周 穎，謝 明

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

基于Modbus的船舶配電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

周 穎，謝 明

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

針對(duì)船舶配電系統(tǒng)的監(jiān)測問題，采用監(jiān)控通訊尋址方式，設(shè)計(jì)一種基于Modbus和TCP/IP協(xié)議，以多種電力測量儀表、高集成數(shù)字控制設(shè)備及計(jì)算機(jī)為核心并通過開發(fā)模塊化程序進(jìn)行設(shè)備間通信船舶配電監(jiān)控系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了各模塊的工作原理和軟硬件設(shè)計(jì)。實(shí)際應(yīng)用表明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了船舶配電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)、功率管理，系統(tǒng)安全報(bào)警和遠(yuǎn)程控制等功能，與傳統(tǒng)的船舶配電監(jiān)控系統(tǒng)相比，降低船舶設(shè)計(jì)項(xiàng)目成本，提高了系統(tǒng)的安全性和實(shí)時(shí)性。

Modbus協(xié)議；RS485網(wǎng)絡(luò)；人機(jī)界面；船舶配電系統(tǒng)

0 引言

伴隨著船舶向大型化、自動(dòng)化方向發(fā)展，已逐步形成集可視化監(jiān)控、自動(dòng)化控制和能耗高效管理于一體的協(xié)同自動(dòng)化配電系統(tǒng)，即船舶功率管理系統(tǒng)（PMS）[1]。其中，發(fā)電系統(tǒng)的智能管理及其相關(guān)信息的協(xié)同與監(jiān)控為保證船舶安全，持續(xù)，高效供電的保證[2]。船舶配電監(jiān)控系統(tǒng)起的作用不僅限于主站觸摸屏對(duì)從站控制設(shè)備的監(jiān)控、同步報(bào)警、數(shù)據(jù)分析等直觀功能，最重要的是簡化了船舶配電系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)及其控制設(shè)備構(gòu)成的功率管理系統(tǒng)（PMS）的上位機(jī)-報(bào)警管理系統(tǒng)（AMS）對(duì)尋址結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。以四臺(tái)發(fā)電機(jī)構(gòu)成的船舶配電系統(tǒng)為例，在沒有監(jiān)控系統(tǒng)的情況下，上位機(jī)報(bào)警AMS系統(tǒng)對(duì)功率管理系統(tǒng)PMS的尋址是直接的且必備廠家負(fù)責(zé)，PMS負(fù)責(zé)廠家必須提供為AMS負(fù)責(zé)廠家逐一提供具體單個(gè)設(shè)備寄存器地址，這將會(huì)增加整個(gè)項(xiàng)目的成本。 在有監(jiān)控系統(tǒng)的情況下，HMI觸摸屏在通信網(wǎng)絡(luò)起著銜接橋梁的作用。在監(jiān)控中作為上位機(jī)的HMI觸摸屏則在與上位報(bào)警管理系統(tǒng)構(gòu)成的通訊網(wǎng)絡(luò)中作于下位機(jī)。上位控制系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)則可以先通過觸摸屏，以中間樞紐采集后，再構(gòu)成與上位控制主系統(tǒng)的通信[3]。這樣的結(jié)構(gòu)極大簡化了尋址過程，同時(shí)還增加了不同項(xiàng)目尋址信息的可移植性。在多個(gè)觸摸屏構(gòu)成的監(jiān)控系統(tǒng)中，可將各屏之間通過工業(yè)以太網(wǎng)Modbus TCP/IP。本文設(shè)計(jì)了一套基于Modbus協(xié)議的船舶配電監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)控制主站集中管理大量Modbus協(xié)議采集設(shè)備，避免連接采集設(shè)備而大量布線，且兼容性好、實(shí)時(shí)性高、可靠性強(qiáng)，使用方便，從而降低了船舶項(xiàng)目設(shè)計(jì)成本，并且傳輸速度快，安全性高。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

基于Modbus協(xié)議的船舶配電監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由上位機(jī)管理系統(tǒng)、下位機(jī)控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)組成。上位機(jī)管理系統(tǒng)由工控機(jī)和觸摸屏構(gòu)成，下位機(jī)控制系統(tǒng)由繼電器控制保護(hù)模塊構(gòu)成。該系統(tǒng)主要通過信息采集設(shè)備采集船舶電站的電量參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，再將信號(hào)和數(shù)據(jù)處理并封裝成標(biāo)準(zhǔn)串口Modbus協(xié)議幀，通過絡(luò)傳輸進(jìn)行數(shù)據(jù)交戶，在觸摸屏的控制下，通過Modbus將各監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和顯示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)、發(fā)電機(jī)功率管理、安全報(bào)警等功能。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件分為繼電控制保護(hù)模塊和HMI模塊，下面對(duì)這兩部分硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 繼電控制保護(hù)模塊

該模塊為德國Stucke Eletronik公司生產(chǎn)的SYMAP繼電控制保護(hù)模塊，如圖2所示。該設(shè)備內(nèi)部集成的PLC電路可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)控制功能的鎖定。所有數(shù)字量輸出和模擬量輸出都經(jīng)由SYMAP控制單元處理控制，這樣可以確定數(shù)據(jù)的統(tǒng)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(xié)議供主控制系統(tǒng)與SYMAP的通訊。這些模塊彼此獨(dú)立，針對(duì)各自控制的電機(jī)或開關(guān)進(jìn)行繼電保護(hù)，功率負(fù)荷分配，自動(dòng)/半自動(dòng)控制調(diào)整等舉措，監(jiān)控對(duì)象的實(shí)時(shí)報(bào)警；彼此之間可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，通過CANBUS完成內(nèi)部廣播，實(shí)現(xiàn)備機(jī)優(yōu)先級(jí)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(shè)計(jì)

該模塊為瑞典Beijer Eletronics公司生產(chǎn)的iX T10A觸摸屏，通過Modbus通訊協(xié)議與下位機(jī)設(shè)備互聯(lián)，并以固定的輪詢時(shí)間對(duì)下位機(jī)寄存器進(jìn)行尋址，完成對(duì)發(fā)電機(jī)狀態(tài)的顯示，參數(shù)修改，報(bào)警同步等功能[5]。發(fā)電機(jī)的狀態(tài)包括電壓，電流，頻率，功率等用電參數(shù)；以及所處狀態(tài)的自動(dòng)控制，遠(yuǎn)程控制，半自動(dòng)控制。參數(shù)修改包括對(duì)發(fā)電機(jī)備機(jī)優(yōu)先級(jí)選取的調(diào)整，發(fā)電機(jī)的緊急通斷。報(bào)警同步能將各個(gè)下位機(jī)的報(bào)警信息及時(shí)上報(bào)上位機(jī)，這樣協(xié)同能夠使操作人員及時(shí)了解報(bào)警出現(xiàn)的時(shí)間與位置。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 Modbus通訊設(shè)計(jì)

Modbus協(xié)議被廣泛的應(yīng)用于工控領(lǐng)域中，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)上的不同，常見的有基于以太網(wǎng)絡(luò)的Modbus/ TCP協(xié)議、基于串行口的ModbusRTU/ASCII協(xié)議[6]。由于相比較于RS232有諸多優(yōu)點(diǎn)，工控現(xiàn)場多數(shù)采用RS422/485物理網(wǎng)絡(luò)。

Modbus協(xié)議定義了一個(gè)與基礎(chǔ)通信層無關(guān)的簡單協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU。特定總線或網(wǎng)絡(luò)上的Modbus協(xié)議映射能夠在應(yīng)用數(shù)據(jù)單元ADU上引入一些附加字段。Modbus的ADU單元由主站創(chuàng)建，其中功能碼指示從站將執(zhí)行的操作。功能碼字段由一個(gè)字節(jié)編碼，即有效范圍為十進(jìn)制的1至255。Modbus的傳輸方式分為RTU（遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)

Modbus串行鏈路協(xié)議是一個(gè)主-從協(xié)議，在一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)主站，它向每一個(gè)從站發(fā)出顯示命令并處理響應(yīng)[7]。在同一時(shí)刻，一個(gè)主站最多可以和247個(gè)從站連接串行總線上。采用查詢、應(yīng)答的方式進(jìn)行通信，主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)出消息，從設(shè)備響應(yīng)消息查詢，每個(gè)從機(jī)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(fā)出請求。

設(shè)計(jì)中iX觸摸屏為主機(jī)，SYMAP作為從站。標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議有兩種傳輸方式：ASCII模式和RTU模式。前者用于通信數(shù)量少而且主要是文本的通信，后者用于通信數(shù)據(jù)量大而且是二進(jìn)制的通信[8]。在同樣的波特率下，RTU模式傳輸?shù)淖址華SCII模式多，因此在設(shè)計(jì)中網(wǎng)絡(luò)物理層采用的是RS485網(wǎng)絡(luò)，使用Modbus-RTU協(xié)議。ModbusRTU幀格式如圖5所示。

圖5 ModbusRTU幀格式

3.1.2 Modbus協(xié)議在TCP/IP上的實(shí)現(xiàn)

在TCP/IP上使用一種專用報(bào)文頭來識(shí)別Modbus應(yīng)用數(shù)據(jù)單元，這種報(bào)文頭為MBAP報(bào)文頭，本設(shè)計(jì)中是通過協(xié)議標(biāo)識(shí)符的值為0識(shí)別Modbus協(xié)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(shí)現(xiàn)

SYMAP設(shè)備在Modbus通信協(xié)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(tài)信息和測量值。對(duì)于每個(gè)請求，尋址過程允許接受最大到124個(gè)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(gè)寄存器。對(duì)于主站而言，此功能實(shí)現(xiàn)了指令的輸出和下位機(jī)設(shè)置的改變。根據(jù)Modbus協(xié)議，該設(shè)備等待以下查詢，一個(gè)命令只能通過查詢被送出。作為反映，設(shè)備會(huì)對(duì)主站請求反饋。主站可以發(fā)出一個(gè)收集模式（從站地址=0），在這種情況下，所有從站設(shè)備將輸出所需命令，但從站不發(fā)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(jī)設(shè)備對(duì)SYMAP設(shè)備進(jìn)行特定地址尋址時(shí)，只需將匹配的寄存器地址以規(guī)定的格式給出，即可完成對(duì)設(shè)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(fā)電機(jī)電流，138表示母排電壓，139表示母排功率，144表示電機(jī)轉(zhuǎn)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(dāng)有一個(gè)用電需求較大的負(fù)載請求并入電網(wǎng)時(shí)，設(shè)備采取啟動(dòng)備機(jī)或是拒絕的職能管理、黑牌處理（在船舶出現(xiàn)緊急供電故障時(shí)的處理）、輕載減負(fù)管理（當(dāng)有多臺(tái)發(fā)電機(jī)同時(shí)運(yùn)行，而實(shí)際電網(wǎng)負(fù)荷遠(yuǎn)低于發(fā)電機(jī)額定值時(shí)，采取將優(yōu)先級(jí)較低的電機(jī)脫離電網(wǎng)的省電處理）。如圖9所示，“Bow Truster”用電設(shè)備的重載問詢流程圖舉例，在聯(lián)絡(luò)開關(guān)合閘且電站模式為自動(dòng)的情況下，考慮發(fā)電機(jī)機(jī)組的功率是否大于560kW，若滿足，則運(yùn)行允許；否則進(jìn)入啟動(dòng)備機(jī)預(yù)案，將備機(jī)啟動(dòng)后的并網(wǎng)處理，增大電網(wǎng)中帶負(fù)載能力，滿足用電設(shè)備的用電需求。若備機(jī)數(shù)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(jiān)控系統(tǒng)HMI開發(fā)

該觸摸屏內(nèi)置預(yù)置元件，可以通過調(diào)用，自動(dòng)生成Xaml代碼，再通過修改代碼值，改編元件屬性，觸發(fā)動(dòng)作或匹配變量。對(duì)于設(shè)備不具備的元件，可以通過編寫Xaml代碼進(jìn)行創(chuàng)建。監(jiān)控的總界面如圖10所示。

以發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)1的電流，電壓，功率，頻率。DG1_A1-A4分別表示編號(hào)1～4的報(bào)警，BUS_V為母排電壓。該格式各三塊構(gòu)成變量（Tag），控制器（Controllers），數(shù)據(jù)交換（Data Exchange）。信號(hào)的采集在于從控制器端得到數(shù)據(jù)，再賦值入Tag中。所以，方向是由控制器到變量（Right），當(dāng)數(shù)據(jù)變化時(shí)，傳遞數(shù)據(jù)。1:40135表示寄存器，1表示發(fā)電機(jī)1的從站地址為1，135表示寄存器地址。

圖10 上位機(jī)監(jiān)控界面

表2 發(fā)電機(jī)1各參數(shù)變量說明

4 測試

目前該系統(tǒng)通過測試，已應(yīng)用到西門子船舶設(shè)計(jì)項(xiàng)目中。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明：高集成度的SYMAP控制模塊實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確采集各配電參數(shù)，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)通訊傳輸無誤；監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)接受現(xiàn)場各從站節(jié)點(diǎn)發(fā)送的配電數(shù)據(jù)，并建立數(shù)據(jù)庫供操作人員進(jìn)行歷史查詢。

5 結(jié)論

由于該系統(tǒng)使用集成度較高的繼電控制保護(hù)模塊，與傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)相比，避免了大量布線和可靠性低的缺陷，提升了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和靈活性。因而提高工作效率，有效預(yù)防設(shè)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(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)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(jìn)船舶電力系統(tǒng)多功能故障監(jiān)視報(bào)警裝置研發(fā)[J].電測與儀表,2015,25(3):82-87.

[3] 鄭小倩.基于工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,26(7):82-84.

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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(dòng)研究。