基于Modbus的EPS應急電源監控系統的研究

隨著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(Emergency Power Supply)逐步成為代替柴油發電機組的“綠色電源”，目前已經在建筑領域得到大面積推廣。同時，隨著微處理器、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。將所有的功能集成于統一開放的平臺上，通過人機界面可以使復雜的控制和數據處理變得更加簡單。

2 監控系統設計

    美國電子工業協會(EIA)制定的RS 485標準作為一種多點差分數據傳輸的電氣規范，現已成為業界應用最為廣泛的標準通信接口之一。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、抗干擾能力強、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，加中繼器后最多可達255個設備。因此，許多領域都采用RS 485作為數據傳輸鏈路，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。本系統采用一臺PC作為上位機，下位機由若干臺P89C51單片機擔任，監控系統結構圖如圖1所示。

    上位機的RS 232串行口通過RS 232/RS 485轉換器轉換為RS 485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態，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將其中的地址幀與自己的地址比較，如果相同則繼續接收后面的指令或數據，若不同則不予理睬。

3 通信協議Modbus

    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標準，不同廠商生產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內容的公共格式，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，識別按地址發來的消息，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，即只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。
    Modbus協議有兩種模式：ASCII和RTU模式。一個Modbus通信系統中只能選擇一種模式，不允許兩種模式混合使用。本系統采用RTU模式，消息的起始位以至少3.5個字符傳輸時間的停頓開始(一般采用4個)，在傳輸完最后一個字符后，有一個至少3.5個字符傳輸時間的停頓來標識結束。一個新的消息可在此停頓后開始。在接收期間，如果等待接收下一個字符的時間超過1.5個字符傳輸時間，則認為是下一個消息的開始。校驗碼采用CRC16方式，只對設備地址、功能代碼和數據段進行。整個消息幀必須作為一連續的流傳輸，傳輸速率較ASCII模式高。
    Modbus可能的從設備地址是0～247(十進制)，單個設備的地址范圍是1～247。可能的功能代碼范圍是十進制的1～255。其中有些代碼適用于所有的控制器，有些是針對某種Modicon控制器，有些是為用戶保留或備用。

4 軟件設計

    本系統上位機軟件采用VC 6.0開發，操作系統為Windows 98，上位機向串口讀寫數據，通過485總線將控制信息送到現場的每臺EPS設備，就可以監控網絡上任何一臺EPS設備，同時現場采集到的電壓、電流等信號實時顯示在上位機的界面上。

    (1) 人機界面子程序

    包括實時信息動態更新及數字顯示，異常判斷及報警聲音提示。

    (2) 串口通信子程序

    在Windows 98中將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，但是又是有區別的，比如串行口不能像文件一樣被刪除，這些差別體現在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函數將系統默認值填入DCB控制塊，然后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，接著設置串行口波特率、數據位、校驗位、停止位等參數和超時參數，最后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可以在后臺讀寫數據，而在前臺做其他的事情;
    ④事件驅動方式是由Windows通知應用程序某些事件什么時候發生，然后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：

    5 系統抗干擾問題

    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復雜，容易形成各種干擾源，特別是在較惡劣的工業環境中，因此研究解決系統抗干擾問題對確保系統的穩定運行非常重要。RS 485本身具有較強的抗電磁干擾能力，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)RS 485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。最好采用一條總線將各個節點串接起來，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號對總線信號的影響最低。
    (2)采用雙絞線作為RS 485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確接地。
    (3)通過在總線兩端A，B加入匹配電阻的方法，解決信號反射問題。
    (4)對于RS 485網絡，合理的接地系統對系統的可靠性很重要。基于共模干擾和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，都會產生幅度很高的瞬態干擾，如果不加以適當防護就會損壞接口。對于這種瞬態干擾可以采用隔離或旁路的方法加以防護。

    6 結 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RS 485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。