基于modbus-ru的scada控制系统的设计

基于modbus-ru的scada控制系统的设计

1rtu单元的设计1.1可同时显示各种电信息,包括三维电能芯片本文提出的ru级四远程功能单元采用ti公司的16位msp430f149单果作为控制核心，并与三相能源芯片att7022b形成微波单元。由于具有高精度、直误差曲线和自身损失，它具有平均误差的优点。它还可以通过图形本地显示各种电参数、遥远输入、温度控制输出、高压流过警报和其他信息。通过基于ModBus-RTU规约的RS-485总线组成传输距离远、抗干扰性能力强的工业通讯网络,方便与配有组态软件的上位机组成监控系统。1.2远程测量1.2.1at602b-驱动电压计量系统遥测模块,也可以作为普通三相电子式电能表使用,主要由MSP430F149单片机与三相电能芯片ATT7022B构成,完成对远端线路、用电设备电参数的测量,如电压、电流、功率等。ATT7022B电能芯片是珠海炬力集成电路设计有限公司生产的一款高精度三相电能计量芯片。它首先通过6通道16位∑-Δ的ADC模数转换电路对输入电流和电压信号进行采样,转换后的数字量经过24位DSP数字信号处理以完成全部三相电能参数的运算,同时将结果保存在相应的寄存器中并通过SPI口与MCU进行数据交换。该芯片对有功、无功功率的测量精度分别达到0.2级和0.5级,所能测量的电参数包括有功、无功、视在功率、双向有功和四角限无功电能;电压和电流有效值;相位、频率等。ATT7022B具有计量参数齐全、校表功率完善等优点,简化了软件设计,缩短了软件开发周期。特别是AT7022B可支持全数字校表,即软件校表。软件校表可提高校表精度、简化硬件设计、降低设计成本,为三相多功能计量装置提供了功能更加齐全、设计更加简单的应用方案。图2是遥测模块的硬件组成,合理地把TI的MSP430F149单片机和ATT7022B三相电能采集芯片集合,发挥各自的优势,避开复杂的采样电路的设计。1.2.2测量电流和电压在测量远端线路、现场强电设备的工作电压、电流时,需要把高电压、强电流信号转换为低电压、弱电流信号,这时需要先在遥测模块前经过一次电压、电流变换,如10kV/220V、100A/5A的变换,变成遥测模块允许输入信号。对于三相电能芯片而言,还需要经过遥测模块内部的二次电压、电流变换后,才能允许采集并测量电信号。本遥测模块选用的电流互感器规格为5A/2.5mA,精度是0.05级,所配置的负载阻抗为40Ω。电压互感器选用的是2mA/2mA电流型电压互感器,精度也是0.05级,在其前端通过110kΩ功率电阻把220V电压信号转变成2mA电流信号,所配置的负载电阻为250Ω。这样在输入额定电流、额定电压时,其电流、电压差动输入电压的有效值分别为0.1V和0.5V左右,可满足ATT7022B的要求。1.2.3校表前后电压误差的测量误差产生的原因有在实际试验中,用标准功率源提供的220V/5A电信号作为遥测模块的负载,430F149单片机通过SPI口对ATT7022电能芯片进行读取操作,经过数据处理后,在液晶显示屏可以读到测量数据,这时测量数据与实际数据有一定的误差,而且对于同一输入,A相、B相、C相的测量数据也不尽相同,这是由于采样电阻、互感器等元件具有参数分布性,与理论值有差异所引起的。根据测量数据与实际数据的差异,需要根据电压、电流、功率、相位等校表公式分别对这些参数进行校正。具体的校正方法请参考ATT7022用户手册,这里不再赘述。表1以校表前后电压的测量数据为例。通过上表,可以发现,校表前的电压误差远远大于ATT7022电能芯片所承诺的0.2%误差,不符合0.2级交流电表要求。而校表后测量误差都能保持在0.2%范围内,达到了0.2级交流电表的要求。1.3位置量的确定遥信的信息输入可来自于并行口、串行口、网络总线、位置量等。对于位置量,可通过光电隔离采集,位置量包括断路器位置、刀闸位置、保护信号等。外部遥信输入通过光电耦合器将开关状态转换为“0”或“1”电平(0V或5V)送入单片机输入口,以便于CPU板采集遥信状态。将采集的遥信状态进行比较,如果发现有遥信变位,则进行相应的处理,如遥信变位插送、SOE(事件顺序记录)等。1.4形成控制电设备实现继电器的遥控合、遥控跳、变压器分接头遥调,进而控制断路器,实现对用电设备的控制。在设计遥控模块时,由于单片机I/O口提供的电流太小,不能直接驱动继电器。解决办法是由单片机的I/O口输出到驱动芯片ULN2003以驱动继电器,为了防止继电器误动,选用74LS74对驱动信号加以互锁。1.5实时遥感、遥信遥调是在数据遥测、状态遥信能提供大量的现场数据的基础上实现的。通过对设备参数的实时遥测、遥信,可以根据要求由远方上位机通过RS-485现场总线设定及调整所控设备的工作参数、标准参数等,而且还可以设定各个RTU单元的地址、通信波特率、电压变比、电流变比、报警上下限等。2通信模块的工作原理2.1高效数据发送本文介绍的RTU单元,要实现四遥功能,并作为核心装置构成SCADA监控系统,是离不开通信模块的。本RTU的通信模块硬件电路图如图3所示。单片机与上位机之间的数据传送经过RS-485收发器MAX3485,由单片机的USART1发送和接收。通信方式为半双工,由单片机的P3.5口控制数据的发送和接收。为了提高数据传输的抗干扰性,MAX3485为+5V单独供电,采用高速光耦6N137与其他的电源完全隔离,不共地,以提高系统的安全性和抗干扰性能。由于传输线较长而且现场可能有电磁干扰,所以在传输线上并联瞬变电压抑制器TVSC、串联熔断器,并且传输线使用带屏蔽层的电缆。2.2基于温度分布的tu-rtu模式本RTU单元采用基于Modbus-RTU规约的RS-485总线通信方式,使信息和数据在上位机(主站)和RTU之间有效地传递。其作用包括允许主站访问和设定所接RTU的全部设置参数,允许访问RTU的所有测量数据。采用ModBus-RTU模式传输数据时,信息传输为异步方式,并以字节为单位。在主站和从站之间传递的通讯信息是11位的字格式:通讯数据(信息帧)格式每个ModBus数据包由子站地址、功能、数据和错误校验4个部分组成。(1)地址检查和处理子站地址为1个字节,且在1个链路中应当唯一,有效的地址范围为1～255,当所有的子站接收到符合ModBus协议的标准的数据包时,首先检查该数据包的子站地址,若与自己的相吻合,则作处理后返回结果,否则不予响应。(2)读读取读取存储状态ModBus通讯规约可定义的功能码为1到127,用于说明从节点要完成的功能。例如01代表读取输出状态,02代表读取输入状态,03代表读寄存器数据;06代表设置单个寄存器,用于设置从设备的某个运行参数。其他功能域的具体的定义参看Modbus协议说明。当从站设备做出回答响应时,使用功能代码指示是正常响应还是异常响应,对于正常响应,从设备响应相应的功能代码。对于异常响应,从设备返回正常功能代码的最高位置1的代码。(3)功能码的数据结构数据域包括本数据域中的字节数量、寄存器首地址或具体的数据。根据不同的功能码,数据域的数据结构也不同。正常响应时,数据域包含主设备的请求的数据。异常响应时,数据域中包含了错误代码,主站设备根据错误代码作相应的处理。(4)试验室Modbus通信协议的RTU模式采用CRC循环冗余校验,校验域用于存放校验结果的两个字节数据。2.3di4的输入状态例如:主机要读取地址为01,开关量DI1～DI4的输入状态。从机(RTU)数据寄存器的地址和数据为:主机发送的报文格式:从机(RTU)响应返回的报文格式:2.4行业监控标准在标准的RS-485通讯接口的基础上,本RTU单元与主机之间的通讯,所采用的MosBus通讯规约,已广泛被国内外电力行业及工控行业作为系统集成的标准。ModBus通讯规约允许本RTU单元与施耐德、西门子、AB、GE等多个国际著名品牌的可编程顺序控制器(PLC)、RTU、SCADA系统、DCS或与第三方具有ModBus兼容的监控系统之间进行信息交换和数据传送。本RTU单元只要简单地增加一套基于计算机(或工控机)的监控软件(如:组态王、Intouch、FIX、E