武汉理工大学

毕业设计（论文）

Modbus协议在自动安全装置中的应用

Qinghua Si1,2,a, Haibo Xu1,2,b, Jun Xu1,2,c, Gaoyang Xu1,2,d,Zhenfeng Ye1,2,e

南京211106 1nari科技发展有限公司，中国

2nari集团公司（国网电力科学研究院），南京211106，中国asiqinghua@sgepri.sgcc.com.cn,bxuhaibo@sgepri.sgcc.com.cn,cxujun@sgepri.sgcc.com.cn

dxugaoyang@sgepri.sgcc.com.cn, eyezhenfeng@sgepri.sgcc.com.cn

摘要：传统的HMI（人机界面）自动安全装置缺少美感和友好感。随着智能电网的发展，对智能电网的HMI要求越来越高。自动安全装置分为人机界面模块和装置主体。支持Modbus协议的工业触摸屏，被选作为汽车人机界面模块自动安全装置。HMI数据被提取到Modbus协议标准数据，并映射到Modbus协议的统一地址空间。Modbus RTU模式被用来来实现数据通信人机界面模块和装置主体之间的交流。该方法不仅使显示内容更加丰富，界面更加友好，而且使产品开发周期变短，产品更具可扩展性。

关键词：Modbus协议；自动安全装置；人机界面

一、介绍

电网自动安全装置，是一种第二和第三安全防线的控制平台，能够实现区域安全稳定控制，步进，频率和电压控制等^{[ 1 ]}。传统的自动安全装置人机界面是由自动安全设备厂商独立开发的，并且通常是为了适应设备定制开发的，一般缺乏美感和友好感。

随着智能电网的发展，对自动安全装置的人机界面有了新的要求，主要体现在：更直观、更丰富的显示，更方便的交互，更有力的数据管理，等等。如果用传统的定制方式来提升安全自动装置的人机界面的使用，这将为开发的难度、周期、责任、发展等带来巨大的挑战。

为了满足智能电网的需要，目前HMI可以使用成熟的触摸屏技术。市场上有大量的支持Modbus协议的触摸屏，可用于自动安全装置的HMI^{[ 2 ]}。作为一种工业现场总线，Modbus协议非常受欢迎，已广泛应用于工业控制领域^{[ 3 ]}。但在电力系统领域，Modbus协议尚未应用于自动安全装置。

二、Modbus协议简介

Modbus协议是由Modicon公司开发的一种通信协议。它是用来实现控制器之间的通信，通过网络，如以太网控制器。这是一个应用离子层协议，独立的物理接口和电气规范，支持传统的RS-232／422／485的设备和最新的以太网设备等^{[ 4 ]}。Modbus协议已经成为一个共同的行业标准。

Modbus协议有两种传输模式，即RTU模式和ASCII模式。在一个Modbus通信系统中只有一个模式可以选择。在同一时间不允许使用2个模型。在ASCII模式中，每个字节的消息是作为两个ASCII字符发送。在这种信息帧结构下采用LRC（逻辑冗余校验）进行数据校验。在RTU模式，消息中的每个字节含有两个十六进制字符。信息帧中使用循环冗余校验码。这是RTU模式的巨大优势，在波特率相同的情况下，使用RTU模式可以比ASCII模式传输更多的数据。

Modbus协议是一个主从通信协议。只有一个设备可以被用作通信网络中的主站，其他设备作为从站。主站发起通信请求。只有主站可以开始查询命令。从站作出适当的响应。在从站与从站之间没有直接的通信。典型的Modbus报文的格式如图1所示。

图1 Modbus典型消息格式

地址码是消息帧的第一个字节。每个从站必须有一个唯一地址码。只有符合地址码，该从站可以对消息作出响应。功能码是消息帧的第二字节。通过功能码，主站和从站可以理解另一方的行为。选择相应的功能码是实现Modbus标准协议的一个重要方面。数据域包含从站响应的信息，或者从站需要做什么动作。校验码是地址码计、功能码和数据字段计算得来的。通过校验码，可以验证数据传输的正确性。

三、Modbus协议在自动安全装置中的意义

对于自动安全装置，有很多功能，如高协同操作要求，大量数据采集的模拟电路，高采集精度，密集的校准计算，很多的控制量等^{[ 7 ]}。一个单一的处理器组成的硬件系统是不可能完成这样一个巨大的工作。因此，采用模块化设计，主要分为该装置主体、人机交互模块。通过RS-485总线，设备主体和HMI模块被连接在一起。采用串行连接Modbus RTU传输模式进行数据传播。自动安全装置的硬件结构如图2所示。

图2 自动安全装置硬件结构框图

该装置主体由SWJ模块，DCJ模块，KR / KC组件和COM组件等组成。每个模块之间通过背板上的LVDS总线通信。在设备主体，大量实现了数据采集、信号处理、电气计算、逻辑、动作输出、事件报告、故障数据记录等功能。COM组件是负责与其他设备的通讯，和事件报告的保存。SWJ模块是自动安全装置的核心，负责核心逻辑判断和控制。DCJ模块负责模拟数据的采集和计算以及所有的故障判断，DCJ模块可以根据实际需要配置一个或多个。KR / KC模块负责数字输入和输出设备，它也可以根据实际需要配置一个或多个。

人机界面模块主要用于实现自动安全装置和人机界面输入显示。当设备运行正常，人机界面模块实时显示各种电计算参数和板信息等。如果电源线发生故障或设备异常，或该装置动作时，监控模块将显示报警信息和行动事件。通过人机交互模块，运营商可以修改装置的参数设定值，并能获得各种各样的事件报告。支持Modbus协议的工业触摸屏作为人机界面模块，它具有良好的人机交互功能。

对于这种结构设计，有以下优点。第一，电路结构简单，抗干扰性能和实时性能较好。第二，克服了传统的自动安全装置人机界面的缺点，美观和方便操作得到了改进。第三，随着支持Modbus协议的触摸屏的使用，只要开发了配套的支持Modbus协议的装置主体程序，触摸屏和装置主体之间就可以实现数据交互。它节省了开发和维护的成本，缩短产品开发周期。第四，产品可轻松升级。如果另一个由其他制造商生产的触摸屏被采用，只要它支持Modbus协议，那么它与设备主体的通信就不受影响。

四、自动安全装置Modbus协议实现

有很多用于自动安全装置人机界面的数据，如报警信息，采样值，设备的设定值等。通常需要对这些数据进行整理和分析。该装置主体作为数据源，而触摸屏通过Modbus协议访问设备主体的数据。

HMI数据分为四类，即触摸屏的只读位数据类型，读写位数据类型，只读字符数据类型，读写字符数据类型，如表1所示。

表1 自动安全装置HMI中数据的分类

根据Modbus协议传输的特点，HMI数据和Modbus协议数据之间的对应关系如表2所示。

表2 HMI数据和Modbus协议数据之间的对应关系

根据标准的Modbus通讯协议，数据类型和功能代码之间的关系如表3所示。

表3 数据类型和Modbus协议的功能代码之间的对应关系

在HMI数据分析的基础上，可以得到与Modbus协议功能代码相对应的关系图，如表4所示。

表4 人机界面的数据和Modbus协议功能代码的关系图

串口Modbus协议是用于触摸屏与装置主体之间的通信。触摸屏是主站，而装置主体是从站。触摸屏发送数据请求，装置主体响应接收到的数据。由于触摸屏本身支持Modbus协议，因此需要在装置主体上开发支持Modbus协议的通信程序。为了提高数据传输的吞吐量，采用Modbus协议RTU模式。

通信程序采用模块化设计，分为三个模块，即初始化模块、数据接收模块和数据处理模块。通信程序流程图如图3所示。

图3 通信程序流程图

该初始化模块用于完成通信的传输速率设置、串口中断设置和定时设置等功能。数据接收模块包括串口中断子模块和定时器中断子模块。串口中

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