（廣東省東莞市東江水務(wù)有限公司，東莞 523000）

0 引言

傳統(tǒng)PLC與設(shè)備之間一般是采用硬接線接入I/O方式進行數(shù)據(jù)采集，隨著科技水平的進步與發(fā)展，現(xiàn)場設(shè)備更加智能化，尤其是高壓電力方面的比如微機綜保已經(jīng)非常智能化，它們的儀表一般都標(biāo)配通訊端口，采用MODBUS通訊協(xié)議的通訊端口是應(yīng)用比較普遍的一種，它已成為通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它組網(wǎng)簡單，價格低廉。ModBus網(wǎng)絡(luò)是一個工業(yè)通信系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)既包括硬件、亦包括軟件，廣泛應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)控。本項目就是通過對水廠配水泵房2號機組出線柜及與2號機相關(guān)的進線柜，PT柜，變壓器出線柜進行改造后，利用PLC與這些綜保柜儀表與既有的1號、5號機組綜保柜鏈接進行485通訊來實現(xiàn)上位機對綜保柜儀表數(shù)據(jù)的采集，從而很大程度降低了人工布線成本，同時減少了PLC硬件配置，提高了自動化水平。

1 儀表MODBUS串行協(xié)議

MODBUS協(xié)議通訊一般采用一主多從方式，從設(shè)備對于主控制器的廣播查詢，從設(shè)備返回的內(nèi)容不僅包括設(shè)備地址，而且也包括請求功能代碼，發(fā)送數(shù)據(jù)，錯誤校驗碼等。RTU傳輸模式消息幀格式如表1所示。

表1 RTU傳輸模式消息幀格式[1]

從機地址：0～247內(nèi)的整數(shù)，0為廣播地址，MODBUS命令碼可以從1～255內(nèi)的整數(shù)值。功能碼：對應(yīng)讀取模擬量為03或16，對應(yīng)讀取開關(guān)量一般采用01或02，如表2所示。對應(yīng)于施耐德PLC中的MODBUS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要包括輸入離散量，輸出離散量（線圈），輸入寄存器，保持寄存器基本單元，分別對應(yīng)PLC中含有數(shù)字量，模擬量，輸入輸出的設(shè)備，按照不同的Modbus功能代碼訪問每個獨立的數(shù)據(jù)塊[2]。起始地址：數(shù)據(jù)在通訊設(shè)備寄存器地址定義，由廠家提供點表。數(shù)據(jù)格式：在寄存器中為一個無符號16位數(shù)。

本項目中1號、5號機組綜保儀表通過查詢說明書數(shù)據(jù)采集發(fā)送報文：例如：I1相電流發(fā)送報文：01 03 0113 0001 7433其中01是設(shè)備地址，需查看sepam40設(shè)置的通信地址：03是功能碼，讀多個寄存器數(shù)據(jù)，0113是要讀取寄存器起始地址，0001是讀取的字數(shù)為1個字，33是校驗碼。同理2號機組出線柜及與2號機相關(guān)的進線柜，PT柜，變壓器出線柜的消息幀格式按照廠家給的點表來定義。

表2 MODBUS通訊協(xié)議常用功能代碼[2]

2 PLC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及硬件連接設(shè)計

本項目需要將施耐德Quantum系列PLC與5臺綜保柜儀表（即：1號泵組，5號泵組綜保柜，2號泵組出線柜，進線柜，廠變壓器出線柜）組成通訊網(wǎng)絡(luò)，PLC硬件是昆騰140系列的11303型CPU，其面板帶1個標(biāo)準(zhǔn)RS-232C型串口，綜保儀表端均采用標(biāo)準(zhǔn)485協(xié)議的端子輸出。PLC與儀表間采用485屏蔽雙絞線連接。

圖1 通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

3 PLC通訊協(xié)議設(shè)計及程序編寫

昆騰140 PLC編程軟件利用XXMIT功能塊命令的讀取功能實現(xiàn)與儀表進行485通訊，其中設(shè)置的命令字為16#2100。MSGOUT是一個數(shù)組，其中的每一個字設(shè)置對應(yīng)了儀表端MODBUS消息幀格式。也即：MSGOUT[1]讀功能碼設(shè)置為3，MSGOUT[2]：讀取或者寫入的數(shù)據(jù)的數(shù)量；MSGOUT[3]：Modbus從站地址，范圍為1-247。0表示廣播方式，并只支持寫從站的功能，不支持讀從站的功能。MSGOUT[4]：從站寄存器的地址區(qū)域索引。所有機組綜保儀表寄存器起始地址為：400276，MSGOUT[5]：主站寄存器地址區(qū)域索引。本項目中，1號、5號機組定義的主站寄存器起始地址為：400460和400400，2號機組以及總出線柜，變壓器出線柜定義的主寄存器起始地址為：400520，400640及400700.MSGIN包含終止的ASCII輸入或簡單的ASCII輸入的傳入消息數(shù)據(jù)，為參數(shù)分配的數(shù)據(jù)類型必須與要執(zhí)行的數(shù)據(jù)類型相匹配，即該數(shù)據(jù)類型要與MSGOUT字段的數(shù)據(jù)類型保持一致。

為了實現(xiàn)系統(tǒng)的可擴展性，允許帶多個綜保儀表，而在PLC的每個掃描周期最多只能有1個通信模塊（XXMIT）同時處于通信激活狀態(tài)，那么要控制多個綜保儀表時，需要對綜保儀表進行分時控制，這里需設(shè)置時間令牌為了讓多個綜保儀表輪流通信。使用XXMIT對綜保儀表寄存器進行讀寫，且只有當(dāng)此綜保儀表拿到令牌時才能開始通信,本項目程序設(shè)計時根據(jù)接收成功標(biāo)志位Dir_dn來執(zhí)行輪詢程序，即當(dāng)一個從站執(zhí)行讀取成功后標(biāo)志位Dir_dn置1個脈沖，同時Dir_read_dn置1保持2秒，讀取下一個從站的數(shù)據(jù)，依次類推完成從站的數(shù)據(jù)采集。圖2是部分運行程序示例。

圖2 運行程序示例

圖2中程序1～16段是初始狀態(tài)Dir_re脈沖數(shù)計數(shù)到5時，或者Dir_dn讀取完成或讀取故障時將Dir_read_dn置1進行下一個站發(fā)送令牌，程序41～46段是從站接到令牌后相應(yīng)的對從站地址和主站目標(biāo)字起始地址進行更改，程序49～54段是產(chǎn)生2秒脈沖用于XXMIT輪詢操作。另外由于有功功率、無功功率、相電壓等是32位數(shù)據(jù)，比如2號泵有功功率采集至PLC后高位如果沒有溢出，即：高位為0時為低位數(shù)據(jù)，但是如果高位有溢出，即：高位置1時必須經(jīng)過程序變換后由寄存器p2_active_power_int輸出顯示。在實際運行中如果Modbus響應(yīng)速度很慢，可以適當(dāng)調(diào)整脈沖寬度dir_start，以保證在Time out和Retry Limit范圍之內(nèi)通信成功。通訊正常時，Active跟start狀態(tài)一致的為脈沖激活標(biāo)志，XXMIT在處理時顯示標(biāo)志1，Done是完成標(biāo)志，當(dāng)成功完成一次通訊過程時，會有一個輸出脈沖（其狀態(tài)滯后于Active）。

4 程序運行效果及上位機采集

以下表格顯示的是PLC采集上來的2號泵綜保儀表部分數(shù)據(jù)，包括泵的各相電壓，各相電流，總有功功率，無功功率等，依次類推2號機進線柜，變壓器出線柜均都進行了采集，本項目上位機遠程監(jiān)控軟件是RSVIEW32利用第三方KEPSERVER OPC通訊讀取PLC寄存器中的數(shù)據(jù)實現(xiàn)最終的界面顯示,目前完成了對上位機監(jiān)控畫面重新設(shè)計，增加了2號機綜保柜，進線綜保柜，廠變壓器出線柜顯示畫面，同時也預(yù)留了3號機及6號機的數(shù)據(jù)顯示畫面。

5 結(jié)束語

圖3 上位機界面顯示

通過對水廠配水泵房2號機組出線柜及與2號機相關(guān)的進線柜，變壓器出線柜進行改造后，利用PLC將原有的1號、5號綜保柜儀表與新裝綜保柜儀表組成485通訊鏈路，將電流、電壓頻率、有功功率、無功功率、有功電能、無功電能等電量參數(shù)采集到上位機上顯示，極大方便了數(shù)據(jù)集中管理以及后續(xù)能源管理系統(tǒng)建設(shè)，為后續(xù)的對3號泵，6號泵的技術(shù)改造打下良好基礎(chǔ)，但是也存在一些不足：比如目前的通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是手牽手模式，如果1號泵的ACE949通訊模塊故障，它的下游鏈路就會故障，導(dǎo)致無法采集數(shù)據(jù)，因此目前只做成數(shù)據(jù)采集，控制還是通過PLC I/O硬接線接入斷路器單獨進行合閘/分閘。后續(xù)可以將PLC升級為帶RJ45端口的485通訊口，增加MODBUS分配塊，將分支電纜分別連到各個從站實現(xiàn)分散監(jiān)控，提高運行的穩(wěn)定性和安全性。