【摘要】為某動模實驗室改造提出了基于Modbus協議的數字化監測和數據采集系統SCADA（Su鄄pervisoryControlandDataAcquisition）的構建。整個系統以SLC/505PLC為核心，以支持Modbus協議的PM170儀表作為測量單元，再通過Ethernet將數據傳送給作為人機界面的GP觸摸屏。改造完成后近一年的實際運行表明，整個監控系統是穩定、可靠、高效的，完全能夠滿足教學與科研的需要。

　　作為實際大電力系統的物理模擬，動態模擬實驗室不僅要符合實際電力系統的多種正常運行方式，而且要模擬電力系統的各種故障方式;不僅要為科學研究提供準確詳盡的測量數據，而且要保證各種試驗設備始終運行在允許狀態下。這些都對電力系統動態模擬實驗室的監測和控制系統提出了較高的要求。

　　本文介紹一個用于監控整個動模系統的SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisition）系統，監控系統的構建以Prosoft公司的3150-MCM數據采集模塊和ABB公司的PM170系列測量表計組成Modbus網絡對系統的運行參數進行測量和采集，數據經過AB公司的SLC/505PLC的處理和計算，再通過Ethernet發送給作為上位機的GP觸摸屏。

　　1、Modbus協議簡介

　　Modbus協議是Modicon公司開發的一種工業通信和分布式控制系統協議。Modbus網絡屬于一種主從網絡，允許一個主機和一個或多個從機通信。它采用命令/應答方式，每種命令報文都對應著一種應答報文。命令報文由主機發出，當從機收到發給自己的報文后，就發出相應的應答報文進行響應。網絡中的每個從機都必須分配給一個唯一的地址，主機發出的命令中含有要求訪問的從機地址，只有具有該地址的從機才會對該命令響應。

　　在Modbus協議中使用RTU和ASCII兩種傳輸模式。RTU模式的傳輸格式是8個數據位，2個停止位，沒有奇偶校驗位。RTU接收設備依靠接收字符間經過的時間判斷一幀的開始，如果經過3個半的字符時間后仍然沒有新的字符或者沒有完成幀，接收設備就會放棄該幀，并設下一個字符為新一幀的開始。在RTU模式中，1字節的信息作為一個8位字符被發送;而在ASCII模式中則作為兩個ASCII字符被發送。如“08”發送時，采用RTU模式時為“00001000”，然而采用了ASCII模式則成為“00110000”+“00111000”（ASCII字符的“0”和“8”）。因此，發送同樣的數據時，RTU模式的效率大約為ASCII模式的兩倍，一般采用RTU模式。

　　2、3150-MCMModbus通信模塊簡介

　　3150-MCM通信模塊是Prosoft公司為了配合Allen-Bradley公司的SLC500系列PLC生產的一塊Modbus通信卡，它有兩個串口，每個串口都可支持RS-232，RS-422，RS-485通信協議（通過模塊上的跳線來選擇）。模塊的兩個串口可以配置為兩個都為Master，或兩個都為Slave;或者一個為Master、另一個為Slave。

　　在本應用中都作為Master使用。3150-MCM通信模塊的功能是比較強大的。它內部有多達100條的命令列表。每條命令，從裝置地址、內部尋址的首地址和要求訪問的字節數都是可以配置的，以形成符合Modbus協議的命令報文。模塊內部有多達4000個16位存貯器，可以用來存貯數據并且與PLC的CPU單元交換數據。在通信出錯時，模塊可以產生錯誤代碼并返回給PLC以便進行出錯處理。Modbus協議的命令比較多，3150-MCM模塊并沒有支持其中的所有命令，而只是選擇實現了其中最主要的命令，對于一般的工程應用而言，這些命令已經足夠了。

　　3150-MCM模塊安裝在PLC的機架上，通過背板與CPU單元通信。由于SLC并沒有真正的塊通信功能，所以利用I/Otable控制模塊和CPU之間的握手，并使用M0/M1文件傳輸數據。模塊通信部分的結構圖如圖1所示。

　　在上電之后，模塊先進行初始化，接著會不斷向CPU單元發出要求得到配置數據的請求，直到得到含有配置數據的數據塊為止。之后，模塊就進入正常的工作過程，具體包括對兩個串口的通信進行管理以及和CPU單元交換信息。

　　從數據流的情況來看，模塊相當于PLC與外部設備之間的中間層。它一方面通過Modbus網絡與外部設備通信，另一方面使用M0/M1文件與CPU單元進行通信，如圖2所示。

　　3、PM170系列電力計量儀表簡介

　　ABB公司的PM170系列電力計量儀表是ABB公司生產的適應電力工業發展的新一代測量儀表。它接線簡單靈活，不再需要直流變送器，直接與TV，TA連線即可。它內部裝有微處理器，通過測量計算可得到三相電壓、電流、有功、無功、功率因數、頻率和不平衡電流等多個電氣量。同時它還有比較強大的通信功能：在物理接口上支持RS-232，RS-422和RS-485三種通信接口;在通信協議上它支持ASCII，Modbus和DNPV3.00多種協議。

　　在本應用中即利用它強大的測量功能和支持Modbus通信協議的特性，作為系統的終端測量裝置。在本應用中電氣測量部分的接線方式采用4線Y型接線方式，如圖3所示。通信部分的連線方式采用RS-422Multidrop方式，如圖4所示。在接收線路的末端分別有兩個終端電阻RT1和RT2，這是為了消除信號在線路末端的反射，提高信號的傳輸質量。終端電阻的參數為150～500歐，0.25W。

　　4、動模系統基本情況

　　模擬機組的接線如圖5所示。

　　圖5中的G1～G4是4臺機組機端的4個測量點，L1～L4是2條輸電線路首末兩端的4個測量點，FH1～FH6是6個負荷支路的測量點，W1是無窮大電源處的測量點。每個測量點處都安裝有TV和TA，并接入PM170表計。

　　動模系統共有模擬機組8套，無窮大電源2套，220kV模擬輸電線路及互感式模擬線路5000km，500kV模擬輸電線路1250km，形成兩個拓撲結構相同的電力系統，每個系統各含有4臺機組，一個無窮大電源，升、降壓變壓器、負荷及輸電線路。

　　5、監控系統的構成

　　監控系統的結構圖如圖6所示。

　　每個系統的15個PM170表計與3150-MCM模塊中的1個串口構成1個Modbus網絡，這樣可以平衡網絡的負載。在Modbus網絡中，通信模塊上的串口配置為主裝置，而PM170表計則作為從裝置。PM170表計之間采用Multidrop連接方式。

　　系統的工作過程如下：3150-MCM模塊根據配置好的命令列表對PM170表計進行輪詢，采集到系統的運行參數后再通過M0/M1文件與PLC的CPU單元進行數據交換，在通過Ethernet收到GP觸摸屏的查詢命令后，將計算處理過的數據經過Ethernet返回給GP觸摸屏顯示。

　　在系統最初設計的時候，采用的是3150-MCM模塊對兩個Modbus網絡中的30個PM170表計全部依次輪詢的方法，監控系統對于系統運行狀態變化的響應比較緩慢。因此，在系統中加入一項功能，即使用者可以通過觸摸屏對SLC/505發出指令，指定3150-MCM模塊輪詢某幾個表計而不是全部。這樣做大大加快了系統的響應時間，完全達到了實時監控系統的要求。