基于Modbus RTU通信協(xié)議的光伏逆變器通信系統(tǒng)

穆 娜，馬 亮，林 錐，李旭陽，梁海

（北京京儀綠能電力系統(tǒng)工程有限公司，北京 100009）

光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，大中型光伏電站已經(jīng)成為太陽能資源豐富地區(qū)的最佳選擇。目前光伏電站一般占地比較大，地點偏僻，維護人員少，設(shè)備分散且相互距離遠(yuǎn)，因此光伏電站必須具備完善的監(jiān)控系統(tǒng)。近年來光伏電站監(jiān)控朝著智能化和自動化方向發(fā)展，而傳統(tǒng)逆變器簡單的單點通訊方式已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)有方式，而485總線通訊距離長，配置靈活的特點，很好的適應(yīng)光伏電站設(shè)備距離遠(yuǎn)，位置分散的特點。 而Modbus[3]是工業(yè)控制器的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的一種，通過此協(xié)議，可以實現(xiàn)電站多種設(shè)備（逆變器、智能匯流箱、升壓變）的通信。基于上述原理，文中設(shè)計了一套光伏逆變器通信系統(tǒng)[4]，采用Modbus RTU通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信，達(dá)到能夠同時4個逆變器設(shè)備通訊的目的。

1 系統(tǒng)構(gòu)成以及原理

在光伏逆變器通訊過程中，逆變器通訊板是通訊系統(tǒng)一個重要組成部分。一般通過微處理器控制電機繼而達(dá)到實現(xiàn)自動控制的目的。而上位機通過串行或者并行通信協(xié)議控制逆變器理器，來實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制[5]。具體框圖如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)光伏逆變器通信系統(tǒng)框圖Fig.1 Communication system block diagram of traditional photovoltaicinverter

文中提出了一種新的光伏逆變器通信系統(tǒng)的設(shè)計方案，采用ModbusRTU協(xié)議，使上位機（PC）直接可以和光伏逆變器通信系統(tǒng)進行通信，其框圖如圖2所示。本設(shè)計上位機采用一般PC即可，最好帶RS485接口。由于系統(tǒng)設(shè)計過程中節(jié)省了微處理器，所以不僅在數(shù)值處理運算和數(shù)據(jù)傳送上運行速度快，實時性強，而且簡化了系統(tǒng)復(fù)雜度，降低了成本。

圖2 基于Modbus RTU通信協(xié)議的通信系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of based on Modbus RTU communication protocol system

由于有的PC不自帶RS485接口，因此上位機不能利用Modbus通信協(xié)議來控制光伏逆變器通信系統(tǒng)。雖然市場沒有專門接口轉(zhuǎn)換電路，但是由于一般上位機 （PC或者工控機等）都自帶 USB接口，自己根據(jù)Modbus協(xié)議和實驗室現(xiàn)有器件，自行設(shè)計接口轉(zhuǎn)換電路，接口圖如圖3所示。

圖3 接口電路轉(zhuǎn)換示意圖Fig.3 Interface converter circuitdiagram

2 Modbus RTU協(xié)議及實現(xiàn)

2.1 Modbus協(xié)議

Modbus是OSI模型第7層上的應(yīng)用層報文傳輸協(xié)議，它在連接至不同類型總線或網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備之間提供客戶機/服務(wù)器通信[6]。標(biāo)準(zhǔn)的Modbus口是使用RS-232C兼容串行接口，它定義了連接口的針腳、電纜、信號位、傳輸波特率、奇偶校驗。控制器能直接或經(jīng)由Modem組網(wǎng)。控制器通信使用主-從技術(shù)，即僅主設(shè)備能初始化傳輸（査詢）。從設(shè)備根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)反應(yīng)。光伏電站典型的主設(shè)備：中控主機和通訊管理機。典型的從設(shè)備：逆變器、匯流箱、配電柜、升壓變、電表等。本系統(tǒng)中主設(shè)備指上位機，從設(shè)備主要指光伏逆變器。

上位機可單獨和光伏逆變器通信，也能以廣播方式和所有光伏逆變器通信。如果單獨通信，光伏逆變器返回同樣的消息作為回應(yīng)，如果是以廣播方式査詢，則不作任何回應(yīng)。Modbus協(xié)議建立了上位機查詢的格式：設(shè)備（或廣播）地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、錯誤檢測域。光伏逆變器回應(yīng)消息也由Modbus協(xié)議構(gòu)成，包括確認(rèn)要行動的域、任何要返回的數(shù)據(jù)和錯誤檢測域。如果在消息接收過程中發(fā)生錯誤，或不能執(zhí)行其命令，光伏逆變器將建立錯誤消息并把它作為回應(yīng)發(fā)送出去。

通信過程主要分查詢和響應(yīng)。查詢指從上位機通過功能代碼告之被選中的光伏逆變器要執(zhí)行的何種功能；響應(yīng)指光伏逆變器對査詢信息功能代碼的回應(yīng)。通信是由來自上位機的查詢開始的。光伏逆變器之間不能進行查詢。

控制器能設(shè)置為兩種傳輸模式（ASCII或RTU）之中的任意一種標(biāo)準(zhǔn)進行通信[1]。文中選用RTU（遠(yuǎn)程終端設(shè)備）模式，還包括設(shè)置其他串口通信參數(shù)（波特率，校驗方式等）。需要注意的是，在同一個Modbus網(wǎng)絡(luò)上所有的設(shè)備都必須有相同的傳輸模式和串口參數(shù)。RTU模式下，數(shù)據(jù)幀格式是:地址+功能代碼+信息+CRC-16校驗。CRC校驗的全稱是循環(huán)冗余校驗，其特點是：檢錯能力極強，花費CPU開銷小。

2.2 參 數(shù)

2.2.1 運行參數(shù)

運行參數(shù)具有只讀功能，其通訊應(yīng)用格式如表1～表2。

讀數(shù)據(jù)（功能碼04）

表1 主機讀取運行參數(shù)格式Tab.1 The format of host reading operating parameters

表2 從機讀取運行參數(shù)格式Tab.2 The format of slave reading operating parameters

2.2.2 控制參數(shù)

運行參數(shù)具有可讀可寫功能，其通訊應(yīng)用格式如表3～表6。

讀數(shù)據(jù)（功能碼03）

表3 主機讀取控制參數(shù)格式Tab.3 The format of host reading control parameters

表4 從機讀取運行參數(shù)格式Tab.4 The format of slave reading control parameters

寫數(shù)據(jù)（功能碼06）

表5 主機寫控制參數(shù)格式Tab.5 The format of host writing control parameters

寫數(shù)據(jù)（功能碼06）

表6 從機寫運行參數(shù)格式Tab.6 The format of slave writing control parameters

寫控制參數(shù)成功，逆變器（從機）原樣返回。

3 上位機設(shè)計

基于Modbus RTU通信協(xié)議的光伏逆變器通訊系統(tǒng)的上位機軟件采用C#軟件編譯[3]。上位機軟件打開后，選擇端口號，波特率為默認(rèn)值9 600，點擊“open”后選擇運行模式。運行模式分為兩種：調(diào)試模式和自動運行模式。調(diào)試模式下，根據(jù)Modbus RTU通訊協(xié)議和要完成的內(nèi)容，進行指令操作，運行參數(shù)和控制參數(shù)界面無顯示和界面刷新。而自動運行模式下，會根據(jù)內(nèi)設(shè)好的指令自動發(fā)送運行參數(shù)和控制參數(shù)的讀取，且運行參數(shù)和控制參數(shù)界面會有相應(yīng)的數(shù)據(jù)刷新顯示。程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖Fig.4 Flow chart of the program

4 實 驗

文中研究設(shè)計的系統(tǒng)在實驗室完成了軟硬件的聯(lián)調(diào)測試，系統(tǒng)的調(diào)試連接如圖5所示。該測試系統(tǒng)是由供電穩(wěn)壓電源、通訊板、控制板、液晶觸摸屏、RS485組成。主要完成的實驗有：在觸摸屏與控制板的通信正常，驗證控制板能正常采集到數(shù)據(jù)，顯示屏能顯示正確的參數(shù)和曲線并能夠存儲數(shù)據(jù)和查詢歷史數(shù)據(jù)的情況下，上位機與通訊板的通信測試，驗證上位機與通訊板之間通訊正常，可以完成發(fā)送指令和接受指令的正常進行。

圖5 實驗調(diào)試系統(tǒng)Fig.5 Experimental debugging system

系統(tǒng)上電后，通過查看終端是否正確接收了下位機發(fā)送來的數(shù)據(jù)，圖6給出了上位機主界面的測試結(jié)果。從圖中可以看出，觸摸屏能夠正確接收到下位機發(fā)送來的數(shù)據(jù)。

通過上位機測試光伏逆變器采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，可以看到上位機工作正常，能夠正常顯示參數(shù)，并能夠正確收發(fā)指令。實驗驗證了上位機可成功的實現(xiàn)系統(tǒng)間的通訊，將下接子設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)信息傳送給上位機。電站的管理人員只要通過上位機便可查看數(shù)據(jù)參數(shù)，了解電站的實時運行狀況。

5 結(jié) 論

圖6 主界面Fig.6 The main interface

文中介紹了基于Modbus RTU通信協(xié)議的光伏逆變器通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅通信可靠性髙，運算速度快，實時性強，而且硬件結(jié)構(gòu)簡單。本文最大創(chuàng)新之處在于根據(jù)光伏逆變器功能和原理，進行巧妙的軟件設(shè)計，實現(xiàn)了系統(tǒng)連續(xù)運行的目的。此外，本文中提及的設(shè)計思路，已經(jīng)在設(shè)備中采用，并且寧夏、格爾木等多個光伏電站現(xiàn)場得到驗證。

[1]上海景利數(shù)碼科技有限公司．Modbus通信協(xié)議的原理和標(biāo)準(zhǔn) [EB/0L]. （2010-06-12）.http://wenku.baidu.com/view/61b3691b227916888486d769.html.

[2]李江全.Visual C#.NET串口通信及測控應(yīng)用典型實例[M].電子工業(yè)出版社，2012.

[3]Modbus協(xié)議中文版（完整版）[EB/OL].（2011-06-14）.http://wenku.baidu.com/view/f2fc7ce86294dd88d0d26b36.html.

[4]李躍峰.基于Verilog HDL的SPI可復(fù)用IP核的設(shè)計與實現(xiàn)[D].四川成都：西南交大碩士學(xué)位論文，2008．

[5]Kimura K H H.A novel low-power-consumption all-digital system-on-glass display with serialinterface [J].SID International Symposium 2010（DOI#10.1889/JSID18.1.30）:30-36.

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