基于Modbus的EPS應急電源監控系統的研究

時間:2019-07-17 10:53       來源: 霓虹新聞站

引言

随着環保和消防要求的提高,柴油發電機逐漸失去優勢,而由于逆變技術的成熟發展。新型無公害、高可靠性、動力型的大型應急電源EPS(EmergencyPowerSupply)逐步成為代替柴油發電機組的綠色電源,目前已經在建築領域得到大面積推廣。同時,随着微處理器、計算機和數字通信技術的飛速發展,計算機控制已經擴展到了幾乎所有的工業領域。将所有的功能集成于統一開放的平台上,通過人機界面可以使複雜的控制和數據處理變得更加簡單。

1 監控系統設計

美國電子工業協會(EIA)制定的RS485标準作為一種多點差分數據傳輸的電氣規範,現已成為業界應用最為廣泛的标準通信接口之一。這種通信接口允許在簡單的一對雙絞線上進行多點、雙向通信。平衡發送、平衡接收,具有傳輸距離遠、通信速率高、抗幹擾能力強、軟硬件支持豐富與現場儀表接口簡單、易于實現和擴展等特點。接口總線上可連接32個設備,加中繼器後最多可達255個設備。因此,許多領域都采用RS485作為數據傳輸鍊路,例如汽車電子、電信設備、局域網、蜂窩基站、工業控制儀器儀表等。本系統采用一台PC作為上位機,下位機由若幹台P89C51單片機擔任,監控系統結構圖如圖1所示。

圖1 監控系統結構圖

上位機的RS232串行口通過RS232/RS485轉換器轉換為RS485總線,各下位機通過MAX485芯片連接到總線上。各個下位機設有自己惟一的地址,且下位機之間不能通信,一切通信受上位機控制。開始時,所有下位機都處于監聽狀态,等待上位機發出指令。當上位機發出指令時,所有下位機都接收并且将其中的地址幀與自己的地址比較,如果相同則繼續接收後面的指令或數據,若不同則不予理睬。

2 Modbus通信協議

Modbus協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議,控制器相互之間、控制器經由網絡和其他設備之間可以通信。他已經成為一通用工業标準,不同廠商生産的控制設備利用其可以連成工業網絡,進行集中監控。

Modbus協議定義了消息域格式和内容的公共格式,如表1和表2所示,使控制器能認識和使用消息結構,而無需考慮通信網絡的拓撲結構。他描述了一個控制器訪問其他設備的過程,當采用Modbus協議通信時,此協議規定每個控制器需要知道自己的設備地址,識别按地址發來的消息,如何響應來自其他設備的請求,如何偵測錯誤并記錄。

系統通信采用主從技術,即隻有主設備能發出查詢,從設備響應消息。主設備可單獨和從設備通信,從設備返回一個消息。如果采用廣播方式(地址為零)查詢,從設備不作任何回應。



3 軟件設計

本系統上位機軟件采用VC6.0開發,操作系統為WindowsXP,上位機向串口讀寫數據,通過485總線将控制信息送到現場的每台EPS設備,就可以監控網絡上任何一台EPS設備,同時現場采集到的電壓、電流等信号實時顯示在上位機的界面上。

(1)人機界面子程序

包括實時信息動态更新及數字顯示,異常判斷及報警聲音提示。

(2)串口通信子程序

在WindowsXP中将串行口和文件的操作統一起來。對他們打開、讀、寫、關閉等操作都使用相同的API函數,但是又是有區别的,比如串行口不能像文件一樣被删除,這些差别體現在API函數中部分的參數設置上。在VC中設計串行通信程序時要用到一些通信的API函數,如CreateFile(),CloseHandle(),ReadFile(),WriteFile(),SetupComm(),WaitCommEvent()等。除上述幾個函數外,還要經常用到一個重要的記錄DCB(設備控制塊)。DCB中記錄有可定義的串行口參數,設置串行口參數時必須先用GetCommState函數将系統默認值填入DCB控制塊,然後才可把用戶想改變的自定義值設定。

PC機串行通信從調用CreateFile()函數開始,接着設置串行口波特率、數據位、校驗位、停止位等參數和超時參數,最後選擇一種工作方式來讀寫串行口。在Windows環境下,串行通信有4種方式可供選擇:查詢方式、同步I/O、異步I/O和事件驅動方式。這幾種方式各有自己的優缺點:

①查詢方式比較直接,但要占用大量的CPU時間;

②同步I/O方式直到讀取指定的字節數或超時的時候才返回,這樣很容易長時間地阻塞線程;

③異步I/O可以在後台讀寫數據,而在前台做其他的事情;

④事件驅動方式是由Windows通知應用程序某些事件什麼時候發生,然後根據所發生的事情來對串口進行操作。

在監測系統中,由于事件的偶然性和要求傳送的實時性,計算機常采用事件驅動I/O方式來進行現場監測。事件驅動I/O方式是指線程通過監視通信資源中的一組事件來進行I/O操作,這種方式類似于MSDOS下的中斷方式,效率比較高。在實際項目應用和開發過程中,大多用的這種工作方式來實現PC機和下位機的通信。

上位機部分通信程序的實現過程如下:


4 系統抗幹擾問題

實時監控系統在工業中的應用越來越多,由于現場的電氣環境比較複雜,容易形成各種幹擾源,特别是在較惡劣的工業環境中,因此研究解決系統抗幹擾問題對确保系統的穩定運行非常重要。RS485本身具有較強的抗電磁幹擾能力,但實際應用中仍然會出現一些問題,為此應注意以下幾個方面:

(1)RS485支持半雙工或全雙工模式網絡拓撲,一般采用終端匹配的總線型結構,不支持環形或星型網絡。最好采用一條總線将各個節點串接起來,從總線到每個節點的引出線長度應盡量短,以便使引出線中的反射信号對總線信号的影響最低。

(2)采用雙絞線作為RS485傳輸線時,雖然對電磁感應噪聲有較強的抑制能力,但對靜電感應引起噪聲的抑制能力較差,因此應選用帶屏蔽的雙絞線,同時雙絞線的屏蔽層要正确接地。

(3)通過在總線兩端A,B加入匹配電阻的方法,解決信号反射問題。

(4)對于RS485網絡,合理的接地系統對系統的可靠性很重要。基于共模幹擾和EMI問題,選擇集中供電方式,可基本消除各處參考電位不等的情況。

(5)在切換大功率感性負載、閃電等過程中,都會産生幅度很高的瞬态幹擾,如果不加以适當防護就會損壞接口。對于這種瞬态幹擾可以采用隔離或旁路的方法加以防護。

結束語

本文提出的主從分布式多機通信系統硬件電路簡單、控制靈活。用VC語言實現上位機數據傳送的優點是可有效地實現通信的底層控制。由于RS485總線通信方式仍屬于串行通信方式,通信速度偏低,若要提高通信速度,還需對控制系統做進一步的改進。

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