基于Modbus RTU協(xié)議的電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

南京西爾特電子有限公司　傅啟國

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基于Modbus RTU協(xié)議的電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

南京西爾特電子有限公司傅啟國

對Modbus通信協(xié)議進行了較深入研究，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了基于Modbus RTU協(xié)議的電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)PC機和數(shù)據(jù)采集終端之間的互聯(lián)通信，進而實現(xiàn)了對電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)的集中管理和實時監(jiān)測，該系統(tǒng)具有簡單、經(jīng)濟、兼容性好等優(yōu)點。

Modbus通信協(xié)議；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；電力系統(tǒng)

0　引言

隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，在電力系統(tǒng)中除了要對電能進行精確計量，還需要實現(xiàn)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量和運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，而這都依賴于對電力系統(tǒng)的電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)等相關(guān)參數(shù)的實時和準(zhǔn)確采集。

現(xiàn)場總線技術(shù)是20世紀(jì)80年代末90年代初發(fā)展起來的自動化領(lǐng)域的現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，通過現(xiàn)場總線把各電力數(shù)據(jù)采集終端的數(shù)據(jù)傳輸給中央控制計算機，實現(xiàn)集中分析、實時監(jiān)測，為電力系統(tǒng)的可靠運行和智能電網(wǎng)的持續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持［1］。

在各種應(yīng)用較成熟的現(xiàn)場總線中，Modbus通信協(xié)議因其簡單、實用、投資小和兼容性好等特點而在電力系統(tǒng)通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，下面對其介紹。

1　Modbus通信協(xié)議

Modbus通信協(xié)議最初由Modicon公司開發(fā)出來，現(xiàn)在是工業(yè)領(lǐng)域最成熟的應(yīng)用層協(xié)議之一［2］，具有開放、透明、偵錯能力強、實時性好等優(yōu)點。協(xié)議規(guī)定總線上只能有一個主設(shè)備，可以有多個從設(shè)備，并采用主從結(jié)構(gòu)的通信方式。主設(shè)備可單獨和從設(shè)備通信，也能以廣播方式和所有從設(shè)備通信。如果單獨通信，從設(shè)備返回一消息給主設(shè)備，如果以廣播方式查詢，則任何從設(shè)備不作回應(yīng)。

1.1傳輸模式

在Modbus網(wǎng)絡(luò)上進行通信，其數(shù)據(jù)傳輸模式有兩種：ASCII模式或RTU模式。用戶使用時需設(shè)置為其中的一種模式。

（1）ASCII模式

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以ASCII模式進行通信時，消息中的每個字節(jié)都作為兩個ASCII字符發(fā)送，錯誤檢測方法采用縱向冗余檢測（LRC）。消息中每個字符由1個起始位、7個數(shù)據(jù)位、0或1個奇偶校驗位和1或2個停止位組成。該模式的優(yōu)點是字符發(fā)送的時間間隔可達(dá)到1秒而不產(chǎn)生錯誤。

（2）RTU模式

地址　功能代碼數(shù)據(jù)數(shù)量　數(shù)據(jù)1　…　數(shù)據(jù)n　CRC高字節(jié)CRC低字節(jié)

以RTU模式進行通信時，消息中的每個字節(jié)包含兩個十六進制字符，錯誤檢測方法采用循環(huán)冗余檢測（CRC）。消息中每個字符由1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、0或1個奇偶校驗位和1或2個停止位組成。RTU模式在同樣的波特率下，可以比ASCII方式傳輸更多的數(shù)據(jù)。

本采集系統(tǒng)采用傳輸效率較高的RTU模式進行通信，下面簡要介紹Modbus RTU的消息幀格式。

1.2Modbus RTU消息幀

表1給出了一個Modbus RTU消息幀格式。

表1　RTU消息幀格式

可以看到，RTU消息幀包括地址域、功能域、數(shù)據(jù)域和CRC域四部分。

（1）地址域

地址域是消息幀第一個字節(jié)，范圍為十進制的0～247，其中地址0用作廣播地址，表示消息發(fā)送給所有從設(shè)備；1～247則可設(shè)置為某一從設(shè)備地址，所以最多支持247個從設(shè)備。主設(shè)備在對某一從設(shè)備發(fā)送消息時，需要將該從設(shè)備的地址放入地址域中，從設(shè)備返回消息時，把自身的設(shè)備地址也放入回應(yīng)消息的地址域中，這樣主設(shè)備就知道消息來源于哪個從設(shè)備。

（2）功能域

功能域在地址域之后，范圍一般為十進制的1～127，具體包含了從設(shè)備需要執(zhí)行哪些任務(wù)，采集哪些數(shù)據(jù)的信息。Modbus協(xié)議應(yīng)用于電力系統(tǒng)時，需采集的數(shù)據(jù)類型主要有：可讀寫模擬量，如保護整定值等；只讀模擬量，如電壓、電流、頻率等電力參數(shù)。

（3）數(shù)據(jù)域

數(shù)據(jù)域緊接著功能域。從設(shè)備執(zhí)行由功能碼所定義的任務(wù)，組織相應(yīng)數(shù)據(jù)，具體信息包括起始寄存器地址、要處理項的數(shù)目、實際數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)等。

（4）CRC域

排在結(jié)尾的CRC域是兩個字節(jié)，它由主設(shè)備計算，置于發(fā)送消息幀的末尾，從設(shè)備接收信息幀后，再次計算CRC，比較計算得到的CRC與接收到的是否相同，如果一致，則表明傳輸正確；否則，則表明傳輸出錯。

2　基于Modbus RTU協(xié)議的電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

基于Modbus RTU協(xié)議的電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)的主站采用PC機，從站為各數(shù)據(jù)采集終端，總線協(xié)議為Modbus通信協(xié)議，傳輸模式為Modbus RTU模式。通過Modbus總線實現(xiàn)了PC機與各數(shù)據(jù)采集終端的互聯(lián)通信。

圖1　基于Modbus RTU協(xié)議的電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

作為主設(shè)備的PC機可以采集并記錄各項參數(shù)，可對各相電壓或電流繪制實時曲線，并對配電線路中的各設(shè)備狀態(tài)進行實時記錄等。具體來說，基于Modbus RTU協(xié)議的電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以采集的數(shù)據(jù)主要有：

●三相電流Ia、Ib和Ic，三相電壓Ua、Ub和Uc和電網(wǎng)頻率；

●電能、有功功率、無功功率和功率因數(shù)；

●線路上各采集終端的地址、歷史記錄數(shù)據(jù)等。

3　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計與開發(fā)

采集系統(tǒng)軟件包括從站（數(shù)據(jù)采集終端）和主站（PC機）兩部分組成。主站軟件是基于PC的Windows平臺，采用Visual C++語言設(shè)計。從站軟件采用C語言設(shè)計。

3.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主站軟件設(shè)計

利用高級語言Visual C++可方便地開發(fā)主站管理平臺。

MSComm控件是Windows下串行通信編程的ActiveX控件，它提供了一種通過串行接口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡便方法［3］。該控件提供兩種通信處理方式：事件驅(qū)動方式和查詢方式。考慮到事件驅(qū)動方式具有程序響應(yīng)及時和可靠性高等優(yōu)點，本次設(shè)計MSComm控件采用事件驅(qū)動的工作方式。

采集系統(tǒng)中，作為主站的PC機是主設(shè)備，由它觸發(fā)通信事件，從站的采集終端是從設(shè)備，它根據(jù)主站發(fā)出的命令采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)。本設(shè)計中主站PC機的通信程序的流程如圖2所示。

圖2　主站通信流程圖

圖3 中斷子程序

主站進行控件屬性初始化后，先查詢鏈路狀態(tài)，在確定鏈路狀態(tài)正常后，等待按鈕事件或定時事件的發(fā)生。當(dāng)有按鈕事件或定時事件觸發(fā)時，從站進入通信接收中斷子程序進行任務(wù)處理，否則，繼續(xù)完成從站的其他功能。從站獲取電壓、電流等數(shù)據(jù)是通過主站設(shè)置定時自動通信功能，在一定的時間間隔內(nèi)從從站采集而實現(xiàn)的。

3.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)從站軟件設(shè)計

當(dāng)主站PC機發(fā)送消息到從站采集終端時將在從站采集終端觸發(fā)接收中斷，消息幀接收完成后便退出中斷子程序，然后從站根據(jù)功能域的信息執(zhí)行具體的采集任務(wù)，最后再把響應(yīng)消息發(fā)送給主站。所以從站通信程序分為發(fā)送子程序、協(xié)議處理子程序和接收中斷子程序。

（1）中斷子程序設(shè)計

中斷子程序的功能是接收數(shù)據(jù)。一個Modbus RTU消息幀包含多個字節(jié)，接收子程序一次只接收一個字節(jié)，當(dāng)接收完一幀完整的數(shù)據(jù)時，才將相關(guān)變量都清零，并通知協(xié)議處理子程序處理消息幀。接收子程序流程如圖3所示。

（2）協(xié)議處理子程序設(shè)計

協(xié)議處理子程序的功能是處理Modbus RTU消息幀。當(dāng)接收到一幀完整的數(shù)據(jù)時，首先進行CRC校驗，如果校驗錯誤則丟棄該幀數(shù)據(jù)。在校驗正確時，再判斷地址是否與本從站相符，如果不符也要丟棄該幀數(shù)據(jù)。接著再根據(jù)功能碼的定義調(diào)用相應(yīng)的功能碼處理函數(shù)，處理完成后組織應(yīng)答幀，并發(fā)送調(diào)用發(fā)送子程序的信號，其程序流程如圖4所示。

（3）發(fā)送子程序設(shè)計

在數(shù)據(jù)發(fā)送前，從站采集終端處于發(fā)送狀態(tài)，數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩存后，每次發(fā)送一個字節(jié)，當(dāng)發(fā)送緩存為空時，表示發(fā)送完畢。而在數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，還要使從站采集終端處于接收狀態(tài)，等待主站的命令。其程序流程如圖5所示。

4　結(jié)束語

Modbus通信協(xié)議由于其開放、簡單、實用、兼容性好而被廣泛應(yīng)用。本文對ModBus協(xié)議進行了較深入的研究，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了基于Modbus RTU協(xié)議的電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并對從站和主站的軟件設(shè)計進行了較詳細(xì)的討論。該系統(tǒng)具有適用性強、簡單、經(jīng)濟、易于維護等優(yōu)點。

［1］陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1999.

［2］顧海勤，楊奕，全毅，馬躍.基于MODBUS協(xié)議的智能儀表與PC機雙向通訊設(shè)計［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2013（12）: 33-35.

［3］龔建偉，熊光明. 串口通信編程實踐［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004.

傅啟國，男，控制理論與控制工程專業(yè)碩士研究生畢業(yè)，研究方向：電力自動化、嵌入式開發(fā)。