沈顯慶，　朱彥磊，　常政威，　徐天昊

(1.黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院， 哈爾濱 150022； 2.國網(wǎng)四川省電力公司科學研究院， 成都 610000;3.電子科技大學 能源科學與工程學院, 成都 611731)

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變電站智能輔助控制系統(tǒng)協(xié)議測試軟件的實現(xiàn)

沈顯慶1，朱彥磊1，常政威2，徐天昊3

(1.黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院， 哈爾濱 150022； 2.國網(wǎng)四川省電力公司科學研究院， 成都 610000;3.電子科技大學 能源科學與工程學院, 成都 611731)

針對現(xiàn)有的Modbus協(xié)議測試軟件多以報文形式進行測試，測試不夠直觀方便且缺乏針對性的現(xiàn)狀，在此基礎上增加了可靈活配置的模型文件，設計了一款實用的變電站智能輔助控制系統(tǒng)Modbus RTU協(xié)議測試軟件。該軟件通過建立對象信息模型，將Modbus協(xié)議測試和變電站智能輔助系統(tǒng)特定功能加以關(guān)聯(lián)，對智能輔助系統(tǒng)的功能進行測試，實驗結(jié)果表明：該測試軟件簡單易操作，能滿足測試需求，能夠使測試更具有針對性和直觀性。

Modbus RTU； 協(xié)議測試； 智能輔助系統(tǒng)

0　引　言

目前，在變電站智能輔助控制系統(tǒng)中，現(xiàn)有的Modbus協(xié)議測試軟件多以報文形式出現(xiàn)，缺乏專有軟件來測試設備間通信，測試結(jié)果不直觀，且缺乏針對性。筆者在標準Modbus RTU報文測試基礎上，設計了一套針對變電站智能輔助控制系統(tǒng)進行測試的模型配置文件，通過將模型配置文件和Modbus協(xié)議測試進行關(guān)聯(lián)，從而可以彌補現(xiàn)有軟件的不足。

文中所述是變電站智能輔助控制系統(tǒng)測試技術(shù)研究的一部分，輔助控制系統(tǒng)檢測平臺主要由綜合應用服務器、智能管理主機和子設備模擬器組成。筆者主要開展智能管理主機和子系統(tǒng)設備間基于Modbus協(xié)議的功能測試方法的研究，旨在設計出一款實用的變電站智能輔助控制系統(tǒng)Modbus協(xié)議測試軟件，為變電站智能輔助系統(tǒng)的檢測、建設與驗收提供標準和檢測平臺。

1　Modbus協(xié)議

目前，在變電站智能管理主機和子設備之間，多采用基于RS-485總線的Modbus協(xié)議。該協(xié)議是由modicon公司推出的一種在工業(yè)領(lǐng)域應用廣泛的通信標準之一。Modbus是一種應用層報文傳輸協(xié)議，與底層的物理接口及電氣規(guī)范無關(guān)，它支持傳統(tǒng)的RS22/422/485 設備和最新發(fā)展出來的以太網(wǎng)設備等[1-2]。

Modbus協(xié)議采用主從方式，包括一個主節(jié)點和多個從節(jié)點，在串行網(wǎng)絡中,只有被指定為主節(jié)點的節(jié)點可以啟動一個命令。每個從節(jié)點設備都有一個唯一的地址，該地址編碼范圍為l～247，地址0是廣播地址。廣播方式時，所有收到指令的設備都會執(zhí)行,但不回應指令。

1.1Modbus RTU與 ASCII碼的比較

在串行鏈路上，Modbus協(xié)議有兩種傳輸模式，即Modbus RTU與Modbus ASCII模式。兩種方式的信息單元都以幀的方式傳輸，每個Modbus 幀都包括地址域、功能域、數(shù)據(jù)域、錯誤檢測域[3]。相對于ASCⅡ模式 ，RTU模式表達相同的信息需要較少的位數(shù),且在相同通訊速率下具有更大的數(shù)據(jù)流量[4-7]。因此，工業(yè)現(xiàn)場一般都是采用Modbus RTU協(xié)議。

1.2Modbus RTU 信息幀

在 RTU 模式下，幀間字符間隔時間不能超過1.5個字符傳輸時間。幀與幀間時間間隔不能超過3.5 個字符傳輸時間。如果一幀之內(nèi)有超過 1.5個字符時間的停頓，接收設備將刷新不完整的消息并假設下一個字節(jié)是一個新消息的地址域[8]。

Modbus的協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)與基礎通信層無關(guān)，特定總線或網(wǎng)絡上的Modbus協(xié)議映射能夠在應用數(shù)據(jù)單元(ADU)上引入一些附加域[9]。通用Modbus幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　通用Modbus幀

2　軟件設計總體結(jié)構(gòu)

變電站智能輔助控制系統(tǒng)Modbus協(xié)議測試軟件內(nèi)置于智能管理主機，通過智能管理主機向下與采用Modbus協(xié)議的子系統(tǒng)設備通信，完成對子系統(tǒng)設備的狀態(tài)檢測和控制。智能管理主機向子系統(tǒng)設備發(fā)送請求，子系統(tǒng)設備連接成功后正確響應，并向智能管理主機發(fā)送對應的所需信息。通過上述過程，完成智能管理主機對子系統(tǒng)設備的信息交換、數(shù)據(jù)采集和控制輸出功能。測試軟件總體設計結(jié)構(gòu)見圖2。Modbas RTU測試流程如圖3所示。

圖2　總體設計結(jié)構(gòu)

圖3　ModBus RTU測試流程

該測試軟件主要包括配置文件解析、通信、協(xié)議分析、顯示、提示五個模塊。智能管理主機通過通信模塊與被測子系統(tǒng)設備進行連接通信，接收和發(fā)送協(xié)議消息,接收到消息后交給協(xié)議分析模塊進行協(xié)議驗證和分析，并得出分析結(jié)果，由顯示模塊和提示模塊顯示分析結(jié)果[10]。配置文件解析模塊對智能管理主機模擬器讀入的配置文件進行解析，以方便測試的形式顯示出來。

3　測試軟件的實現(xiàn)

在Qt軟件開發(fā)環(huán)境中，為簡化程序，提高開發(fā)效率，設計采用第三方開發(fā)的協(xié)議棧Libmodbus來進行Modbus RTU協(xié)議測試軟件的開發(fā)，用Qt+Libmodbus 開發(fā)的軟件可在不同平臺上運行，具有很好的移植性。Libmodbus協(xié)議棧包含針對不同功能碼的API操作函數(shù)。從模型文件或參數(shù)輸入部分獲取API操作函數(shù)的輸入?yún)?shù)，程序處理后調(diào)用相應操作函數(shù)，進而實現(xiàn)通信測試。利用Libmodbus開發(fā)RTU的流程如圖4所示。

圖4　ModBus RTU開發(fā)流程

3.1模型配置

將智能輔助控制系統(tǒng)中采用Modbus RTU信息量的子設備，按“四遙”類型和設備類型相結(jié)合的方式分類。這樣，可以有針對性地為設備建立對象信息模型，從而方便地將Modbus報文測試和模型文件進行關(guān)聯(lián)，以直觀的方式顯示功能測試內(nèi)容。另外，該模型文件可按照被測廠家自己對通信寄存器地址功能的規(guī)定進行配置，具有靈活性的優(yōu)勢。XML文件具有簡單、互操作性、規(guī)范統(tǒng)、與平臺無關(guān)和可擴展的特點，設計采用XML格式配置模型文件。模型配置流程如圖5所示。

圖5　模型配置流程

軟件啟動后，在文件菜單里先加載本地已建立的XML文件模型，在模型配置頁面中會對模型文件進行解析與展示。展示內(nèi)容包括遙信、遙控、遙測、遙信中的設備名稱和設備數(shù)量。

3.2通信連接

該部分是為了在智能管理主機和子系統(tǒng)設備間建立通信鏈路，以便進行報文傳輸。在進行通信連接前，需設定通信超時時間，超時時間主要用來設置對應答報文的等待時間，等待時間的長短與波特率和應答幀的長度有關(guān)。在libmodbus協(xié)議棧中有專門設置超時時間的變量struct timeval，其內(nèi)部成員long tv_sec以秒為單位設置，long tv_usec以微秒為單位設置，軟件默認超時時間為1 000 000 μs。設置完超時時間后，需要完成對Modbus RTU的基礎串口參數(shù)的設置，完成Modbus RTU主機與子設備的通信連接，主要包括串口號選擇，波特率選擇，數(shù)據(jù)位選擇，檢驗位選擇，停止位選擇等。先利用API函數(shù)*modbus_t *modbus_new_rtu (const char *’device’,int ‘baud’, char ’ parity’, int ’data_bit’, int ’stop_bit’)來設置RTU連接參數(shù)，再利用API函數(shù)*int modbus_connect(modbus_t *’ctx’)建立通信連接，當連接建立成功時函數(shù)將返回0，否則返回-1。

3.3狀態(tài)檢測與控制

該部分依據(jù)Modbus協(xié)議標準規(guī)定格式進行報文格式封裝，功能碼功能與標準功能碼功能相同，這樣可對Modbus報文進行規(guī)范化、標準化方面的測試。

此部分是測試軟件的主體部分，主要是報文的傳輸，用于控制子設備動作或查詢子設備狀態(tài)。在libmodbus協(xié)議棧中，針對不同功能碼設置了不同的API函數(shù)，用于讀寫操作的API函數(shù)主要有

*int modbus_read_bits()，

*int modbus_read_input_bits()，

*int modbus_write_bits()，

*int modbus_write_registers()等函數(shù)，前面在模型文件中將子系統(tǒng)設備及其需要測試的功能進行了分類，這里可根據(jù)這些功能的特點直接調(diào)用響應的API函數(shù)。在進行讀寫操作前，要先利用*int

modbus_set_slave(modbus_t *’ctx’，int ‘slave’)設置從機地址。

4　通信測試

通過虛擬串口，利用Modbus Slave軟件模擬Modubs從站，對Modbus客戶端軟件進行測試，Modbus Slave的數(shù)值是以十進制顯示，Modbus客戶端測試軟件除當前值和設置值兩列用十進制表示外，其余數(shù)值全部采用十六進制數(shù)表示。在進行測試時，須要注意數(shù)值變換。

4.1讀功能測試

以遙信量為測試對象，將Slave中的設備ID設為01，功能碼設為02，修改通信寄存器地址0000H～0004H中的值為1、0、1、1、1。模型通信參數(shù)設備9600、8、N、1(表1)。然后通過虛擬串口建立連接，在上位機軟件中勾選需要測試的功能，點擊更新按鈕，可以發(fā)現(xiàn)，從機模擬器中對應的值被正確讀出。測試結(jié)果如表2所示。

表1　Modbus Slave設置數(shù)據(jù)

表2　測試結(jié)果顯示

4.2寫功能測試

以遙調(diào)量為測試對象，以設置溫濕度傳感器的溫度和濕度的告警限值為例，從上位機設置溫濕度(表3)對應的值，看slave從機模擬器是否有變化，如果顯示數(shù)據(jù)和上位機一致，則寫入成功,表4為測試結(jié)果。

表3　上位機設置數(shù)據(jù)

表4　設置界面顯示

5　結(jié)束語

智能輔助控制系統(tǒng)Modbus協(xié)議測試軟件可以滿足測試需求，其模型實現(xiàn)簡單，開發(fā)成本低。該軟件通過建立對象信息模型，將Modbus協(xié)議測試和變電站智能輔助系統(tǒng)特定功能進行關(guān)聯(lián)，可以方便地對智能輔助控制系統(tǒng)的功能進行測試，其配置的對象信息模型，可按照被測試廠家自己的規(guī)定靈活配置，使軟件具有更強的針對性。另外，軟件依據(jù)標準開發(fā)，可起到規(guī)范、標準化作用。用于輔助系統(tǒng)測試可以嚴把系統(tǒng)設備建設、入網(wǎng)關(guān)，對保證變電站建設質(zhì)量和電網(wǎng)安全運行具有重要意義。

致謝：該論文得到四川電力科學研究院——電子科技大學“變電站智能輔助控制系統(tǒng)測試系統(tǒng)開發(fā)”項目(2015510007000443)的支持。

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(編輯徐巖)

Research on implementation of substation intelligent auxiliary control system protocol testing software

SHENXianqing1,ZHUYanlei1,CHANGZhengwei2,XUTianhao3

(1.School of Electrical & Control Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China；2.State Grid Sichuan Electric Power Research Institute， Chengdu 610072， China；3.School of Energy Science & Engineering, University of Electronic Science & Technology of China,Chengdu 611731,China)

This paper proposes a practical Modbus RTU protocol testing software designed for substation intelligent auxiliary control system as an alternative to the existing modbus protocol testing software mostly in the form of message which fails to perform in an intuitive, convenient and specific way. The novel software based on the model of flexible configuration file works by testing the function of the intelligent auxiliary systemby developing object information model and associating Modbus protocol testing with the specific functions of substation intelligent auxiliary system. Experimental results show that the test software capable of simple and easy operation is adequate for the test requirements and provides an intuitive and specific performance.

Modbus RTU; protocol testing; intelligent auxiliary control system

2016-04-25

沈顯慶(1969-)，男，吉林省通化人，教授，博士，研究方向：變電站智能輔助系統(tǒng)，E-mail:shenxianqing2001@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.04.020

TM63;TM76

2095-7262(2016)04-0454-04

A