基于Modbus协议的SCADA系统设计

　　【摘要】为某动模实验室改造提出了基于Modbus协议的数字化监测和数据采集系统SCADA（Su鄄pervisoryControlandDataAcquisiTIon）的构建。整个系统以SLC/505PLC为核心，以支持Modbus协议的PM170仪表作为测量单元，再通过Ethernet将数据传送给作为人机界面的GP触摸屏。改造完成后近一年的实际运行表明，整个监控系统是稳定、可靠、高效的，完全能够满足教学与科研的需要。

　　作为实际大电力系统的物理模拟，动态模拟实验室不仅要符合实际电力系统的多种正常运行方式，而且要模拟电力系统的各种故障方式;不仅要为科学研究提供准确详尽的测量数据，而且要保证各种试验设备始终运行在允许状态下。这些都对电力系统动态模拟实验室的监测和控制系统提出了较高的要求。

　　本文介绍一个用于监控整个动模系统的SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisiTIon）系统，监控系统的构建以Prosoft公司的3150-MCM数据采集模块和ABB公司的PM170系列测量表计组成Modbus网络对系统的运行参数进行测量和采集，数据经过AB公司的SLC/505PLC的处理和计算，再通过Ethernet发送给作为上位机的GP触摸屏。

　　Modbus协议是Modicon公司开发的一种工业通信和分布式控制系统协议。Modbus网络属于一种主从网络，允许一个主机和一个或多个从机通信。它采用命令/应答方式，每种命令报文都对应着一种应答报文。命令报文由主机发出，当从机收到发给自己的报文后，就发出相应的应答报文进行响应。网络中的每个从机都必须分配给一个唯一的地址，主机发出的命令中含有要求访问的从机地址，只有具有该地址的从机才会对该命令响应。

　　在Modbus协议中使用RTU和ASCII两种传输模式。RTU模式的传输格式是8个数据位，2个停止位，没有奇偶校验位。RTU接收设备依靠接收字符间经过的时间判断一帧的开始，如果经过3个半的字符时间后仍然没有新的字符或者没有完成帧，接收设备就会放弃该帧，并设下一个字符为新一帧的开始。在RTU模式中，1字节的信息作为一个8位字符被发送;而在ASCII模式中则作为两个ASCII字符被发送。如“08”发送时，采用RTU模式时为“00001000”，然而采用了ASCII模式则成为“00110000”+“00111000”（ASCII字符的“0”和“8”）。因此，发送同样的数据时，RTU模式的效率大约为ASCII模式的两倍，一般采用RTU模式。

　　3150-MCM通信模块是Prosoft公司为了配合Allen-Bradley公司的SLC500系列PLC生产的一块Modbus通信卡，它有两个串口，每个串口都可支持RS-232，RS-422，RS-485通信协议（通过模块上的跳线来选择）。模块的两个串口可以配置为两个都为Master，或两个都为Slave;或者一个为Master、另一个为Slave。

　　在本应用中都作为Master使用。3150-MCM通信模块的功能是比较强大的。它内部有多达100条的命令列表。每条命令，从装置地址、内部寻址的首地址和要求访问的字节数都是可以配置的，以形成符合Modbus协议的命令报文。模块内部有多达4000个16位存贮器，可以用来存贮数据并且与PLC的CPU单元交换数据。在通信出错时，模块可以产生错误代码并返回给PLC以便进行出错处理。Modbus协议的命令比较多，3150-MCM模块并没有支持其中的所有命令，而只是选择实现了其中最主要的命令，对于一般的工程应用而言，这些命令已经足够了。

　　3150-MCM模块安装在PLC的机架上，通过背板与CPU单元通信。由于SLC并没有真正的块通信功能，所以利用I/Otable控制模块和CPU之间的握手，并使用M0/M1文件传输数据。模块通信部分的结构图如图1所示。

　　在上电之后，模块先进行初始化，接着会不断向CPU单元发出要求得到配置数据的请求，直到得到含有配置数据的数据块为止。之后，模块就进入正常的工作过程，具体包括对两个串口的通信进行管理以及和CPU单元交换信息。

　　从数据流的情况来看，模块相当于PLC与外部设备之间的中间层。它一方面通过Modbus网络与外部设备通信，另一方面使用M0/M1文件与CPU单元进行通信，如图2所示。

　　ABB公司的PM170系列电力计量仪表是ABB公司生产的适应电力工业发展的新一代测量仪表。它接线简单灵活，不再需要直流变送器，直接与TV，TA连线即可。它内部装有微处理器，通过测量计算可得到三相电压、电流、有功、无功、功率因数、频率和不平衡电流等多个电气量。同时它还有比较强大的通信功能：在物理接口上支持RS-232，RS-422和RS-485三种通信接口;在通信协议上它支持ASCII，Modbus和DNPV3.00多种协议。