基于Modbus的船舶配電監控系統的設計

周 穎，謝 明

（上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

基于Modbus的船舶配電監控系統的設計

周 穎，謝 明

（上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

針對船舶配電系統的監測問題，采用監控通訊尋址方式，設計一種基于Modbus和TCP/IP協議，以多種電力測量儀表、高集成數字控制設備及計算機為核心并通過開發模塊化程序進行設備間通信船舶配電監控系統。詳細介紹了各模塊的工作原理和軟硬件設計。實際應用表明所設計的系統實現了船舶配電系統的發電機繼電保護、功率管理，系統安全報警和遠程控制等功能，與傳統的船舶配電監控系統相比，降低船舶設計項目成本，提高了系統的安全性和實時性。

Modbus協議；RS485網絡；人機界面；船舶配電系統

0 引言

伴隨著船舶向大型化、自動化方向發展，已逐步形成集可視化監控、自動化控制和能耗高效管理于一體的協同自動化配電系統，即船舶功率管理系統（PMS）[1]。其中，發電系統的智能管理及其相關信息的協同與監控為保證船舶安全，持續，高效供電的保證[2]。船舶配電監控系統起的作用不僅限于主站觸摸屏對從站控制設備的監控、同步報警、數據分析等直觀功能，最重要的是簡化了船舶配電系統中發電機及其控制設備構成的功率管理系統（PMS）的上位機-報警管理系統（AMS）對尋址結構的優化。以四臺發電機構成的船舶配電系統為例，在沒有監控系統的情況下，上位機報警AMS系統對功率管理系統PMS的尋址是直接的且必備廠家負責，PMS負責廠家必須提供為AMS負責廠家逐一提供具體單個設備寄存器地址，這將會增加整個項目的成本。 在有監控系統的情況下，HMI觸摸屏在通信網絡起著銜接橋梁的作用。在監控中作為上位機的HMI觸摸屏則在與上位報警管理系統構成的通訊網絡中作于下位機。上位控制系統所需數據則可以先通過觸摸屏，以中間樞紐采集后，再構成與上位控制主系統的通信[3]。這樣的結構極大簡化了尋址過程，同時還增加了不同項目尋址信息的可移植性。在多個觸摸屏構成的監控系統中，可將各屏之間通過工業以太網Modbus TCP/IP。本文設計了一套基于Modbus協議的船舶配電監控系統，系統控制主站集中管理大量Modbus協議采集設備，避免連接采集設備而大量布線，且兼容性好、實時性高、可靠性強，使用方便，從而降低了船舶項目設計成本，并且傳輸速度快，安全性高。

1 系統結構設計與工作原理

基于Modbus協議的船舶配電監控系統結構如圖1所示。該系統主要由上位機管理系統、下位機控制系統、網絡傳輸系統組成。上位機管理系統由工控機和觸摸屏構成，下位機控制系統由繼電器控制保護模塊構成。該系統主要通過信息采集設備采集船舶電站的電量參數和運行狀態，再將信號和數據處理并封裝成標準串口Modbus協議幀，通過絡傳輸進行數據交戶，在觸摸屏的控制下，通過Modbus將各監控數據進行分析處理和顯示，從而實現對船舶發電機繼電保護、發電機功率管理、安全報警等功能。

圖1 系統結構

2 系統硬件設計

系統硬件分為繼電控制保護模塊和HMI模塊，下面對這兩部分硬件進行設計。

2.1 繼電控制保護模塊

該模塊為德國Stucke Eletronik公司生產的SYMAP繼電控制保護模塊，如圖2所示。該設備內部集成的PLC電路可以實現單個控制功能的鎖定。所有數字量輸出和模擬量輸出都經由SYMAP控制單元處理控制，這樣可以確定數據的統一性以及提升了靈活性[4]。此外，SYMAP控制器還提供了不同的通訊協議供主控制系統與SYMAP的通訊。這些模塊彼此獨立，針對各自控制的電機或開關進行繼電保護，功率負荷分配，自動/半自動控制調整等舉措，監控對象的實時報警；彼此之間可進行網絡通訊，通過CANBUS完成內部廣播，實現備機優先級選取的功能，圖3為SYMAP的端口圖。

圖2 SYMAP界面

圖3 SYMAP 端口

2.2 HMI模塊設計

該模塊為瑞典Beijer Eletronics公司生產的iX T10A觸摸屏，通過Modbus通訊協議與下位機設備互聯，并以固定的輪詢時間對下位機寄存器進行尋址，完成對發電機狀態的顯示，參數修改，報警同步等功能[5]。發電機的狀態包括電壓，電流，頻率，功率等用電參數；以及所處狀態的自動控制，遠程控制，半自動控制。參數修改包括對發電機備機優先級選取的調整，發電機的緊急通斷。報警同步能將各個下位機的報警信息及時上報上位機，這樣協同能夠使操作人員及時了解報警出現的時間與位置。

3 系統軟件設計

3.1 Modbus通訊設計

Modbus協議被廣泛的應用于工控領域中，根據網絡實現上的不同，常見的有基于以太網絡的Modbus/ TCP協議、基于串行口的ModbusRTU/ASCII協議[6]。由于相比較于RS232有諸多優點，工控現場多數采用RS422/485物理網絡。

Modbus協議定義了一個與基礎通信層無關的簡單協議數據單元PDU。特定總線或網絡上的Modbus協議映射能夠在應用數據單元ADU上引入一些附加字段。Modbus的ADU單元由主站創建，其中功能碼指示從站將執行的操作。功能碼字段由一個字節編碼，即有效范圍為十進制的1至255。Modbus的傳輸方式分為RTU（遠程終端單元）及ASCII碼單元。Modbus幀格式如圖4所示。

圖4 Modbus幀格式

3.1.1 Modbus在鏈路層上的實現

Modbus串行鏈路協議是一個主-從協議，在一個通信網絡中只有一個主站，它向每一個從站發出顯示命令并處理響應[7]。在同一時刻，一個主站最多可以和247個從站連接串行總線上。采用查詢、應答的方式進行通信，主設備向從設備發出消息，從設備響應消息查詢，每個從機具有唯一的地址碼在物理層，可用RS-232或RS-485作為傳輸接口。主站用單播模式或廣播模式兩種模式向從站發出請求。

設計中iX觸摸屏為主機，SYMAP作為從站。標準的Modbus協議有兩種傳輸方式：ASCII模式和RTU模式。前者用于通信數量少而且主要是文本的通信，后者用于通信數據量大而且是二進制的通信[8]。在同樣的波特率下，RTU模式傳輸的字符比ASCII模式多，因此在設計中網絡物理層采用的是RS485網絡，使用Modbus-RTU協議。ModbusRTU幀格式如圖5所示。

圖5 ModbusRTU幀格式

3.1.2 Modbus協議在TCP/IP上的實現

在TCP/IP上使用一種專用報文頭來識別Modbus應用數據單元，這種報文頭為MBAP報文頭，本設計中是通過協議標識符的值為0識別Modbus協議，Modbus TCP/IP幀格式（ADU）如圖6所示。

圖6 ModbusTCP/IP幀格式

3.1.3 Modbus在SYMAP中的通訊實現

SYMAP設備在Modbus通信協議中支持功能碼03和功能碼06。

1）功能碼03讀輸出寄存器。此功能使主站能夠讀取從站的輸出寄存器地址。輸出寄存器包括測量裝置狀態信息和測量值。對于每個請求，尋址過程允許接受最大到124個寄存器（16位）。功能碼03的請求幀格式和功能碼03接收幀格式如圖7所示。

圖7 功能碼03的請求幀格式和接收幀格式

2）功能碼06寫單個寄存器。對于主站而言，此功能實現了指令的輸出和下位機設置的改變。根據Modbus協議，該設備等待以下查詢，一個命令只能通過查詢被送出。作為反映，設備會對主站請求反饋。主站可以發出一個收集模式（從站地址=0），在這種情況下，所有從站設備將輸出所需命令，但從站不發出反饋信息，就是之前所提到的廣播模式。功能碼06的請求幀格式如圖8所示。

圖8 功能碼06的請求幀格式

3）寄存器地址查詢。在上位機設備對SYMAP設備進行特定地址尋址時，只需將匹配的寄存器地址以規定的格式給出，即可完成對設備特定信息值的信息采集。如表1所示，為部分寄存器地址。其中，寄存器地址134表示發電機電流，138表示母排電壓，139表示母排功率，144表示電機轉速等信息。

表1 部分寄存器地址說明

3.2 SYMAP的重載問詢

重載問詢管理，即當有一個用電需求較大的負載請求并入電網時，設備采取啟動備機或是拒絕的職能管理、黑牌處理（在船舶出現緊急供電故障時的處理）、輕載減負管理（當有多臺發電機同時運行，而實際電網負荷遠低于發電機額定值時，采取將優先級較低的電機脫離電網的省電處理）。如圖9所示，“Bow Truster”用電設備的重載問詢流程圖舉例，在聯絡開關合閘且電站模式為自動的情況下，考慮發電機機組的功率是否大于560kW，若滿足，則運行允許；否則進入啟動備機預案，將備機啟動后的并網處理，增大電網中帶負載能力，滿足用電設備的用電需求。若備機數為零，則重載請求失敗，“Bow Truster”不被允許。

圖9 重載問詢流程圖

3.3 監控系統HMI開發

該觸摸屏內置預置元件，可以通過調用，自動生成Xaml代碼，再通過修改代碼值，改編元件屬性，觸發動作或匹配變量。對于設備不具備的元件，可以通過編寫Xaml代碼進行創建。監控的總界面如圖10所示。

以發電機為1部分變量為例，如表2所示，描述了變量定義格式，DG1_C，DG1_V，DG1_P，DG1_F定義為發電機1的電流，電壓，功率，頻率。DG1_A1-A4分別表示編號1～4的報警，BUS_V為母排電壓。該格式各三塊構成變量（Tag），控制器（Controllers），數據交換（Data Exchange）。信號的采集在于從控制器端得到數據，再賦值入Tag中。所以，方向是由控制器到變量（Right），當數據變化時，傳遞數據。1:40135表示寄存器，1表示發電機1的從站地址為1，135表示寄存器地址。

圖10 上位機監控界面

表2 發電機1各參數變量說明

4 測試

目前該系統通過測試，已應用到西門子船舶設計項目中。實際運行結果表明：高集成度的SYMAP控制模塊實現準確采集各配電參數，同時網絡通訊傳輸無誤；監控系統能夠實時接受現場各從站節點發送的配電數據，并建立數據庫供操作人員進行歷史查詢。

5 結論

由于該系統使用集成度較高的繼電控制保護模塊，與傳統的監控系統相比，避免了大量布線和可靠性低的缺陷，提升了系統的實時性、穩定性和靈活性。因而提高工作效率，有效預防設備及電力事故，保證船舶航行安全。

[1] 葉繼英.基于PLC的船舶電站自動化監控系統的研究[J].科技信息,2010(10):137-138.

[2] 施偉峰,包艷,周左晗.電力推進船舶電力系統多功能故障監視報警裝置研發[J].電測與儀表,2015,25(3):82-87.

[3] 鄭小倩.基于工業以太網的實時監控系統通信設計[J].微計算機信息,26(7):82-84.

[4] Beijer Electronics iX Developer UserManual (iX Panel Dokumentation)[R].

[5] SYMAP_A1_Communication_E_v2.1 (SYMAP Dokumentation) [R].

[6] 華镕.從Modbus到透明就緒[M].北京:機械工業出版社,2008.

[7] 王書根,王振送,劉曉云.Modbus協議的RS485總線通訊機的設計及應用[J].自動化與儀表,2011,26(5):25-28.

[8] 蔡文禮.船舶自動化中MODBUS通訊應用實例分析[J].船舶工程,2015(S1):178-181.

Design of monitoring system of ship distribution based on Modbus

ZHOU Ying, XIE Ming

TP274

A

1009-0134(2016)12-0121-05

2016-09-09

周穎（1983 -），女，浙江寧波人，碩士研究生，主要從事電力電子與電力傳動研究。