[摘　要]　根据RS-485串行总线特有的电气特性，针对电厂DCS系统与众多电气二次设备至今没有统一通信协议的现状，提出了基于MODBUS协议的通讯解决方案，同时通过微机励磁装置与DCS进行通讯的实际应用，验证了该方案的实用性，对于广大电厂设备设计人员来说具有一定的指导意义。图3幅。

[关键词]　通信协议　MODBUS　RS-485　总线微机励磁装置　DCS

1　引　言

随着电厂自动化的不断发展，对电厂二次设备的数据读取与操作也从就地、与中控室的硬接线接口演变到现在的DCS通讯接口。就二次设备来说，DCS通信方式可分为点对点通信和多点之间的通信。通信媒介有RS-232(仅适用于点对点通信)、RS-485／422、CAN网等，其中基于令牌机制实现多点通信的RS-485总线因其成本低廉成为广泛使用的通讯标准。

根据OSI提出的七层模型[1]，虽然基于RS-485串行总线的物理层得到了统一，但因为没有规范处于应用层的通信协议，导致各个设备厂家提供的接口程序五花八门，DCS厂家不得不提供多个RS-485接口与各个设备一一相连，不但造成了硬件资源的浪费，也影响了DCS的运行效率。比较好的方法就是各设备都采用标准协议进行数据通讯。ModBus通信协议[2]是一种广泛应用于工业上的开放式现场总线协议。此协议不需要特别的接口，典型的物理接口是RS-485。本文将通过Mod-Bus通信协议在微机励磁装置上的应用为例，介绍ModBus协议以及在微机励磁装置中的编程要点。

2　系统组态

RS-485采用双向、半双工平衡传输方式，通过一对双绞线即可完成传送／接收功能，最大传输距离可达1200m，其抗噪声、抗干扰能力优于单线接口。为避免总线信号冲突，任一时刻只允许一个发送，RS-485的传送／接收由串行口的RTS信号控制，因此，在各个结点上电时，需将RTS置为非激活状态(低)，以便该结点处于接收状态，当该结点需要发送时需将RTS置为激活(高)，这样作相应的控制便可避免2个结点同时发送[3]。

发电机励磁系统承担了调节发电机电压、保障发电机稳定满发的重要责任，对电力系统的暂态稳定、动态稳定和静态稳定起着重要的作用。电厂DCS系统与微机励磁系统的通讯互联对于提高励磁系统监控水平和机组自动化水平起到了重要的作用。本篇所论及的WLZ微机励磁装置含有2个互为热备用的PC104通道，上面都具备RS-485标准通讯端口。当发电机处于运行工况时，微机励磁装置的2个通道作为2个独立的从机分别连接到电厂DCS的RS-485总线上，并时刻处于监听状态，其硬件结构(见图1)。

3　系统解决方案

3．1　ModBus通信原理

ModBus是MODICON公司最先倡导的一种通信协议，经过许多公司的实际应用，逐渐被认可，成为一种应用于工业控制器上的标准通信协议，通过该协议，不同厂商生产的控制设备可以连接成工业网络，实现集散控制。ModBus通信采用主从方式，在同一个网络中有一个主设备及最多达255台从设备，从设备的地址编码为1～255。要完成通讯任务各设备需要知道它们自己的设备地址，包括由DCS主机控制网上的每一次通信。开始时所有从机复位处于监听状态，等待主机的呼叫。主设备发出数据请求消息，从设备根据主设备发出数据请求消息作出相应反应。ModBus消息和响应方式(见图2)。

1)查询：

查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能。数据段包含了从设备要执行功能的任何附加信息。错误检测域为从设备提供了—种验证消息内容是否正确的方法。

2)回应：

如果从设备产生一正常的回应，在回应消息中的功能代码是在查询消息中的功能代码的回应。数据段包括了从设备收集的数据。如果有错误发生，功能代码将被修改以用于指出回应消息是错误的，同时数据段包含了描述此错误信息的代码。错误检测域允许主设备确认消息内容是否可用。

3．2　微机励磁装置通信协议设计

WLZ微机励磁装置DCS串口通信协议遵循MobBus传输方式。根据实际需要，传输的数据类型分为浮点数和开关量。浮点数一般包括机端电压、定子电流、励磁电流、有功功率、无功功率、PID参数以及频率等；开关量包括灭磁开关分合闸、通道运行、限制器动作等。其报文方式如下：

4　通信程序设计

为进一步提高微机励磁装置对DCS系统的实时性响应，其数据通信波特率最高可设定为38400b／s，远高于现在常见的9600b/s。采用内部时钟为硬件中断源的异步中断技术的应用使得多重中断技术在WLZ微机励磁装置中得到实现。通信程序在设计上利用20ms硬件中断源启动通讯子程序，使得微机励磁装置从收到指令的第一个字节开始到发送相应数据控制在40ms以内，大大缩短了通信时间，其流程(见图3)。

图3　从机通信程序流程图

5　结束语

该方案现已在四川峨边西河水电站、马边河水电站、乐山顺水河水电站、尼泊尔Sunkoshi水电站等十几家电厂投入实际运行，与DCS系统配合良好。ModBus　RTU的传输效率是很高的，它的CRC冗余循环码校验对随机或突发差错造成的帧破坏有很好的检验效果，同时也简化了传统RS-485通信协议中的数据包格式由引导码、长度码、地址码、命令码、数据、校验码以及尾码组成的结构，每个数据包长度可达17个字节(FIFO)，提高了通讯效率。实际运行中数据传输稳定可靠，经验证在波特率为9600b／s的情况下，一次完整的数据上传(从DCS发送查询命令到励磁装置的通道应答再到下一条查询命令发出前)耗时大约在130ms左右，数据包传输错误率<1％。

需要注意的是在测试中可能发生无法通信的情况，绝大多数都是因为通信程序之间串口定义、波特率、数据位长度、通信引线有误造成的。只需更改对应的设置或仔细检查通信引线即可解决。

参考文献：

[1]　ISO7498．OpenSystemInterconnectionReferenceModel1983．

[2]　ModiconModbusProtocolReferenceGuide　1996．

[3]　张志良．单片机原理与控制技术[M].北京：机械工业出版社，2001．

郭嘉(1980-)，男，主要从事发电机励磁控制研究工作。

韩雪晶，男，主要从事发电机励磁控制研究工作。

商建峰，男，主要从事发电机励磁控制研究工作。

来源：小水电