在一起。rs-485的传输介质为屏蔽双绞线，通信距离可达1200米。当使用的波特率较高，或一条线路上的仪表较多时，通讯距离会相应缩短。此处，snp-200采用波特率为9600bps，数据格式为8位数据位+1位停止位，无奇偶校验。为保证通信质量，应将每台snp-200仪表的gnd端子短接在一起，并在主机处单点接地。图中的终端电阻rt阻值为120欧，它安装于一条rs-485总线末端的最后一块仪表上。由图可知，可以很方便地在rs-485总线的末端扩展新的从站仪表。另外，由于工控机拥有多个rs-232com口，每个串口都可以经各自的rs-232/rs-485电平转换器组成一条rs-485总线，例如，可以将1~10#从站仪表接入com1带的第一条rs-485总线，将11~20#从站仪表接入com2带的第二条rs-485总线，余此类推，这样分散开来，既减轻了每个com口的通讯负担，又非常方便扩展新的从站仪表。
           
3  电力监控系统的软件设计
           
　　3.1 i/o server for modicon modbus中的设置
              
　　1台主机往往带多个modbus从站，例如图1所示。以1#从站仪表为例，打开modicon modbus io server，设置modbus topic definition中的参数[1]，如图2所示。图2中，topic name设置为snp_1，com port为com1，slave id即为仪表的modbus从站号1，slave device type选择为micro84plc。其他从站仪表的设置方法相同。

                                        
图2   modbus topic definition设置图

　　3.2  intouch中访问名的设置
              
　　仍以1#从站仪表为例，intouch中的访问名设置为snp_1，节点名可以不设置，或设置为本机(主机)的ip地址127.0.0.1，应用程序名为modbus，主题名和modbus topic definition中的topic name一致，即为snp_1，使用的协议为suitelink，如图3所示，按照同样的方法设置其他modbus从站的访问名。

                                           
     图3  intouch访问名配置图

　　3.3 遥信功能的实现
              
　　遥信即读取外部开关量输入状态(从站输入线圈)，如断路器合闸、分闸状态，接地刀闸位置等。结合snp-200的modbus通讯协议知，读取1#从站仪表的4个遥信开入量，主机下发和从站返回的报文格式分别为[2]：
           
　　主机发送 ： 0 02 000 0004 crc
            
　　地址 功能码 起始地址 读开关量个数 crc码
           
　　从机响应：  01 02 01 02 crc
            
　　地址 功能码 字节数 di状态数据 crc码
              
　　注意报文中输入线圈起始地址0000h对应的设备地址为10001，其他顺延。本例中，主机读取1#从站输入线圈10001~10004共4路信号。工程应用中，可根据需要将不同的开入量接入仪表，如10001为1#配电柜内断路器合闸状态，10002为1#配电柜内断路器分闸状态，10003为1#配电柜接地刀闸位置状态，10004为备用。在此，我们不必关注crc校验码的计算和校验，只需在intouch中先配置好访问名snp_1，再逐个配置10001~10004 i/o离散型变量，以1#从站仪表的10001为例，打开intouch开发界面，配置其标记名字典如图4所示，图4中，访问名为snp_1，项目名即为设备地址10001。其他遥信开入量按照同样的方法设置。

                                        
图4  遥信变量的标记名字典配置图

　　3.4 遥测功能的实现
              
　　在遥测即读取电压、电流、功率等寄存器地址中的数值，转换成实际工程量，供上位机显示用。snp-200系列仪表使用03h作为遥测功能的功能码，以1#从站仪表为例，已知电流互感器的变比为500/5=100，要测量ia、ib、ic三相电流值，主机发送和从机返回的报文格式为[2]：
              
　　功能：主机读取1#从站仪表的报文地址为0103h开始的3个寄存器数据，分别对应ia、ib、ic的通讯值，需指出的是，电流通讯值要乘上一个系数才能换算成实际值，本例中，i实际=i通讯×ct变比/100=i通讯×100/100=i通讯。报文中ia寄存器地址0103h=259，对应设备地址为40260，其他顺延。配置1#从站仪表的ia标记名字典，如图5所示，访问名仍为snp_1，项目名即为设备地址40260。ib、ic按照同样的方法设置。

                                         
  图5 遥测变量的标记名字典配置图

　　3.5 遥控功能的实现
              
　　本遥控即远方控制snp-200电力仪表的输出继电器进而实现对断路器合闸、分闸回路的控制。snp-200遥控功能码为05h，以1#从站仪表为例，假设第一路继电器用于合闸回路，要使其输出一个1秒的合闸脉冲，主机发送和从机返回的报文格式为[2]：

　　报文中线圈地址为0000，对应设备地址为00001，如果线圈地址为0001，则对应设备地址为00002，其他顺延。配置1#从站仪表的合闸控制变量如图6所示，访问名设置为snp_1，项目地址即为设备地址00001。只需在intouch中配置一个按钮，按钮按下时使qf1_on_button为1，按钮松开时使qf1_on_button为0，按下按钮维持1秒后松开，就可以使第一路继电器输出1秒的合闸脉冲，进而实现对断路器的合闸远控。

                                          
     图6 遥控变量的标记名字典配置图

　　3.6修改装置参数
              
　　仍以1#从站仪表为例，要将其电流变比系数修改为100/5=20(14h)，则主机发送和从机返回的报文格式为[2]：

　　由snp-200的modbus规约，ct变比的寄存器地址为000eh=14，对应的设备地址为40015。设置标记名字典如图7所示，要将1#从站仪表的电流变比设置为20，只需将ct_value(对应设备地址40015)修改为20即可。

                                            
图7 修改装置参数的标记名字典配置图

4  结论
              
　　文章介绍的基于intouch和modbus协议的电力监控系统，以工控机作为主机实现对电力测控仪表的遥信、遥测、遥控及修改装置参数等功能，性价比高，符合过程工业流行的趋势，运行表明，该系统稳定、可靠，且非常易于扩展，在工程上有一定的借鉴意义。