基于modbus-ru的scada控制系統(tǒng)的設計

基于modbus-ru的scada控制系統(tǒng)的設計

1rtu單元的設計1.1可同時顯示各種電信息,包括三維電能芯片本文提出的ru級四遠程功能單元采用ti公司的16位msp430f149單果作為控制核心，并與三相能源芯片att7022b形成微波單元。由于具有高精度、直誤差曲線和自身損失，它具有平均誤差的優(yōu)點。它還可以通過圖形本地顯示各種電參數、遙遠輸入、溫度控制輸出、高壓流過警報和其他信息。通過基于ModBus-RTU規(guī)約的RS-485總線組成傳輸距離遠、抗干擾性能力強的工業(yè)通訊網絡,方便與配有組態(tài)軟件的上位機組成監(jiān)控系統(tǒng)。1.2遠程測量1.2.1at602b-驅動電壓計量系統(tǒng)遙測模塊,也可以作為普通三相電子式電能表使用,主要由MSP430F149單片機與三相電能芯片ATT7022B構成,完成對遠端線路、用電設備電參數的測量,如電壓、電流、功率等。ATT7022B電能芯片是珠海炬力集成電路設計有限公司生產的一款高精度三相電能計量芯片。它首先通過6通道16位∑-Δ的ADC模數轉換電路對輸入電流和電壓信號進行采樣,轉換后的數字量經過24位DSP數字信號處理以完成全部三相電能參數的運算,同時將結果保存在相應的寄存器中并通過SPI口與MCU進行數據交換。該芯片對有功、無功功率的測量精度分別達到0.2級和0.5級,所能測量的電參數包括有功、無功、視在功率、雙向有功和四角限無功電能;電壓和電流有效值;相位、頻率等。ATT7022B具有計量參數齊全、校表功率完善等優(yōu)點,簡化了軟件設計,縮短了軟件開發(fā)周期。特別是AT7022B可支持全數字校表,即軟件校表。軟件校表可提高校表精度、簡化硬件設計、降低設計成本,為三相多功能計量裝置提供了功能更加齊全、設計更加簡單的應用方案。圖2是遙測模塊的硬件組成,合理地把TI的MSP430F149單片機和ATT7022B三相電能采集芯片集合,發(fā)揮各自的優(yōu)勢,避開復雜的采樣電路的設計。1.2.2測量電流和電壓在測量遠端線路、現場強電設備的工作電壓、電流時,需要把高電壓、強電流信號轉換為低電壓、弱電流信號,這時需要先在遙測模塊前經過一次電壓、電流變換,如10kV/220V、100A/5A的變換,變成遙測模塊允許輸入信號。對于三相電能芯片而言,還需要經過遙測模塊內部的二次電壓、電流變換后,才能允許采集并測量電信號。本遙測模塊選用的電流互感器規(guī)格為5A/2.5mA,精度是0.05級,所配置的負載阻抗為40Ω。電壓互感器選用的是2mA/2mA電流型電壓互感器,精度也是0.05級,在其前端通過110kΩ功率電阻把220V電壓信號轉變成2mA電流信號,所配置的負載電阻為250Ω。這樣在輸入額定電流、額定電壓時,其電流、電壓差動輸入電壓的有效值分別為0.1V和0.5V左右,可滿足ATT7022B的要求。1.2.3校表前后電壓誤差的測量誤差產生的原因有在實際試驗中,用標準功率源提供的220V/5A電信號作為遙測模塊的負載,430F149單片機通過SPI口對ATT7022電能芯片進行讀取操作,經過數據處理后,在液晶顯示屏可以讀到測量數據,這時測量數據與實際數據有一定的誤差,而且對于同一輸入,A相、B相、C相的測量數據也不盡相同,這是由于采樣電阻、互感器等元件具有參數分布性,與理論值有差異所引起的。根據測量數據與實際數據的差異,需要根據電壓、電流、功率、相位等校表公式分別對這些參數進行校正。具體的校正方法請參考ATT7022用戶手冊,這里不再贅述。表1以校表前后電壓的測量數據為例。通過上表,可以發(fā)現,校表前的電壓誤差遠遠大于ATT7022電能芯片所承諾的0.2%誤差,不符合0.2級交流電表要求。而校表后測量誤差都能保持在0.2%范圍內,達到了0.2級交流電表的要求。1.3位置量的確定遙信的信息輸入可來自于并行口、串行口、網絡總線、位置量等。對于位置量,可通過光電隔離采集,位置量包括斷路器位置、刀閘位置、保護信號等。外部遙信輸入通過光電耦合器將開關狀態(tài)轉換為“0”或“1”電平(0V或5V)送入單片機輸入口,以便于CPU板采集遙信狀態(tài)。將采集的遙信狀態(tài)進行比較,如果發(fā)現有遙信變位,則進行相應的處理,如遙信變位插送、SOE(事件順序記錄)等。1.4形成控制電設備實現繼電器的遙控合、遙控跳、變壓器分接頭遙調,進而控制斷路器,實現對用電設備的控制。在設計遙控模塊時,由于單片機I/O口提供的電流太小,不能直接驅動繼電器。解決辦法是由單片機的I/O口輸出到驅動芯片ULN2003以驅動繼電器,為了防止繼電器誤動,選用74LS74對驅動信號加以互鎖。1.5實時遙感、遙信遙調是在數據遙測、狀態(tài)遙信能提供大量的現場數據的基礎上實現的。通過對設備參數的實時遙測、遙信,可以根據要求由遠方上位機通過RS-485現場總線設定及調整所控設備的工作參數、標準參數等,而且還可以設定各個RTU單元的地址、通信波特率、電壓變比、電流變比、報警上下限等。2通信模塊的工作原理2.1高效數據發(fā)送本文介紹的RTU單元,要實現四遙功能,并作為核心裝置構成SCADA監(jiān)控系統(tǒng),是離不開通信模塊的。本RTU的通信模塊硬件電路圖如圖3所示。單片機與上位機之間的數據傳送經過RS-485收發(fā)器MAX3485,由單片機的USART1發(fā)送和接收。通信方式為半雙工,由單片機的P3.5口控制數據的發(fā)送和接收。為了提高數據傳輸的抗干擾性,MAX3485為+5V單獨供電,采用高速光耦6N137與其他的電源完全隔離,不共地,以提高系統(tǒng)的安全性和抗干擾性能。由于傳輸線較長而且現場可能有電磁干擾,所以在傳輸線上并聯瞬變電壓抑制器TVSC、串聯熔斷器,并且傳輸線使用帶屏蔽層的電纜。2.2基于溫度分布的tu-rtu模式本RTU單元采用基于Modbus-RTU規(guī)約的RS-485總線通信方式,使信息和數據在上位機(主站)和RTU之間有效地傳遞。其作用包括允許主站訪問和設定所接RTU的全部設置參數,允許訪問RTU的所有測量數據。采用ModBus-RTU模式傳輸數據時,信息傳輸為異步方式,并以字節(jié)為單位。在主站和從站之間傳遞的通訊信息是11位的字格式:通訊數據(信息幀)格式每個ModBus數據包由子站地址、功能、數據和錯誤校驗4個部分組成。(1)地址檢查和處理子站地址為1個字節(jié),且在1個鏈路中應當唯一,有效的地址范圍為1～255,當所有的子站接收到符合ModBus協議的標準的數據包時,首先檢查該數據包的子站地址,若與自己的相吻合,則作處理后返回結果,否則不予響應。(2)讀讀取讀取存儲狀態(tài)ModBus通訊規(guī)約可定義的功能碼為1到127,用于說明從節(jié)點要完成的功能。例如01代表讀取輸出狀態(tài),02代表讀取輸入狀態(tài),03代表讀寄存器數據;06代表設置單個寄存器,用于設置從設備的某個運行參數。其他功能域的具體的定義參看Modbus協議說明。當從站設備做出回答響應時,使用功能代碼指示是正常響應還是異常響應,對于正常響應,從設備響應相應的功能代碼。對于異常響應,從設備返回正常功能代碼的最高位置1的代碼。(3)功能碼的數據結構數據域包括本數據域中的字節(jié)數量、寄存器首地址或具體的數據。根據不同的功能碼,數據域的數據結構也不同。正常響應時,數據域包含主設備的請求的數據。異常響應時,數據域中包含了錯誤代碼,主站設備根據錯誤代碼作相應的處理。(4)試驗室Modbus通信協議的RTU模式采用CRC循環(huán)冗余校驗,校驗域用于存放校驗結果的兩個字節(jié)數據。2.3di4的輸入狀態(tài)例如:主機要讀取地址為01,開關量DI1～DI4的輸入狀態(tài)。從機(RTU)數據寄存器的地址和數據為:主機發(fā)送的報文格式:從機(RTU)響應返回的報文格式:2.4行業(yè)監(jiān)控標準在標準的RS-485通訊接口的基礎上,本RTU單元與主機之間的通訊,所采用的MosBus通訊規(guī)約,已廣泛被國內外電力行業(yè)及工控行業(yè)作為系統(tǒng)集成的標準。ModBus通訊規(guī)約允許本RTU單元與施耐德、西門子、AB、GE等多個國際著名品牌的可編程順序控制器(PLC)、RTU、SCADA系統(tǒng)、DCS或與第三方具有ModBus兼容的監(jiān)控系統(tǒng)之間進行信息交換和數據傳送。本RTU單元只要簡單地增加一套基于計算機(或工控機)的監(jiān)控軟件(如:組態(tài)王、Intouch、FIX、E