Modbus-RTU在取水泵站監控系統中的應用

張國騫,何　明，張　瑋

(天津工業自動化儀表研究所有限公司，天津 300060)

?

Modbus-RTU在取水泵站監控系統中的應用

張國騫,何明，張瑋

(天津工業自動化儀表研究所有限公司，天津 300060)

系統采用倍福PLC控制器對現場設備進行監控，并采用Modbus_RTU協議采集清污機、閘板門、旋轉濾網、綜保裝置等設備的開關狀態和工作電流，分別上傳至操作員站和工程師站的上位機KingSCADA系統，同時兼備Modbus通信失敗報警功能。上位機接收到PLC采集的數據并顯示到監控系統畫面，同時還將重要的監控數據傳至主廠區DCS系統。由于泵站與主廠區距離較遠，光纜鋪設成本大且難維護，故采用基于GPRS的DTU點對點設備并利用Modbus_RTU進行485通信。

監控系統；Modbus_RTU； DTU；485通信

引用格式：張國騫,何明，張瑋. Modbus-RTU在取水泵站監控系統中的應用[J].微型機與應用，2016,35(18)：72-73,84.

0　引言

取水泵站作為主廠區的備用水源，設有6 kV變電站高低壓配電系統、水泵機組及控制測量設備、直流系統及電氣保護設備等，并在中控室設置一套計算機監控系統對泵站重要設備進行實時監控和運行管理。監控系統采用計算機與PLC相結合的方式，并采用主控層和現場控制單元的分布式結構。主控層以工作站為監控中樞，現場控制單元設有水泵機組現地控制單元LCU、配電設備現地控制單元LCU。

計算機監控系統所監測設備的信號類型可分為遠程I/O信號、4～20 mA信號和RS485信號。監控系統在對以上信號進行監控的同時，還通過無線DTU與主廠區DCS系統進行點對點通信，故可在主廠區也可對泵站設備進行監控。

1　系統方案

系統采用分布式結構[1]，主控層設有操作員站和工程師站各一臺，并配有KingSCADA組態軟件，便于現場運行人員觀察現場設備運行狀況，且便于開發人員對組態畫面進行修改；現場控制單元由主控柜、高低壓柜、1#電機柜、2#電機柜組成，并采用德國倍福控制器對現場設備進行監視和控制，監控范圍包括：泵組、閥門、電流表、電壓表、多功能表、綜保裝置、清污機、旋轉濾網、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個百兆網口可與兩臺工作站通過工業以太網相連接，并采用OPC方式進行數據通信。系統配置圖如圖1所示。

2　Modbus_RTU通信

Modbus_RTU是一種依托于RS485接口的通信協議，采用主從原則的應答機制進行通信，只設一個主站，最多可設247個子站。通信開始時，首先由主站向從站發送報文[2]，報文幀中包含從站的站號、進行讀或寫操作的功能碼、寄存器的起始地址、進行操作的字節長度和CRC校驗碼。相應的子站接收到報文后經校驗無誤后向主站返回所需數據的報文，返回的報文幀包含從站的站號、功能碼、寄存器的起始地址、進行操作的字節長度和CRC校驗碼。主站接收到返回的報文后進行校驗，如無誤則此次通信成功。

圖1　系統配置圖

2.1現場設備485通信

現場需要進行485通信的設備包括綜保裝置(2臺)、電壓表(2臺)、多功能表(4臺)、旋轉濾網(2臺)、清污機(2臺)、閘門(2臺)。考慮到監控數據的實時性，因此不采用一條總線連接所有設備的方式。各現場分控站均配有485通信模塊，每個485通信模塊負責某一種類型的設備的通信。同一類型的設備串在同一條485總線上，在程序中采用輪詢方式與總線上的各個設備進行通信。485通信示意圖如圖2所示。

圖2　485通信示意圖

由于倍福控制器自帶Modbus功能塊CRC校驗的高低字節存儲順序與某些設備所支持的CRC校驗的高低字節存儲順序正好相反，故采用自由口發送報文并延時接收報文的方式進行通信。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的數組。由于數組中接收到的數據具有保持性，因此當出現通信失敗的情況時，容易誤導現場運行人員。故在每次對相應從站發送報文時，均對儲存接收報文的數組的前兩個字節進行清零，即表示返回數據站號和功能碼的兩個字節，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，對接收到的數據進行CRC校驗，如與接收到的CRC校驗不一致則舍棄此組數據。程序流程圖如圖3所示。

圖3　程序流程圖

2.2主廠區485通信

圖4　無線網絡示意圖

本取水泵站距離主廠區約5 km，其間有農田、溝渠、公路等障礙，如采用光纜的方式進行通信，則鋪設和維護成本較大，且有一定難度，故采用基于GPRS的無線點對點通信設備——DTU進行通信。此種通信方式需要兩臺DTU設備分別安裝于取水泵站和主廠區，還需要一臺能夠連接Internet的計算機來連接兩臺DTU設備，除此之外還需要兩張開通GPRS功能的SIM卡。無線網絡示意圖如圖4所示。

DTU能通過基站將數據發送至Internet，但如果要使兩臺設備建立連接，則需要在具備Internet連接的計算機上運行虛擬串口軟件，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之間發送和接收的數據。另外，為保證主廠區與泵站監控系統之間的485通信不占用過多的控制器資源，采用主廠區DCS系統直接從上位機獲取數據的方式。在上位機KingSCADA系統中單獨建立server鏈路(Modbus_RTU協議)，對應端口為工程師站計算機串口1，并將此串口用232-485轉換器與DTU相連，泵站計算機監控系統便可以與主廠區DCS系統收發報文了。

3　結論

本取水泵站監控系統既能對泵組設備進行監控，又能利用Modbus_RTU對子設備進行監控，并兼備485通信失敗的報警功能。不僅如此，基于Modbus_RTU的無線DTU點對點通信方式成功替代了光纖通信，既節約了成本，又利于后期的維護。

[1] 王義,何偉,李華興.Modbus-RTU協議在煤礦井下變電所監控系統中的應用[J].煤礦機電,2012(1):102-104.

[2] 王兆華,孟文,王文璽.Modbus協議在變電站監控組態軟件中的實現[J].自動化與儀表,2007，22(3):46-50.

The application of Modbus-RTU in the monitor system of water pumping station

Zhang Guoqian,He Ming,Zhang Wei

(Tianjin Institute for Process Industrial Automation & Instrumentation Co., LTD., Tianjin 300060, China)

This system adopts the PLC controller of Beckhoff to monitor the site equipment, and uses the Modbus_RTU protocol to collect the switch status and working current of the equipment,such as the removal machine, the sluice gate, the rotary sieve,and the composite protection device.They are uploaded to the upper computer KingSCADA system of the operator station and the engineer station. At the same time, this system has Modbus communication failure alarm function. The upper computer receives the data from the PLC and displays the data on the screen of the monitoring system,and then sends the important monitoring data to DCS system of the primary area. Because the pumping station is far away from the primary area, the cost of cable laying is large and it’s difficult to maintain,we adopt DTU point-to-point equipment based on GPRS and Modbus_RTU protocol to achieve 485 communication.

monitoring and control system; Modbus_RTU; DTU; 485 communication

TP277

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.18.021

2016-04-29)

張國騫(1988-)，男，碩士，初級工程師，主要研究方向：水處理自動監控系統。

何明(1987-)，男，本科，助理工程師，主要研究方向：水處理自動監控系統。

張瑋(1987-)，男，專科，初級工程師，主要研究方向：水處理自動監控系統。