【摘要】為某動模實(shí)驗(yàn)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(gè)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(jī)界面的GP觸摸屏。改造完成后近一年的實(shí)際運(yùn)行表明，整個(gè)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(shí)際大電力系統(tǒng)的物理模擬，動態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室不僅要符合實(shí)際電力系統(tǒng)的多種正常運(yùn)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(zhǔn)確詳盡的測量數(shù)據(jù)，而且要保證各種試驗(yàn)設(shè)備始終運(yùn)行在允許狀態(tài)下。這些都對電力系統(tǒng)動態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)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(gè)用于監(jiān)控整個(gè)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(jì)組成Modbus網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行測量和采集，數(shù)據(jù)經(jīng)過AB公司的SLC/505PLC的處理和計(jì)算，再通過Ethernet發(fā)送給作為上位機(jī)的GP觸摸屏。

　　1、Modbus協(xié)議簡介

　　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(gè)主機(jī)和一個(gè)或多個(gè)從機(jī)通信。它采用命令/應(yīng)答方式，每種命令報(bào)文都對應(yīng)著一種應(yīng)答報(bào)文。命令報(bào)文由主機(jī)發(fā)出，當(dāng)從機(jī)收到發(fā)給自己的報(bào)文后，就發(fā)出相應(yīng)的應(yīng)答報(bào)文進(jìn)行響應(yīng)。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)從機(jī)都必須分配給一個(gè)唯一的地址，主機(jī)發(fā)出的命令中含有要求訪問的從機(jī)地址，只有具有該地址的從機(jī)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(gè)數(shù)據(jù)位，2個(gè)停止位，沒有奇偶校驗(yàn)位。RTU接收設(shè)備依靠接收字符間經(jīng)過的時(shí)間判斷一幀的開始，如果經(jīng)過3個(gè)半的字符時(shí)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(gè)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(gè)8位字符被發(fā)送;而在ASCII模式中則作為兩個(gè)ASCII字符被發(fā)送。如“08”發(fā)送時(shí)，采用RTU模式時(shí)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(shí)，RTU模式的效率大約為ASCII模式的兩倍，一般采用RTU模式。

　　2、3150-MCMModbus通信模塊簡介

　　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(gè)串口，每個(gè)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(gè)串口可以配置為兩個(gè)都為Master，或兩個(gè)都為Slave;或者一個(gè)為Master、另一個(gè)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(qiáng)大的。它內(nèi)部有多達(dá)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(bào)文。模塊內(nèi)部有多達(dá)4000個(gè)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(cuò)時(shí)，模塊可以產(chǎn)生錯(cuò)誤代碼并返回給PLC以便進(jìn)行出錯(cuò)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(shí)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(jī)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(jìn)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(jìn)入正常的工作過程，具體包括對兩個(gè)串口的通信進(jìn)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(dāng)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(jìn)行通信，如圖2所示。

　　3、PM170系列電力計(jì)量儀表簡介

　　ABB公司的PM170系列電力計(jì)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(jì)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(gè)電氣量。同時(shí)它還有比較強(qiáng)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。

　　在本應(yīng)用中即利用它強(qiáng)大的測量功能和支持Modbus通信協(xié)議的特性，作為系統(tǒng)的終端測量裝置。在本應(yīng)用中電氣測量部分的接線方式采用4線Y型接線方式，如圖3所示。通信部分的連線方式采用RS-422Multidrop方式，如圖4所示。在接收線路的末端分別有兩個(gè)終端電阻RT1和RT2，這是為了消除信號在線路末端的反射，提高信號的傳輸質(zhì)量。終端電阻的參數(shù)為150～500歐，0.25W。

　　4、動模系統(tǒng)基本情況

　　模擬機(jī)組的接線如圖5所示。

　　圖5中的G1～G4是4臺機(jī)組機(jī)端的4個(gè)測量點(diǎn)，L1～L4是2條輸電線路首末兩端的4個(gè)測量點(diǎn)，F(xiàn)H1～FH6是6個(gè)負(fù)荷支路的測量點(diǎn)，W1是無窮大電源處的測量點(diǎn)。每個(gè)測量點(diǎn)處都安裝有TV和TA，并接入PM170表計(jì)。

　　動模系統(tǒng)共有模擬機(jī)組8套，無窮大電源2套，220kV模擬輸電線路及互感式模擬線路5000km，500kV模擬輸電線路1250km，形成兩個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同的電力系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)各含有4臺機(jī)組，一個(gè)無窮大電源，升、降壓變壓器、負(fù)荷及輸電線路。

　　5、監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

　　監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

　　每個(gè)系統(tǒng)的15個(gè)PM170表計(jì)與3150-MCM模塊中的1個(gè)串口構(gòu)成1個(gè)Modbus網(wǎng)絡(luò)，這樣可以平衡網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。在Modbus網(wǎng)絡(luò)中，通信模塊上的串口配置為主裝置，而PM170表計(jì)則作為從裝置。PM170表計(jì)之間采用Multidrop連接方式。

　　系統(tǒng)的工作過程如下：3150-MCM模塊根據(jù)配置好的命令列表對PM170表計(jì)進(jìn)行輪詢，采集到系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)后再通過M0/M1文件與PLC的CPU單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在通過Ethernet收到GP觸摸屏的查詢命令后，將計(jì)算處理過的數(shù)據(jù)經(jīng)過Ethernet返回給GP觸摸屏顯示。

　　在系統(tǒng)最初設(shè)計(jì)的時(shí)候，采用的是3150-MCM模塊對兩個(gè)Modbus網(wǎng)絡(luò)中的30個(gè)PM170表計(jì)全部依次輪詢的方法，監(jiān)控系統(tǒng)對于系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)變化的響應(yīng)比較緩慢。因此，在系統(tǒng)中加入一項(xiàng)功能，即使用者可以通過觸摸屏對SLC/505發(fā)出指令，指定3150-MCM模塊輪詢某幾個(gè)表計(jì)而不是全部。這樣做大大加快了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，完全達(dá)到了實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的要求。