Modbus RTU通信方式在龍口水電站通風集控系統上的應用

趙喜波

(黃河萬家寨水利樞紐有限公司，山西 太原 030000)

龍口水電站位于黃河北干流托龍段尾部、山西省和內蒙古自治區的交界地帶，左岸是山西省忻州市的偏關縣和河曲縣，右岸是內蒙古自治區鄂爾多斯市的準格爾旗。龍口水電站為河床式，左岸布置電站廠房，右岸布置泄流建筑物。電站裝設的4臺單機容量100MW的軸流轉槳式水輪發電機組用于晉蒙電網調峰，1臺單機容量20MW的混流式水輪發電機組用于非調峰期向河道泄放基流，小機組參與基荷運行。電站以220kV電壓等級接入電力系統。電站按無人值班設計。

龍口水電站通風集控系統整體采用Modbus RTU通信方式，主站采用PM583可編程控制器和CM574-RS通信模塊，子站采用PM571可編程控制器等部件，在相同波特率情況下Modbus RTU傳輸的字符密度較高，開發編程簡單，方便現場維護。

1 Modbus簡述

Modbus由Modicon于1979年發明，是全球第一個真正用于工業現場的總線協議，可使用ASCII或RTU兩種通信模式在標準Modbus上通信。ASCII模式通信時，信息幀的每一個字節用兩個字符標識，而以RTU模式通信時，信息以8位二進制方式傳送，這種方式的最大好處是在同等傳輸速率下，可以比ASCII傳輸模式傳輸的數據量更大，因此ASCII傳輸模式較RTU傳輸模式消耗的時間長，存儲空間也較大。但ASCII模式的優點則是容易讀取。綜合考慮，鑒于子站設備多且分散，電站采用Modbus RTU通信方式，有利于數據的傳輸，便于運行人員對現場設備工況數據進行監視。在配置每臺控制器時，Modbus總線上的所有設備應具有相同的通信模式和串行通信參數。

1.1 Modbus RTU模式

可編程控制器以RTU模式在Modbus總線上進行通信時，信息中的每8位字節分成2個4位十六進制的字符，該模式的主要優點是在相同波特率下其傳輸的字符密度高于ASCII模式，每個信息連續傳輸。Modbus RTU通信傳送的信息幀分為獨立的信息頭，發送的編碼數據和數據校驗，RTU模式下信息幀見表1。

表1 Modbus RTU模式傳輸方式信息幀格式

RTU模式中有效的從機設備地址范圍為0～247(十進制)，各從機設備的尋址范圍為1～247，主機把地址放入信息幀地址區，并向從機尋址，從機響應時，把自己的地址放入響應信息的地址區，讓主機識別已作出響應的從機地址，地址0為主站地址，所有從機均能識別。

1.2 Modbus常用功能碼

現場主站與子站通過Modbus信息幀進行數據通信，Modbus主要的功能碼見表2，不同功能碼相互協作，完成主站子站之間信息傳輸與控制。

表2 Modbus常用功能碼

調試主站與子站通信時，需要提前對調試設備進行遙控測試，現舉實例說明：對AC500可編程控制器PLC地址%MX0.400.1的8個數據位進行讀寫操作，子站地址為03。

寫1指令發送報文為：03 05 0C 81 ff 00。

返回報文：03 05 0C 81 FF 00 DE A0。

寫0指令發送報文為：03 05 0C 81 00 00。

返回報文：03 05 0C 81 00 00 9F 50。

其中十六進制地址810CH與AC500可編程控制器地址%MX0.400.1相對應，通過指令測試可確定PLC設備通信鏈路是否正常。

2 通風集控系統網絡及作用

通風集控系統由通風系統集中控制盤(主站)、現地控制單元(12個子站)及通信電纜組成，所有通風系統控制裝置連成網絡后，由通風系統集中控制盤接入監控上位機，通信機用RS485接口通信，網絡結構見圖1。

通風集控系統主要控制電站各類風機(包括送風機、消防排煙風機、消防排二氧化碳風機)和防火閥，集控盤與站內上位機通信，實現電站計算機監控系統對通風設備的監視控制和信息存儲；火災自動報警系統對子站通風設備的聯動控制，保證火災自動報警系統能啟動通風設備，消防火災聯動控制柜采用多線控制以提高控制可靠性。

圖1 通風系統網絡結構

通風集控屏和現地控制箱采用AC500可編程控制器，實現對風機和防(排)煙閥的單機和成組控制，風機及防(排)煙閥的連鎖控制，通過工業總線網接受指令，實現風機的遠程控制，并能監視全廠風機的運行狀態。

3 常見問題及解決方法

3.1 集控屏PLC與所有子站PLC之間通信中斷

常見問題：通風集控系統站點分散，且現場環境復雜，現場運行和調試難度較大。集控屏主站觸摸屏操作指令無法控制子站設備，主站與現地子站控制箱無法通信，在主站本體通信口可以下載和監控程序，主站與子站通信無響應，通信中斷。

解決辦法：通過反復檢測發現通信中斷原因是集控屏PLC COM1口故障，不但不能和控制箱PLC通信，也不能和觸摸屏通信，由于通信口可以下載和監控程序，且故障點在PLC底座上；由于子站控制箱PLC的底座型號和集控屏PLC底座型號一樣，且控制箱PLC只需要使用一個通信口，所以將子站控制箱PLC底座和集控屏PLC底座進行互換，互換后集控屏PLC與控制箱PLC之間通信恢復正常。

3.2 主站控制器的通信模塊編譯錯誤

常見問題：集控側程序編譯報錯，通信模塊庫文件丟失。

解決辦法：查找缺失對應的庫文件，進行添加，編譯通過。

3.3 子站控制器的通信異常

常見問題：現地調試子站，子站與調試電腦通信正常，恢復接線后仍無法與主站取得聯系。

解決辦法：檢查硬件鏈路，由于RS485通信接入的通信防雷模塊故障，導致硬件通信鏈路故障，更換新通信防雷模塊后，通信恢復。

3.4 通信硬件鏈路問題

常見問題：因線路大部分采用兩線制接線方式以及屏蔽雙絞線，大部分廠家的接線端子標識為A、B。但由于各廠家之間采用的規范有可能不統一，致使有的A是正極，有的B是正極，再加上第三方設備接線混亂，正負極經常接反。

解決辦法：站線接好后，用萬用表測量線間電壓，電壓一般為1～5V，無電壓值時無法通信。檢查線路和接線；測量電壓值，判斷正負后再接入主站設備對應端子。

3.5 通信參數錯誤配置

常見問題：集控通信的子站較多，編程配置通信參數時，會出現站點ID重復或缺失的情況。

解決辦法：根據現場設備分布情況，合理配置各站點參數，梳理清楚串口參數，依次查看并記錄波特率、數據長度、校驗、停止位等參數。

3.6 傳輸信號干擾

常見問題：電力設備場所電磁輻射源較多，存在信號衰減或者干擾現象。

解決辦法：將通信線電纜屏蔽層、控制盤柜接地銅排接入二次等電位接地網，降低干擾，或者重新敷設更好的屏蔽電纜。

3.7 通信響應慢或無響應

常見問題：通信正常后，當主站下發通信控制指令時，子站響應較慢或無響應。

解決辦法：主站查詢和控制的子站較多，主站通信模塊需要執行全部站點信息，串口通信所需時間周期較長，因此主站可編程控制器進行邏輯位控制時，應兼顧主站掃描周期和子站響應時間。

3.8 主站控制子站設備與目標不一致

常見問題：集控通風主站控制子站風機或防火閥時，下發指令后反饋的結果不一致，而相鄰的子站設備誤動作。

解決辦法：檢查主站Modbus定義地址，地址偏移會影響主站指令，造成錯位控制。應嚴格篩查子站地址中每一個字節的數據位，與主站定義要求一致，檢查數據格式是否正確。

3.9 子站控制設備動作異常

常見問題：主站與子站通信讀取數據正常，控制指令時子站發生設備誤動或拒動現象。

解決辦法：檢查子站PLC地址與現地設備是否一致，可在現地調試設備的單個輸出指令，并進行驗證。

4 結 語

利用基于Modbus RTU通信協議的通風集控系統，既可實現通風系統的集中控制操作，又能與監控系統上位機進行通信監視，方便電站運行人員操作監視；各通風子站又可與火災消防系統聯動，滿足火災消防通風的要求，提高了控制過程的自動化程度，降低了設備維護的人工成本。