曾敏，王永華，余松森，林東華，尹璐琳,

(1.廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東廣州，510006；2.華南師范大學(xué)軟件學(xué)院，廣東佛山，510631；3.中興通訊股份有限公司，廣東深圳，518057）

MODBUS通訊協(xié)議在光伏發(fā)電能源管理控制器中的應(yīng)用研究

曾敏1，王永華1，余松森2，林東華3，尹璐琳,2

(1.廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東廣州，510006；2.華南師范大學(xué)軟件學(xué)院，廣東佛山，510631；3.中興通訊股份有限公司，廣東深圳，518057）

針對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)以及工業(yè)過(guò)程控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，本文探討了MODBUS通訊協(xié)議在能源管理控制器與后臺(tái)模擬工具之間的應(yīng)用研究。闡述了MODBUS RTU通訊協(xié)議的工作機(jī)制以及相關(guān)的流程圖，實(shí)現(xiàn)了python語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的后臺(tái)模擬工具和能源管理控制器之間的通訊，并得到了準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。同時(shí)，簡(jiǎn)要敘述了光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和工作原理。

嵌入式系統(tǒng); 數(shù)據(jù)采集；MODBUS RTU; 能源管理控制器

0 引言

隨著現(xiàn)代化工業(yè)過(guò)程控制技術(shù)的迅猛發(fā)展以及ARM處理器的普及，用微型處理器來(lái)代替單片機(jī)技術(shù)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)控制已經(jīng)成為一種必然的趨勢(shì)。而且在未來(lái)的這個(gè)領(lǐng)域中，我們?cè)跀?shù)據(jù)采集方面對(duì)它的可靠性、實(shí)時(shí)性以及告警等要求都比較高。為實(shí)現(xiàn)上述的這些功能業(yè)務(wù)需求，本文實(shí)現(xiàn)了運(yùn)用MODBUS RTU通訊協(xié)議在光伏發(fā)電能源管理控制器與后臺(tái)模擬工具之間的正常通訊，并且在光伏發(fā)電產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用，可以驗(yàn)證開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)MODBUS RTU協(xié)議運(yùn)用的正確性。

1 總體設(shè)計(jì)

整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)主要包括與子設(shè)備之間的通信、能源管理控制器、與模擬工具（LCD顯示器）之間的通訊、與客戶(hù)端之間的通訊模塊。它的總體架構(gòu)如下圖1所示。

能源管理控制器是基于ARM和LINUX操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的，通過(guò)MODBUS協(xié)議與各類(lèi)子設(shè)備進(jìn)行通訊，采集子設(shè)備的各類(lèi)信息并將其存放到共享內(nèi)存，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后，客戶(hù)端可以進(jìn)行實(shí)時(shí)訪問(wèn)，同時(shí)也可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析、處理后達(dá)到監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備的目的。本文主要探討了在開(kāi)發(fā)過(guò)程或者后期維護(hù)中，通過(guò)與MODBUS RTU通訊的LCD模塊（模擬工具）對(duì)設(shè)備進(jìn)行開(kāi)發(fā)驗(yàn)證或者后期維護(hù)的內(nèi)容。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

能源管理控制器擁有256MB Nand Flash、128MB DDR2 SDRAM，為操作系統(tǒng)LINUX提供硬件平臺(tái)，同時(shí)為大容量非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供硬件支持，并提供大量的外圍硬件資源，如USB、UART、Ethernet、CAN、干接點(diǎn)等。

2 MODBUS通訊協(xié)議

Modbus是由Modicon（現(xiàn)為施耐德電氣公司的一個(gè)品牌）在1979年發(fā)明的，是全球首個(gè)真正用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的總線協(xié)議，其硬件便宜、通用性強(qiáng)、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，能對(duì)各種設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和過(guò)程監(jiān)控，使它在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。Modbus網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)主機(jī)，所有通信都由它發(fā)出。網(wǎng)絡(luò)可支持255個(gè)之多的遠(yuǎn)程從屬控制器，但實(shí)際所支持的從機(jī)數(shù)要由所用通信設(shè)備決定。MODBUS通訊協(xié)議分為ASCII模式和RTU兩種模式，在光伏發(fā)電能源管理控制器中由于對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎蜏?zhǔn)確度要求高，所以本文采用的是MODBUS RTU傳輸機(jī)制。它的工作模式是一種主從方式，其數(shù)據(jù)幀格式如下表1所示。

表 1 MODBUS RTU數(shù)據(jù)幀格式

通過(guò)MODBUS RTU協(xié)議進(jìn)行通訊的能源管理控制器與LCD模塊的設(shè)計(jì)模塊中，用到了如下MODBUS RTU功能碼，如表2所示。

表2 MODBUS RTU功能碼

3 MODBUS RTU通訊機(jī)制

能源管理控制器與后臺(tái)模擬工具之間采用的MODBUS RTU通訊協(xié)議，它是一種主—從技術(shù)，即只有一個(gè)設(shè)備（主設(shè)備）能初始化查詢(xún)，與它通訊的其他設(shè)備（從設(shè)備）都處于被動(dòng)狀態(tài)，只能根據(jù)主設(shè)備查詢(xún)提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)的反應(yīng)。

主設(shè)備與從設(shè)備之間的通訊有兩種方式，第一種為單獨(dú)與從設(shè)備進(jìn)行通信，其二以廣播的方式與所有從設(shè)備通信。如果是第一種通訊方式，從設(shè)備返回一消息作為回應(yīng)；如果是以廣播方式查詢(xún)的，則不需要作任何回應(yīng)。MODBUS協(xié)議建立了查詢(xún)的格式：設(shè)備地址、功能碼、所要發(fā)送的數(shù)據(jù)、CRC校驗(yàn)。所有從設(shè)備回應(yīng)的消息也由MODBUS協(xié)議構(gòu)成，包括確認(rèn)要行動(dòng)的域、任何要返回的數(shù)據(jù)和CRC校驗(yàn)。如果在消息傳輸過(guò)程中發(fā)生了錯(cuò)誤，或者從設(shè)備不能識(shí)別主設(shè)備發(fā)來(lái)的命令，那么從設(shè)備就會(huì)建立一幀錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)并把它作為對(duì)主設(shè)備進(jìn)行的回應(yīng)。

MODBUS的查詢(xún)—回應(yīng)周期表如下圖2所示。

主設(shè)備的查詢(xún)消息中的功能碼傳輸給相應(yīng)的從設(shè)備要執(zhí)行何種功能，數(shù)據(jù)段會(huì)告知從設(shè)備需要執(zhí)行功能的任何附加信息，還必須包含有告訴從設(shè)備的寄存器地址，CRC校驗(yàn)是給從設(shè)備在主設(shè)備獲取的消息幀是否正確的驗(yàn)證方法；如果從設(shè)備能產(chǎn)生正常的回應(yīng)，在響應(yīng)幀中的功能碼是在查詢(xún)消息中的功能碼的應(yīng)答，數(shù)據(jù)段包括了從設(shè)備收集的數(shù)據(jù)消息，比如寄存器值或者狀態(tài)，如果有錯(cuò)誤發(fā)生，功能碼將自動(dòng)被修改來(lái)用于指出回應(yīng)消息是錯(cuò)誤的，同時(shí)數(shù)據(jù)段包含了描述此錯(cuò)誤消息的代碼，CRC校驗(yàn)域允許主設(shè)備確認(rèn)消息內(nèi)容的正確性。

圖2 MODBUS的查詢(xún)回應(yīng)周期表

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)用Python實(shí)現(xiàn)的后臺(tái)模擬工具，設(shè)置完串口或者網(wǎng)口通信、波特率9600、校驗(yàn)位等參數(shù)，可以模擬客戶(hù)端，通過(guò)MODBUS RTU通訊模式訪問(wèn)該控制器來(lái)子設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息。

圖3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息a

圖4 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息b

在圖3中，輸入01 04 75 02 00 02 CA 07這一幀數(shù)據(jù)包給監(jiān)控模塊獲取總發(fā)電量，得到響應(yīng)01 04 04 00 00 00 00 FB 84，由于沒(méi)有接入子設(shè)備，所以它的總發(fā)電量輸出為0；圖4中，輸入01 03 65 00 00 06 DB 04這一幀數(shù)據(jù)包給監(jiān)控模塊獲取系統(tǒng)時(shí)間，得到響應(yīng)數(shù)據(jù)幀01 03 0C 00 3A 00 2F 00 09 0006 00 01 07 E1 17 21，其中01是對(duì)應(yīng)的設(shè)備地址，03是讀取保持寄存器，0C是根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀06（字）得到的響應(yīng)數(shù)據(jù)幀的字節(jié)數(shù)，00 3A對(duì)應(yīng)就是秒，00 2F對(duì)應(yīng)的是47分，00 09對(duì)應(yīng)9時(shí)，00 06對(duì)應(yīng)6日，00 01對(duì)應(yīng)1月，07 E1對(duì)應(yīng)2017年，17 21是這一幀數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)。

通過(guò)以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比查看數(shù)據(jù)記錄和協(xié)議解析結(jié)果，獲取總發(fā)電量、系統(tǒng)時(shí)間等，可以得到MODBUS RTU在通訊過(guò)程中的準(zhǔn)確應(yīng)用，并得到正確的結(jié)論。

5 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體框架，主要研究了MODBUS RTU協(xié)議在能源管理控制器與后臺(tái)模擬工具之間的應(yīng)用，并且通過(guò)串口實(shí)驗(yàn)?zāi)軐?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確傳輸，同時(shí)該控制器是在linux操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的，具有穩(wěn)定性好、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，通過(guò)后臺(tái)模擬工具可以方便驗(yàn)證開(kāi)發(fā)成果以及售后服務(wù)可以接入LCD進(jìn)行后期維護(hù)。另外，在以后的研究與探討中，可以對(duì)該能源管理控制器作進(jìn)一步的完善，比如實(shí)現(xiàn)CAN總線、工業(yè)以太網(wǎng)等與客戶(hù)端或者設(shè)備之間的通信，也可以對(duì)子設(shè)備的數(shù)據(jù)采集通道進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的采集功能。

[1]海濤，梁挺興，彭瞬杰等，一種基于串口服務(wù)器的光伏監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]，自動(dòng)化儀表2015年12月，第36卷第12期.87-90.

[2]許龍虎，張浩，彭道剛，李輝，基于Modbus的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]，華東電力，2009.37(2),311-313.

[3]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2005.

[4]張宇，陳明.基于ARM7的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2007，30(1):99-101.

Research on Application of Modbus Communication Protocol in Photovoltaic Power Management Controller

Zeng Min1，Wang YongHua1，Yu SongSen2，Lin DongHua3,Yin LuLin2
(1.School of Automation, Guangdong University of Technology,Guangzhou Guangdong, 510006;2.School of Software, South China Normal University,Foshan Guangdong,510631;ZTE Corporation,Shenzhen Guangdong,518057)

In view of the rapid development of PV industry and industrial process control technology, this paper discusses the application of MODBUS communication protocol between energy management controller and background simulation tool. This paper expatiates the working mechanism of MODBUS RTU communication protocol and the related flow chart, realizes the communication between the background simulation tool developed by python language and the energy management controller, and obtains the accurate experimental verification. At the same time, the overall design and working principle of the photovoltaic power generation system are briefly described.

embedded system; data acquisition; MODBUS RTU; energy management controller

廣東省應(yīng)用型科技研發(fā)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目（2016B020244003）、佛山市科技創(chuàng)新項(xiàng)目（2014AG100162）。

曾敏，碩士研究生，主要從事光伏發(fā)電和物聯(lián)網(wǎng)研究。余松森，教授，博士，主要從事物聯(lián)網(wǎng)研究。

王永華，博士，主要從事物聯(lián)網(wǎng)、RFID組網(wǎng)研究。