张国骞,何　明，张　玮

(天津工业自动化仪表研究所有限公司，天津 300060)



Modbus-RTU在取水泵站监控系统中的应用

张国骞,何明，张玮

(天津工业自动化仪表研究所有限公司，天津 300060)

系统采用倍福PLC控制器对现场设备进行监控，并采用Modbus_RTU协议采集清污机、闸板门、旋转滤网、综保装置等设备的开关状态和工作电流，分别上传至操作员站和工程师站的上位机KingSCADA系统，同时兼备Modbus通信失败报警功能。上位机接收到PLC采集的数据并显示到监控系统画面，同时还将重要的监控数据传至主厂区DCS系统。由于泵站与主厂区距离较远，光缆铺设成本大且难维护，故采用基于GPRS的DTU点对点设备并利用Modbus_RTU进行485通信。

监控系统；Modbus_RTU； DTU；485通信

引用格式：张国骞,何明，张玮. Modbus-RTU在取水泵站监控系统中的应用[J].微型机与应用，2016,35(18)：72-73,84.

0　引言

取水泵站作为主厂区的备用水源，设有6 kV变电站高低压配电系统、水泵机组及控制测量设备、直流系统及电气保护设备等，并在中控室设置一套计算机监控系统对泵站重要设备进行实时监控和运行管理。监控系统采用计算机与PLC相结合的方式，并采用主控层和现场控制单元的分布式结构。主控层以工作站为监控中枢，现场控制单元设有水泵机组现地控制单元LCU、配电设备现地控制单元LCU。

计算机监控系统所监测设备的信号类型可分为远程I/O信号、4～20 mA信号和RS485信号。监控系统在对以上信号进行监控的同时，还通过无线DTU与主厂区DCS系统进行点对点通信，故可在主厂区也可对泵站设备进行监控。

1　系统方案

系统采用分布式结构[1]，主控层设有操作员站和工程师站各一台，并配有KingSCADA组态软件，便于现场运行人员观察现场设备运行状况，且便于开发人员对组态画面进行修改；现场控制单元由主控柜、高低压柜、1#电机柜、2#电机柜组成，并采用德国倍福控制器对现场设备进行监视和控制，监控范围包括：泵组、阀门、电流表、电压表、多功能表、综保装置、清污机、旋转滤网、闸门等。主控柜与各分控站通过倍福光纤接口端子模块连接起来，主控柜CPU模块有4个百兆网口可与两台工作站通过工业以太网相连接，并采用OPC方式进行数据通信。系统配置图如图1所示。

2　Modbus_RTU通信

Modbus_RTU是一种依托于RS485接口的通信协议，采用主从原则的应答机制进行通信，只设一个主站，最多可设247个子站。通信开始时，首先由主站向从站发送报文[2]，报文帧中包含从站的站号、进行读或写操作的功能码、寄存器的起始地址、进行操作的字节长度和CRC校验码。相应的子站接收到报文后经校验无误后向主站返回所需数据的报文，返回的报文帧包含从站的站号、功能码、寄存器的起始地址、进行操作的字节长度和CRC校验码。主站接收到返回的报文后进行校验，如无误则此次通信成功。

图1　系统配置图

2.1现场设备485通信

现场需要进行485通信的设备包括综保装置(2台)、电压表(2台)、多功能表(4台)、旋转滤网(2台)、清污机(2台)、闸门(2台)。考虑到监控数据的实时性，因此不采用一条总线连接所有设备的方式。各现场分控站均配有485通信模块，每个485通信模块负责某一种类型的设备的通信。同一类型的设备串在同一条485总线上，在程序中采用轮询方式与总线上的各个设备进行通信。485通信示意图如图2所示。

图2　485通信示意图

由于倍福控制器自带Modbus功能块CRC校验的高低字节存储顺序与某些设备所支持的CRC校验的高低字节存储顺序正好相反，故采用自由口发送报文并延时接收报文的方式进行通信。以多功能表的通信为例，首先为4块多功能表确定站号(1～4)，然后以500 ms为周期，依次向4块多功能表发送报文，随即等待接收多功能表返回的报文，并将接收到的报文存入相应的数组。由于数组中接收到的数据具有保持性，因此当出现通信失败的情况时，容易误导现场运行人员。故在每次对相应从站发送报文时，均对储存接收报文的数组的前两个字节进行清零，即表示返回数据站号和功能码的两个字节，然后在完成接收程序后比较站号和功能码，如为零则通信失败；如站号和功能码正确则通信正常。另外，对接收到的数据进行CRC校验，如与接收到的CRC校验不一致则舍弃此组数据。程序流程图如图3所示。

图3　程序流程图

2.2主厂区485通信

图4　无线网络示意图

本取水泵站距离主厂区约5 km，其间有农田、沟渠、公路等障碍，如采用光缆的方式进行通信，则铺设和维护成本较大，且有一定难度，故采用基于GPRS的无线点对点通信设备——DTU进行通信。此种通信方式需要两台DTU设备分别安装于取水泵站和主厂区，还需要一台能够连接Internet的计算机来连接两台DTU设备，除此之外还需要两张开通GPRS功能的SIM卡。无线网络示意图如图4所示。

DTU能通过基站将数据发送至Internet，但如果要使两台设备建立连接，则需要在具备Internet连接的计算机上运行虚拟串口软件，用来连接两台DTU。简单来说，即用能够连接Internet的虚拟串口软件传递两台DTU之间发送和接收的数据。另外，为保证主厂区与泵站监控系统之间的485通信不占用过多的控制器资源，采用主厂区DCS系统直接从上位机获取数据的方式。在上位机KingSCADA系统中单独建立server链路(Modbus_RTU协议)，对应端口为工程师站计算机串口1，并将此串口用232-485转换器与DTU相连，泵站计算机监控系统便可以与主厂区DCS系统收发报文了。

3　结论

本取水泵站监控系统既能对泵组设备进行监控，又能利用Modbus_RTU对子设备进行监控，并兼备485通信失败的报警功能。不仅如此，基于Modbus_RTU的无线DTU点对点通信方式成功替代了光纤通信，既节约了成本，又利于后期的维护。

[1] 王义,何伟,李华兴.Modbus-RTU协议在煤矿井下变电所监控系统中的应用[J].煤矿机电,2012(1):102-104.

[2] 王兆华,孟文,王文玺.Modbus协议在变电站监控组态软件中的实现[J].自动化与仪表,2007，22(3):46-50.

The application of Modbus-RTU in the monitor system of water pumping station

Zhang Guoqian,He Ming,Zhang Wei

(Tianjin Institute for Process Industrial Automation & Instrumentation Co., LTD., Tianjin 300060, China)

This system adopts the PLC controller of Beckhoff to monitor the site equipment, and uses the Modbus_RTU protocol to collect the switch status and working current of the equipment,such as the removal machine, the sluice gate, the rotary sieve,and the composite protection device.They are uploaded to the upper computer KingSCADA system of the operator station and the engineer station. At the same time, this system has Modbus communication failure alarm function. The upper computer receives the data from the PLC and displays the data on the screen of the monitoring system,and then sends the important monitoring data to DCS system of the primary area. Because the pumping station is far away from the primary area, the cost of cable laying is large and it’s difficult to maintain,we adopt DTU point-to-point equipment based on GPRS and Modbus_RTU protocol to achieve 485 communication.

monitoring and control system; Modbus_RTU; DTU; 485 communication

TP277

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.18.021

2016-04-29)

张国骞(1988-)，男，硕士，初级工程师，主要研究方向：水处理自动监控系统。

何明(1987-)，男，本科，助理工程师，主要研究方向：水处理自动监控系统。

张玮(1987-)，男，专科，初级工程师，主要研究方向：水处理自动监控系统。