基于RS-485的施耐德PLC與智能儀表串行通訊

（廣東省東莞市東江水務有限公司，東莞 523000）

0 引言

傳統PLC與設備之間一般是采用硬接線接入I/O方式進行數據采集，隨著科技水平的進步與發展，現場設備更加智能化，尤其是高壓電力方面的比如微機綜保已經非常智能化，它們的儀表一般都標配通訊端口，采用MODBUS通訊協議的通訊端口是應用比較普遍的一種，它已成為通用工業標準，它組網簡單，價格低廉。ModBus網絡是一個工業通信系統，系統結構既包括硬件、亦包括軟件，廣泛應用于各種數據采集和過程監控。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通訊來實現上位機對綜保柜儀表數據的采集，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串行協議

MODBUS協議通訊一般采用一主多從方式，從設備對于主控制器的廣播查詢，從設備返回的內容不僅包括設備地址，而且也包括請求功能代碼，發送數據，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內的整數，0為廣播地址，MODBUS命令碼可以從1～255內的整數值。功能碼：對應讀取模擬量為03或16，對應讀取開關量一般采用01或02，如表2所示。對應于施耐德PLC中的MODBUS數據結構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PLC中含有數字量，模擬量，輸入輸出的設備，按照不同的Modbus功能代碼訪問每個獨立的數據塊[2]。起始地址：數據在通訊設備寄存器地址定義，由廠家提供點表。數據格式：在寄存器中為一個無符號16位數。

本項目中1號、5號機組綜保儀表通過查詢說明書數據采集發送報文：例如：I1相電流發送報文：01 03 0113 0001 7433其中01是設備地址，需查看sepam40設置的通信地址：03是功能碼，讀多個寄存器數據，0113是要讀取寄存器起始地址，0001是讀取的字數為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通訊協議常用功能代碼[2]

2 PLC系統網絡結構及硬件連接設計

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）組成通訊網絡，PLC硬件是昆騰140系列的11303型CPU，其面板帶1個標準RS-232C型串口，綜保儀表端均采用標準485協議的端子輸出。PLC與儀表間采用485屏蔽雙絞線連接。

圖1 通訊網絡結構示意圖

3 PLC通訊協議設計及程序編寫

昆騰140 PLC編程軟件利用XXMIT功能塊命令的讀取功能實現與儀表進行485通訊，其中設置的命令字為16#2100。MSGOUT是一個數組，其中的每一個字設置對應了儀表端MODBUS消息幀格式。也即：MSGOUT[1]讀功能碼設置為3，MSGOUT[2]：讀取或者寫入的數據的數量；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輸入的傳入消息數據，為參數分配的數據類型必須與要執行的數據類型相匹配，即該數據類型要與MSGOUT字段的數據類型保持一致。

為了實現系統的可擴展性，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，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，且只有當此綜保儀表拿到令牌時才能開始通信,本項目程序設計時根據接收成功標志位Dir_dn來執行輪詢程序，即當一個從站執行讀取成功后標志位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據，依次類推完成從站的數據采集。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Dir_re脈沖數計數到5時，或者Dir_dn讀取完成或讀取故障時將Dir_read_dn置1進行下一個站發送令牌，程序41～46段是從站接到令牌后相應的對從站地址和主站目標字起始地址進行更改，程序49～54段是產生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位數據，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時為低位數據，但是如果高位有溢出，即：高位置1時必須經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響應速度很慢，可以適當調整脈沖寬度dir_start，以保證在Time out和Retry Limit范圍之內通信成功。通訊正常時，Active跟start狀態一致的為脈沖激活標志，XXMIT在處理時顯示標志1，Done是完成標志，當成功完成一次通訊過程時，會有一個輸出脈沖（其狀態滯后于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據，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控軟件是RSVIEW32利用第三方KEPSERVER OPC通訊讀取PLC寄存器中的數據實現最終的界面顯示,目前完成了對上位機監控畫面重新設計，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，同時也預留了3號機及6號機的數據顯示畫面。

5 結束語

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采集到上位機上顯示，極大方便了數據集中管理以及后續能源管理系統建設，為后續的對3號泵，6號泵的技術改造打下良好基礎，但是也存在一些不足：比如目前的通訊網絡結構是手牽手模式，如果1號泵的ACE949通訊模塊故障，它的下游鏈路就會故障，導致無法采集數據，因此目前只做成數據采集，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分散監控，提高運行的穩定性和安全性。