基于Forcecontrol配电监控系统的设计

摘要：针对配电网中结构复杂、位置分散、管理手段落后的问题，利用MODBUS通信协议和RS 485、RJ45接口等技术，结合现场总线控制理论，开发了一种基于Forcecontrol组态软件的低压配电智能监测系统。整个监控系统由控制室中工控机和光纤适配器组成，每个无人低压配电室由基于MODBUS—RTU通信协议的RS 485通信端口的智能控制器和光纤适配器组成。系统具有数据自动采集、动态数据和曲线显示、故障记录报警、实时通信等主要特点。
关键词：低压配电；远程监控；MODBUS通信协议；Forcecontrol

0 引言
    在生产企业中，由于低压配电室分布过于分散，使得配电室的维护非常不方便。本文针对河南某铝厂分散的低压配电室，设计了基于工业以太网的远程监控系统。在无人值守低压配电室中三相电压U、三相电流I、频率f、功率P、功率因数cosφ电度Ep、远程设备运行状态等数据通过带RS 485通信端口的智能控制器读取，利用MODBUS—RTU通信协议通过光缆向工控机中传送数据；在控制室中，通过工控机可以实现各种状态的报警，各种数据参数的监控，及绘制实时变化曲线和历史曲线。

1 配电监控系统
1．1 系统整体结构
    本系统主要是对17个配电室中的各种功耗参数(如电压、电流、功率等)进行测试并实现实时动态显示与处理。通信结构如图1所示，系统主要由两大部分组成，即硬件连接和软件平台。

    整个系统硬件包括H型智能控制器、串口服务器、光纤适配器、交换机、工控机。H型控制器采集数据，串口服务器是通过网络，用计算机来存取、管理和配置远程的设备，光纤适配器连接不同类型的光纤跳线接口，交换机是一种用于电信号转发的网络设备。它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路。在此串口通信系统中，计算机为上位机，H型智能控制器为下位机，二者之间的通信遵循MODBUSRTU协议。通信介质为双绞线，H型智能控制器作为RS 485通信网络的工作站节点，将采集的信号通过MODBUS协议转换为控制信号传送到上位机，实现对电量信号的监控；上位PC选用联想IdeaCentre工控机，监控软件选用的是国产软件ForceControl 6．0。总线结构安全、简洁，具有很高的可靠性和实用性。
1．2 系统功能的实现
    数据自动采集与检测：通过带RS 485通信端口的智能控制器来实现无人值班低压配电室的三相电压U、三相电流J、频率f、功率P、功率因数cosφ、电度Ep、远程设备运行状态等数据的采集和检测，再利用MODBUS—RTU通信协议通过光纤适配器后，通过光缆向工控机中传送实时数据。
    通信网络构成：在现场无人值班低压配电室，通过新配置的带MODBUS—RTU通信协议的RS 485通信口的智能控制器检测数据，再将多台各种型号的智能控制器中的数据统一通过光纤适配器后，经过光缆传送到中央监控室中的光纤适配器上，转化为RJ45接口连接到工控机上，从而实现各种实时数据的监控。
    动态显示：在控制室内，通过工控机经由光纤适配器通过光纤传送现场智能控制器中的各种参数数据，从而在显示器上动态显示各种参数的当前运行状态和实时动态数据，采用改变图形颜色和闪烁功能进行各种报警，并为操作人员提供决策信息。此外，操作人员的级别和代码，各种数据的实时曲线和历史曲线，各种日报表、周报表和月报表等都可以在上位机中实现。

2 串口通信的实现
2．1 MODBUS—RTU协议串口通信的实现
    MODBUS通信协议是由美国的MODBUS公司推出的开放式现场总线通信协议，其功能完善、使用简单、协议开放，正在成为仪表及智能终端的工业标准。该协议有RTU和ASCII两种传输方式，其中RTU模式的消息帧中8位数据包括两个4位16进制字符，相比ASCII模式，RTU模式表达相同信息需要较少位数，且相同通信速率下具有更大数据流量，本系统采用的串口通信即为RTU模式。
    依照MODBUS的格式，系统的通信双方为计算机和智能控制器，计算机即为通信规约中的“主站”，智能控制器即为“从站”。主站可根据从站的惟一的地址编号向从站发送请求信号，主站和从站之间通信的内容包括主站对从站的读取和写入。通信回路遵照主／从方式，在这种方式下，信息和数据在单个主站和从站之间传递。每个MODBUS数据包由从站地址、功能码、数据和错误校验4个部分组成。具体来讲，主站发送的数据帧包括从站地址、功能码、数据起始地址、数据大小和CRC校验码。MODBUS—RTU消息帧格式见表1。

2．2 通信指令字符串的处理
    由于MODBUS—RTU串口通信采用的均是十六进制的字符串类型，但是在发送控制指令的时候，指令仅仅是普通字符串类型，所以必须进行格式转换。但由于各种指令字符串的大小不同以及计算机对数值型字符串的识别大多以ASCII码的形式，所以不能视为简单的数据格式转换。在对通信指令字符串进行格式转换处理时，将字符串的长度除以4的余数作为条件判断分支，分别对余数为0、1、2和3四种分支情况作了单独的转换处理。这样，输入带校验码的普通型字符串，而输出则变为带校验码的十六进制字符串，可直接进行串口通信。

3 监测系统软件实现
3．1 系统软件组成
    监测系统的软件主要由用户面板和程序框图两大部分组成。其中，用户面板是面向用户的操作面板，用于对电机功耗参数的动态显示功能，并允许用户进行一些交互操作。
    工控机服务器运行Windows Server，系统数据库采用SQL Server 7．0，负责远方数据的采集和充当数据服务器的作用，管理员工作站和工程师工作站运行Windows XP。工控机服务器在采集和保存实时数据的同时，还作为各个工作站的数据源。
    支撑软件：配置专业网络版组态软件ForceControl6．0。
    应用软件：即基于组态软件ForceControl 6．0开发出来的低压配电计算机监控与管理系统，具有良好的Windows人机交互界面，包括以下部分：
    软件配置：在软件运行后，进入系统配置画面，操作员按屏幕提示进行系统配置后进入装置模拟屏画面。
    装置模拟：画面中的图标在开路时与通电时设置为不同的颜色，以此进行模拟。
    主要完成功能：登陆、注销、退出、主接线图、远程监控、历史数据、操作记录、安全设置等。通过这些系统与低压配电装置等现场设备的配合，使成套供电、配电、用电系统能够在本机、上位机环境、负载等对象中交换各种信息，通过网络实现状态检测、信息回馈、综合判断、发出命令及操作等，从而提高整个配电系统的可靠性。可以说这是以现场总线控制技术为核心的自动化技术与配电技术的结合。
3．2 系统的控制面板
    系统的用户面板如图2所示。面板上有17个配电室，分别为一分解槽、二分解槽、分解一、分解二、焙烧、蒸发一、蒸发二、原料一、原料二、动力一、动力二、溶出一、溶出二、空压站、沉降一、沉降二、高效沉降配电室。并有用户登录、用户注销、修改密码、用户管理等控制按钮。

4 结论
    系统主控计算机在控制室内通过通信光缆对成套装置的电气元件进行操作，系统还实现信息资源查询、故障记录、日记报表以及对电网管理、成本分析、电网质量和符合分析等，提高了效率。该项目目前已经通过验收。