基于Modbus通訊協議的Rs-485總線在配電自動化控制系統中的應用(05-100)

摘要：本文介紹了基于Modbus通訊協議的Rs-485總線在配電控制系統中的整體結構，并且重點闡述了Rs-485總線現場智能節點（以正泰電器股份公司生產的NST1-H型智能控制器為例）的硬件電路實現及軟件流程設計的方法。

關鍵詞：Modbus協議；Rs-485總線；智能控制器 
  
引言 

隨著輸配電自動化程度越來越高，傳統的輸配電操作和控制方式已不再適應當今的發展要求，自動化控制系統得到越來越多的運用。RS-485因硬件設計簡單、控制方便、成本低廉等優點廣泛應用于工廠自動化、工業控制等領域。因此針對當前輸配電行業的設備現狀和發展需要，本文將介紹一種基于MODBUS通訊協議的Rs-485總線技術進行通信的智能斷路器控制系統。
 
控制系統整體結構 

基于Rs-485總線的配電自動化控制系統由智能斷路器、監控計算機和Rs-485控制網絡3部分構成。
 
智能斷路器是直接面向運行現場的智能節點，其核心控制器件智能控制器，主要功能是采集現場電流、電壓、頻率及功率因素等數值，按照一定的控算方法對配電控制回路的斷路器進行控制操作；將現場檢測到的電流、電壓、斷路器分合閘狀態等信息通過Rs-485總線通信網絡傳送至監控機，并實時處理監控機下傳的遙控分/合閘等各種命令。 

監控計算機的主要功能是對現場智能節點的運行參數進行實時檢測，獲得現場運行數據，監測系統狀態異常，并根據故障信息發出相應的報警信號；以友好的圖形界面直觀指示當前各智能斷路器的運行狀況及參數信息；實現故障記錄管理，并實現遠程控制智能斷路器分/合閘功能。
 
Rs-485控制網絡部分主要由Rs-485通信接口、通信介質、接口電路、Modbus通訊協議及相應的通信軟件組成。Rs-485通信接口實現智能節點與監控計算機之間的串行連接；Modbus通訊協議制定了消息域格局和內容的公共格式，為智能節點與監控計算機之間提供通信規約；通信介質為雙絞線，負載連接在A、B線之間。
 
現場智能節點設計 

為了深入說明Rs-485總線接口在輸配電自動化系統中的應用，本文以浙江正泰電器股份公司生產的NST1-H智能控制器為例，簡要介紹該智能控制器的總體設計，并給出實現Rs-485通信的硬件電路和軟件流程圖。 

現場智能節點總體結構 

如前所述，智能控制器在自動控制系統中需完成現場數據采集和處理、控制器各執行器件的控制及與遠程監控計算機之間的通信等主要工作，因此智能控制器的設計是整個系統的關鍵部分。其結構框圖如圖1所示。

 

考慮到可靠性、性價比等因素，智能控制器CPU采用三菱系列單片機M30201。智能控制器設計采用結構化設計方法，包括四大部分：RS-485通信接口電路部分、電源管理部分、信號輸出執行部分、I/O接口部分。其中I/O接口部分包括現場數據采集、鍵盤輸入與顯示和執行器的控制信號輸出等工作。下面簡要介紹RS-485通信接口電路的硬件實現。 

智能控制器Rs-485接口電路設計 

在某些工業控制領域，由于現場情況十分復雜，各個節點之間存在很高的共模電壓。雖然Rs-485接口采用的是差分傳輸方式，具有一定的抗共模干擾的能力，但當共模電壓超過Rs-485接收器的極限接收電壓，即大于+12V或小于－7V時，接收器就無法正常工作，嚴重時甚至會燒毀芯片和儀器設備。為消除此問題，增強智能控制器在通信中的抗干擾能力，本設計采用二次集成芯片MAX1480進行信號隔離，接口電路如圖2所示。