Modbus RTU通信方式在龍口水電站通風(fēng)集控系統(tǒng)上的應(yīng)用

趙喜波

(黃河萬(wàn)家寨水利樞紐有限公司，山西 太原 030000)

龍口水電站位于黃河北干流托龍段尾部、山西省和內(nèi)蒙古自治區(qū)的交界地帶，左岸是山西省忻州市的偏關(guān)縣和河曲縣，右岸是內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市的準(zhǔn)格爾旗。龍口水電站為河床式，左岸布置電站廠房，右岸布置泄流建筑物。電站裝設(shè)的4臺(tái)單機(jī)容量100MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組用于晉蒙電網(wǎng)調(diào)峰，1臺(tái)單機(jī)容量20MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組用于非調(diào)峰期向河道泄放基流，小機(jī)組參與基荷運(yùn)行。電站以220kV電壓等級(jí)接入電力系統(tǒng)。電站按無(wú)人值班設(shè)計(jì)。

龍口水電站通風(fēng)集控系統(tǒng)整體采用Modbus RTU通信方式，主站采用PM583可編程控制器和CM574-RS通信模塊，子站采用PM571可編程控制器等部件，在相同波特率情況下Modbus RTU傳輸?shù)淖址芏容^高，開(kāi)發(fā)編程簡(jiǎn)單，方便現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)。

1 Modbus簡(jiǎn)述

Modbus由Modicon于1979年發(fā)明，是全球第一個(gè)真正用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總線協(xié)議，可使用ASCII或RTU兩種通信模式在標(biāo)準(zhǔn)Modbus上通信。ASCII模式通信時(shí)，信息幀的每一個(gè)字節(jié)用兩個(gè)字符標(biāo)識(shí)，而以RTU模式通信時(shí)，信息以8位二進(jìn)制方式傳送，這種方式的最大好處是在同等傳輸速率下，可以比ASCII傳輸模式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量更大，因此ASCII傳輸模式較RTU傳輸模式消耗的時(shí)間長(zhǎng)，存儲(chǔ)空間也較大。但ASCII模式的優(yōu)點(diǎn)則是容易讀取。綜合考慮，鑒于子站設(shè)備多且分散，電站采用Modbus RTU通信方式，有利于數(shù)據(jù)的傳輸，便于運(yùn)行人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工況數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視。在配置每臺(tái)控制器時(shí)，Modbus總線上的所有設(shè)備應(yīng)具有相同的通信模式和串行通信參數(shù)。

1.1 Modbus RTU模式

可編程控制器以RTU模式在Modbus總線上進(jìn)行通信時(shí)，信息中的每8位字節(jié)分成2個(gè)4位十六進(jìn)制的字符，該模式的主要優(yōu)點(diǎn)是在相同波特率下其傳輸?shù)淖址芏雀哂贏SCII模式，每個(gè)信息連續(xù)傳輸。Modbus RTU通信傳送的信息幀分為獨(dú)立的信息頭，發(fā)送的編碼數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)校驗(yàn)，RTU模式下信息幀見(jiàn)表1。

表1 Modbus RTU模式傳輸方式信息幀格式

RTU模式中有效的從機(jī)設(shè)備地址范圍為0～247(十進(jìn)制)，各從機(jī)設(shè)備的尋址范圍為1～247，主機(jī)把地址放入信息幀地址區(qū)，并向從機(jī)尋址，從機(jī)響應(yīng)時(shí)，把自己的地址放入響應(yīng)信息的地址區(qū)，讓主機(jī)識(shí)別已作出響應(yīng)的從機(jī)地址，地址0為主站地址，所有從機(jī)均能識(shí)別。

1.2 Modbus常用功能碼

現(xiàn)場(chǎng)主站與子站通過(guò)Modbus信息幀進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，Modbus主要的功能碼見(jiàn)表2，不同功能碼相互協(xié)作，完成主站子站之間信息傳輸與控制。

表2 Modbus常用功能碼

調(diào)試主站與子站通信時(shí)，需要提前對(duì)調(diào)試設(shè)備進(jìn)行遙控測(cè)試，現(xiàn)舉實(shí)例說(shuō)明：對(duì)AC500可編程控制器PLC地址%MX0.400.1的8個(gè)數(shù)據(jù)位進(jìn)行讀寫(xiě)操作，子站地址為03。

寫(xiě)1指令發(fā)送報(bào)文為：03 05 0C 81 ff 00。

返回報(bào)文：03 05 0C 81 FF 00 DE A0。

寫(xiě)0指令發(fā)送報(bào)文為：03 05 0C 81 00 00。

返回報(bào)文：03 05 0C 81 00 00 9F 50。

其中十六進(jìn)制地址810CH與AC500可編程控制器地址%MX0.400.1相對(duì)應(yīng)，通過(guò)指令測(cè)試可確定PLC設(shè)備通信鏈路是否正常。

2 通風(fēng)集控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及作用

通風(fēng)集控系統(tǒng)由通風(fēng)系統(tǒng)集中控制盤(pán)(主站)、現(xiàn)地控制單元(12個(gè)子站)及通信電纜組成，所有通風(fēng)系統(tǒng)控制裝置連成網(wǎng)絡(luò)后，由通風(fēng)系統(tǒng)集中控制盤(pán)接入監(jiān)控上位機(jī)，通信機(jī)用RS485接口通信，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

通風(fēng)集控系統(tǒng)主要控制電站各類(lèi)風(fēng)機(jī)(包括送風(fēng)機(jī)、消防排煙風(fēng)機(jī)、消防排二氧化碳風(fēng)機(jī))和防火閥，集控盤(pán)與站內(nèi)上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)通風(fēng)設(shè)備的監(jiān)視控制和信息存儲(chǔ)；火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)對(duì)子站通風(fēng)設(shè)備的聯(lián)動(dòng)控制，保證火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)能啟動(dòng)通風(fēng)設(shè)備，消防火災(zāi)聯(lián)動(dòng)控制柜采用多線控制以提高控制可靠性。

圖1 通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

通風(fēng)集控屏和現(xiàn)地控制箱采用AC500可編程控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)和防(排)煙閥的單機(jī)和成組控制，風(fēng)機(jī)及防(排)煙閥的連鎖控制，通過(guò)工業(yè)總線網(wǎng)接受指令，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程控制，并能監(jiān)視全廠風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

3 常見(jiàn)問(wèn)題及解決方法

3.1 集控屏PLC與所有子站PLC之間通信中斷

常見(jiàn)問(wèn)題：通風(fēng)集控系統(tǒng)站點(diǎn)分散，且現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行和調(diào)試難度較大。集控屏主站觸摸屏操作指令無(wú)法控制子站設(shè)備，主站與現(xiàn)地子站控制箱無(wú)法通信，在主站本體通信口可以下載和監(jiān)控程序，主站與子站通信無(wú)響應(yīng)，通信中斷。

解決辦法：通過(guò)反復(fù)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)通信中斷原因是集控屏PLC COM1口故障，不但不能和控制箱PLC通信，也不能和觸摸屏通信，由于通信口可以下載和監(jiān)控程序，且故障點(diǎn)在PLC底座上；由于子站控制箱PLC的底座型號(hào)和集控屏PLC底座型號(hào)一樣，且控制箱PLC只需要使用一個(gè)通信口，所以將子站控制箱PLC底座和集控屏PLC底座進(jìn)行互換，互換后集控屏PLC與控制箱PLC之間通信恢復(fù)正常。

3.2 主站控制器的通信模塊編譯錯(cuò)誤

常見(jiàn)問(wèn)題：集控側(cè)程序編譯報(bào)錯(cuò)，通信模塊庫(kù)文件丟失。

解決辦法：查找缺失對(duì)應(yīng)的庫(kù)文件，進(jìn)行添加，編譯通過(guò)。

3.3 子站控制器的通信異常

常見(jiàn)問(wèn)題：現(xiàn)地調(diào)試子站，子站與調(diào)試電腦通信正常，恢復(fù)接線后仍無(wú)法與主站取得聯(lián)系。

解決辦法：檢查硬件鏈路，由于RS485通信接入的通信防雷模塊故障，導(dǎo)致硬件通信鏈路故障，更換新通信防雷模塊后，通信恢復(fù)。

3.4 通信硬件鏈路問(wèn)題

常見(jiàn)問(wèn)題：因線路大部分采用兩線制接線方式以及屏蔽雙絞線，大部分廠家的接線端子標(biāo)識(shí)為A、B。但由于各廠家之間采用的規(guī)范有可能不統(tǒng)一，致使有的A是正極，有的B是正極，再加上第三方設(shè)備接線混亂，正負(fù)極經(jīng)常接反。

解決辦法：站線接好后，用萬(wàn)用表測(cè)量線間電壓，電壓一般為1～5V，無(wú)電壓值時(shí)無(wú)法通信。檢查線路和接線；測(cè)量電壓值，判斷正負(fù)后再接入主站設(shè)備對(duì)應(yīng)端子。

3.5 通信參數(shù)錯(cuò)誤配置

常見(jiàn)問(wèn)題：集控通信的子站較多，編程配置通信參數(shù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)站點(diǎn)ID重復(fù)或缺失的情況。

解決辦法：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備分布情況，合理配置各站點(diǎn)參數(shù)，梳理清楚串口參數(shù)，依次查看并記錄波特率、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、校驗(yàn)、停止位等參數(shù)。

3.6 傳輸信號(hào)干擾

常見(jiàn)問(wèn)題：電力設(shè)備場(chǎng)所電磁輻射源較多，存在信號(hào)衰減或者干擾現(xiàn)象。

解決辦法：將通信線電纜屏蔽層、控制盤(pán)柜接地銅排接入二次等電位接地網(wǎng)，降低干擾，或者重新敷設(shè)更好的屏蔽電纜。

3.7 通信響應(yīng)慢或無(wú)響應(yīng)

常見(jiàn)問(wèn)題：通信正常后，當(dāng)主站下發(fā)通信控制指令時(shí)，子站響應(yīng)較慢或無(wú)響應(yīng)。

解決辦法：主站查詢和控制的子站較多，主站通信模塊需要執(zhí)行全部站點(diǎn)信息，串口通信所需時(shí)間周期較長(zhǎng)，因此主站可編程控制器進(jìn)行邏輯位控制時(shí)，應(yīng)兼顧主站掃描周期和子站響應(yīng)時(shí)間。

3.8 主站控制子站設(shè)備與目標(biāo)不一致

常見(jiàn)問(wèn)題：集控通風(fēng)主站控制子站風(fēng)機(jī)或防火閥時(shí)，下發(fā)指令后反饋的結(jié)果不一致，而相鄰的子站設(shè)備誤動(dòng)作。

解決辦法：檢查主站Modbus定義地址，地址偏移會(huì)影響主站指令，造成錯(cuò)位控制。應(yīng)嚴(yán)格篩查子站地址中每一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)位，與主站定義要求一致，檢查數(shù)據(jù)格式是否正確。

3.9 子站控制設(shè)備動(dòng)作異常

常見(jiàn)問(wèn)題：主站與子站通信讀取數(shù)據(jù)正常，控制指令時(shí)子站發(fā)生設(shè)備誤動(dòng)或拒動(dòng)現(xiàn)象。

解決辦法：檢查子站PLC地址與現(xiàn)地設(shè)備是否一致，可在現(xiàn)地調(diào)試設(shè)備的單個(gè)輸出指令，并進(jìn)行驗(yàn)證。

4 結(jié) 語(yǔ)

利用基于Modbus RTU通信協(xié)議的通風(fēng)集控系統(tǒng)，既可實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的集中控制操作，又能與監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)進(jìn)行通信監(jiān)視，方便電站運(yùn)行人員操作監(jiān)視；各通風(fēng)子站又可與火災(zāi)消防系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，滿足火災(zāi)消防通風(fēng)的要求，提高了控制過(guò)程的自動(dòng)化程度，降低了設(shè)備維護(hù)的人工成本。