杜 崗 姜 偉 于 紅

(1. 連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇連云港 222000； 2. 水利部海委海河下游管理局屈家店樞紐管理處 天津 300000；3. 徐州理工計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究所 江蘇徐州 221000)

屈家店水利樞紐綜合測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜 崗1姜 偉2于 紅3

(1. 連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇連云港 222000； 2. 水利部海委海河下游管理局屈家店樞紐管理處 天津 300000；3. 徐州理工計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究所 江蘇徐州 221000)

針對天津市屈家店水利樞紐工程的實(shí)際情況和水位、電量綜合測量系統(tǒng)的具體需求，利用浮子式水位傳感器和智能儀表實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)的采集，同時(shí)，將現(xiàn)地各LCU單元通過光纖和交換機(jī)搭建以太環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測。重點(diǎn)介紹了針對變電所智能儀表的MODBUS數(shù)據(jù)采集過程，通過對TSX SCP114通信卡的通信機(jī)理、接線方式的深入研究、通信參數(shù)的合理設(shè)置及通信函數(shù)的正確選用，大大提高了系統(tǒng)的通信性能。

水位測量； PLC； MODBUS

0 引言

屈家店樞紐位于天津市北辰區(qū)，地處天津市北系防洪圈，是永定河、北運(yùn)河尾閭匯合后的控制性工程。樞紐包括：北運(yùn)河節(jié)制閘、新引河進(jìn)洪閘和永定新河進(jìn)洪閘。為應(yīng)對2012年“7.21”和“7.25”強(qiáng)降雨影響，各閘緊急開啟泄洪，在長時(shí)間、大流量的泄水沖擊下，原有的投入式壓力水位傳感器、測量輔助設(shè)施及測量線路等損毀嚴(yán)重，水位測量系統(tǒng)陷入崩潰。為便于及時(shí)掌握水情，保障防汛工作安全、正常開展，決定立刻對原有水位測量系統(tǒng)進(jìn)行重(改)建。同時(shí)將新擴(kuò)建變電所納入監(jiān)控系統(tǒng)中，要求實(shí)現(xiàn)對各種高低壓電量參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及硬件組態(tài)

系統(tǒng)主要由永定新河進(jìn)洪閘、永定新河進(jìn)洪閘、北運(yùn)河節(jié)制閘和變電所四個(gè)現(xiàn)地LCU和管理處監(jiān)控主機(jī)等節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，LCU控制器采用施耐德BMXP342020型PLC，各PLC通過接口模塊或通信卡與現(xiàn)地傳感器或智能儀表相連；同時(shí)，各LCU單元及管理處監(jiān)控主機(jī)通過光纖、光端機(jī)、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)建以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)。經(jīng)由光纖環(huán)網(wǎng)，以TCP/IP協(xié)議將現(xiàn)地測量數(shù)據(jù)傳輸至管理處工控機(jī)，并通過MCGS組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)對各種數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。海委下游局也可通過與數(shù)據(jù)服務(wù)器建立INTERNET連接的方式讀取現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

北運(yùn)河節(jié)制閘、新引河進(jìn)洪閘、永定新河進(jìn)洪閘和變電所LCU單元數(shù)據(jù)處理功能基本一致，所以硬件構(gòu)成基本相同。LCU硬件組態(tài)如圖2所示。其中，CPU P342020集成有以太網(wǎng)接口和MODBUS通訊接口[1]。觸摸屏HMISTU655通過網(wǎng)線連接至01槽位的以太網(wǎng)模塊，實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的現(xiàn)地顯示；CPU上的RJ45口與光端機(jī)連接，通過光纖將LCU單元接至系統(tǒng)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)中；TSX SCP114通信卡插在CPU上集成的MODUBUS通信接口上，作為通信主站，通訊電纜TSXSCPCM4030另一端與作為從站的變電所智能儀表清華紫光DCAP-3000變壓器綜合保護(hù)儀表和SM-1000多功能表連接，實(shí)現(xiàn)PLC與智能儀表之間的MODBUS數(shù)據(jù)通信。水位變送器輸出4～20 mA電流信號以二線制方式接入到模擬量輸入模塊BMXAMI0410的接線盒上。

2 水位傳感器的比較和選擇

屈家店樞紐原有水位測量傳感器采用的是投入式壓力水位傳感器，該型傳感器雖然具有測量量程大、設(shè)備價(jià)格低、土建安裝簡單等優(yōu)點(diǎn)[2],但其相對精密復(fù)雜的測量元件、電路極易受到外界環(huán)境干擾，產(chǎn)生非線性漂移現(xiàn)象，另外，由于傳感器安裝在水底，安裝方式簡單，也極易受到損壞。2012年“7.21”和“7.25”強(qiáng)降雨之后，屈家店原有投入式壓力傳感器就是在長時(shí)間、大流量的泄水沖擊下而徹底損毀。相比較，浮子式水位傳感器是目前技術(shù)最成熟、工程應(yīng)用最廣泛的水位傳感器，相對簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)配合絕對值式的編碼器，使其具有運(yùn)行可靠、信號記憶跟蹤、抗干擾能力強(qiáng)、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)。如果在前期土建時(shí)修建牢固的測量井或鋼管井對傳感器進(jìn)行保護(hù)，將可顯著增強(qiáng)其穩(wěn)定性和可靠性。

圖2 LCU硬件組態(tài)

因此，屈家店水利樞紐綜合測量系統(tǒng)中水位傳感器決定采用FYC-3型浮子式液位傳感器，編碼器采用接觸式絕對編碼器，輸出4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號，同時(shí)支持RS485串行信號輸出。

3 MODBUS通訊設(shè)計(jì)

變電所LCU控制器PLC單元與智能儀表之間的數(shù)據(jù)通訊是基于MODBUS協(xié)議的，其中SCP114通信卡是作為MODBUS主站，智能儀表作為從站，主站與從站之間用TSX SCPCM4030型號通訊電纜連接[3]。確保通信線路的接線方式和主從站的參數(shù)設(shè)置正確，是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)正常通訊的前提條件。

3.1 SCP114通信卡接線方式

TSX SCP114通信卡通訊協(xié)議是MODBUS協(xié)議，其通訊載體是RS-485串行通信線路。在本設(shè)計(jì)中，SCP114卡處在通信線路的起始端，按照要求，其接線方式應(yīng)如圖3所示：

圖3 TSX SCP114通信卡接線方式

為了提高通信線路的通訊性能，需要在線路中加上終端電阻和上拉、下拉電阻，線路中的最后一個(gè)從站設(shè)備也需要加上終端電阻。

3.2 參數(shù)設(shè)置

SCP114通信卡在使用前根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)配置[3]。波特率設(shè)置為9 600 bit/s，數(shù)據(jù)格式為數(shù)據(jù)位8位、停止位1位；無奇偶校驗(yàn)；除此之外，要想實(shí)現(xiàn)高效的MODBUS通信，還需要對answer delay、Number of Retries、Delay between characters等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。另外，作為從站的智能儀表通信參數(shù)配置必須與主站SCP114通信卡一致，同時(shí)由于有多個(gè)從站儀表，設(shè)備地址不能重復(fù)。

3.3 MODBUS通信過程函數(shù)應(yīng)用

要實(shí)現(xiàn)TSX SCP114 卡與智能儀表之間的MODBUS協(xié)議數(shù)據(jù)通信，在編寫PLC通信程序時(shí)必須要借助SEND_REQ、ROR1_ARB和SWAP3個(gè)函數(shù)指令[4]。函數(shù)功能語法見表1所示：

表1 MODBUS功能函數(shù)

表1中SEND_REQ函數(shù)語法中各字段的含義分別為：ADR#{n,s}xy.i.j表示從站地址，16#xx表示請求碼值，%MWxx:ll表示待發(fā)送數(shù)據(jù)，%MWyy:ll表示收到的數(shù)據(jù)，%MWzz:4表示管理參數(shù)[3]。結(jié)合實(shí)例對以上三個(gè)函數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的說明：

1) SEND_REQ。獲取地址為02的DCAP-3000變壓器綜合保護(hù)儀表中的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)放在CPU內(nèi)存程%MW20 :30中，實(shí)現(xiàn)這一數(shù)據(jù)通信過程的PLC程序指令可以寫作：SEND_REQ (ADR # 0.0.2, 16#009F ,%MW10:10 , %MW20:30, MW100:4)，對函數(shù)指令分析如下：

① ADR #0.0.2 // 從站DCAP-3000智能表的地址。

② 16 #009F // MODBUS 通信請求碼。

③ %MW10 :10

%MW10 :=16#0004 // 讀功能字

%MW11 :=16#0296 // MODBUS 通信標(biāo)記

%MW12 :=0 // 保留字

%MW13 :=16 #1000 // 要讀取的第1個(gè)字的地址 16 #0010

%MW14 :=16 #1A00 // 要讀取的數(shù)據(jù)的長度為 16 #001A

④ %MW20 :30

%MW20 // =0, 說明通信成功;=1 , 說明通信失敗

%MW21 // % MW20 = 1, 則表示失敗原因;%MW20 =0, 則返回讀功能字4

%MW22

=PF01A

byte0=16#1A // 返回26個(gè)字節(jié)數(shù)

byte1=PF0 // 第1個(gè)字的高字節(jié)

%MW23

=PF1 pf0

byte0=pf0, // 第1個(gè)字的低字節(jié)

byte1=PF1 , // 第2個(gè)字的高字節(jié)

%MW47

=PF25 pf24

byte0 =pf24 //第25個(gè)字的低字節(jié)

byte1 =PF25 // 第26個(gè)字的高字節(jié)

%MW48

=XX pf25

Byte0 =pf25, // 第26個(gè)字的低字節(jié)

⑤ %MW100 :4

%MW103 // 主站向從站發(fā)送字節(jié)的長度

2) ROR1_ARB。在執(zhí)行完SEND_REQ指令后，從站數(shù)據(jù)被采集到PLC的內(nèi)存中地址為%MW20:30的字表中，如圖4(a)所示；數(shù)據(jù)在字表中的存儲結(jié)構(gòu)不符合要求，要想得到最終結(jié)果，需要對字節(jié)進(jìn)行由高到低右移一個(gè)字節(jié)。程序中需要使用到ROR1_ARB指令，程序代碼為：ROR1_ARB(%MB44 :52)，執(zhí)行的結(jié)果是對字表%MW22:26中的所有字從高到低右移1個(gè)字節(jié)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)改變結(jié)果如圖4(b)所示。

3) SWAP。在對字表%MW22:26中的字由高到低右移一個(gè)字節(jié)處理后，字的高低字節(jié)顛倒，為了得到最終正確的數(shù)據(jù)，就需要對高低字節(jié)進(jìn)行互換，程序中使用SWAP函數(shù)實(shí)現(xiàn)高低字節(jié)互換，代碼為：SWAP(%MW22 :26)；執(zhí)行的結(jié)果如圖4(c)所示。

圖4 數(shù)據(jù)字的轉(zhuǎn)換處理過程

3.4 MODBUS傳輸方式選擇

在MODBUS系統(tǒng)中有兩種傳輸模式可選擇，一種模式是ASCII(美國信息交換碼)，另一種模式是RTU(遠(yuǎn)程終端設(shè)備)。每個(gè)MODBUS系統(tǒng)只能使用一種模式，不允許2種模式混用[5]。采用ASCII碼模式時(shí)傳輸?shù)亩际强梢姷腁SCII字符，所以進(jìn)行調(diào)試時(shí)就更加地直觀，但同時(shí)，相比RTU模式，它的傳輸效率比較低。在本項(xiàng)目中，由于需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比較少，結(jié)合ASCII碼模式調(diào)試直觀、LRC校驗(yàn)比較容易等優(yōu)點(diǎn)，綜合考慮選擇ASCII碼模式。

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)中，測量采集量來自6個(gè)水位數(shù)據(jù)采集點(diǎn)和三個(gè)電力參數(shù)儀表。數(shù)據(jù)傳輸過程中涉及到模擬量數(shù)據(jù)傳輸和MODBUS協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸。來自于FYC-3型浮子式水位傳感器的4-20mA模擬量信號，經(jīng)過AI模塊的A/D轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行簡單的量程、線性化設(shè)置即可得到實(shí)際的水位數(shù)據(jù)。而電力參數(shù)數(shù)據(jù)由智能儀表采集并經(jīng)過MODBUS協(xié)議包裝后進(jìn)行傳輸，因此需要針對這一過程進(jìn)行MODBUS數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì)。采用MODBUS協(xié)議通信時(shí)，協(xié)議的詳細(xì)細(xì)節(jié)可以不用考慮[5]，按照函數(shù)的固定語法即可實(shí)現(xiàn)通信，但獲取的數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)確，因此工作重點(diǎn)要放在數(shù)據(jù)處理上，經(jīng)過兩次數(shù)據(jù)字節(jié)轉(zhuǎn)換才可得到準(zhǔn)確數(shù)字。同時(shí)在進(jìn)行MODBUS通信時(shí)，參數(shù)設(shè)置非常重要，主從站波特率根據(jù)現(xiàn)場情況要設(shè)置合理，最好不要太高，4 800 bit/s或9 600 bit/s即可滿足條件，同時(shí)為了確保通信的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，SCP114通信卡的接線一定要準(zhǔn)確，線路中下拉電阻設(shè)置要合理，最好使用專用的接線盒。

[1] 李守軍，徐立中，于紅，等.黃河拉西瓦水電站水位測量盤通信單元設(shè)計(jì)[J].人民黃河, 2010(6): 116-117.

[2] 安全，范瑞琪.常用水位傳感器的比較和選擇[J].水利信息化，2014(3): 52-54.

[3] 儲云峰.施耐德電氣可編程序控制器原理及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2007：260-290.

[4] 李守軍，劉大奎.天津獨(dú)流減河工程監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地通信單元設(shè)計(jì)[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測，2008(4): 77-80.

[5] 邵俊，樓衛(wèi)東，熊月宏，等.基于MODBUS協(xié)議溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].電子測量技術(shù)，2010(3): 122-125.

Design of Qujiadian Hydraulic Complex Measuring System

DU Gang1JIANG Wei2YU Hong3

(1.Lianyungang Technical College, Lianyungang 222000, China; 2.Qujiadian Water Conservancy Hub, Tianjin 300000, China; 3.Xuzhou Science & Computer Engineering Research Institute, Xuzhou 221008, China)

For the need of the Qujiadian hydraulic project and the requirement of the complex measuring system, all the LCU constructed the Ethernet ring network ,by which, the field data gathering from the water level sensor and the intelligent instrument can be collected and monitored remotely . The MODBUS data acquisition process of intelligent instrument for substation is introduced. With the help of the studying for the communication mechanism and connection mode of the TSX SCP 114 card, the Reasonable setting of communication parameters and the correct selection of communication function, the performance of the system can be greatly improved.

water level measuring; PLC; MODBUS

2015-09-18

杜 崗(1981-)，男，工程師，碩士，主要研究方向：水利信息化與計(jì)算機(jī)控制

TV 61

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1672-2434(2015)06-0024-04