CN104656604A - 一种利用modbus通信协议实现人机交互的电网安全稳定控制装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用MODBUS通信协议实现人机交互的电网安全稳定控制装置及其方法，属于电力系统及其自动化技术领域。本装置包括稳定控制功能模块和人机界面模块，稳定控制功能模块用于实现电网安全稳定控制功能，人机界面模块用于实现监控界面所有的数据显示和修改功能，人机界面模块为支持串口MODBUS通信协议的触摸屏，稳定控制功能模块与触摸屏间通过RS485连接，数据传输采用串行链路MODBUS传输模式。数据传输时，通过初始化、数据接收和数据处理及发送3个步骤实现。与现有技术相比，本发明克服了传统稳控装置人机界面的缺点，提高了人机界面的美观性和操作方便性，有效节约了开发和维护的成本。

Description

一种利用MODBUS通信协议实现人机交互的电网安全稳定控制装置及其方法

技术领域

本发明属于电力系统及其自动化技术领域，更准确地说，本发明涉及一种电网安全稳定控制装置及其人机交互方法。

背景技术

电网安全稳定控制装置（下文简称稳控装置）是电网第二、第三道安全防线的控制平台，实现区域安全稳定控制、失步解列、频率电压紧急控制等功能。

稳控装置界面的重要性已越来越突兀，人机界面成为用户体验不可分割的一部分。传统的安全稳定控制装置人机界面，完全由稳定控制装置厂家自主研发，通信采用稳定控制装置厂家自定义协议，使用键盘来实现人机交互。它有如下的缺点：1、界面不够美观；2、操作不够方便；3、产品开发周期长；4、产品开发和维护成本高。

为满足界面美观与操作方便性需求，目前发展成熟的技术之一就是触摸屏技术。市场上有大量支持MODBUS协议的触摸屏，可作为安全稳定控制装置的人机界面。

MODBUS是工业现场总线协议中最受欢迎的一种，MODBUS协议在工作控制领域已经得到了广泛应用，但稳控装置内部通信中尚未有使用MODBUS协议。在电力系统安全稳定控制专业，由于其特殊性和独特的应用习惯，需要将现场MODBUS协议自身的特点与安全稳定控制系统很好的结合，才能更好的开发出满足电网安全稳定控制系统需要的产品，从而使产品更具市场竞争力。

发明内容

本发明目的是：针对现有电网安全稳定控制装置人机界面技术的不足，提出一种利用MODBUS通信协议实现人机交互的电网安全稳定控制装置及其方法。

具体地说，本发明公开的利用MODBUS通信协议实现人机交互的电网安全稳定控制装置是采用以下技术方案实现的，包括稳定控制功能模块和人机界面模块，所述稳定控制功能模块用于实现电网安全稳定控制功能，所述人机界面模块用于实现监控界面所有的数据显示和修改功能，人机界面模块为支持串口MODBUS通信协议的触摸屏，稳定控制功能模块与触摸屏间通过RS485连接，数据传输采用串行链路MODBUS传输模式。

上述技术方案的进一步特征在于：数据传输时，稳定控制功能模块与触摸屏之间的各类通信数据与MODBUS协议的功能码相互映射。

上述技术方案的进一步特征在于：稳定控制功能模块与触摸屏间的数据传输采用MODBUS协议的RTU传输模式。

本发明公开的利用MODBUS通信协议实现电网安全稳定控制装置中人机交互的方法，采用MODBUS协议的RTU传输模式进行数据传输，包括以下步骤：

1）初始化：完成通信的波特率设置、数据接收的串口中断和定时器设置，将全局变量Num初始化为0，所述全局变量Num用于计算字符接收时间间隔T；

2）数据接收：包括串口接收中断和定时器中断两个过程，每接收一个字节就进入一次串口接收中断过程以接收数据，在数据接收中定时进入定时器中断过程判断MODBUS一帧数据的起始与结束；

其中，串口接收中断过程为：首先将全局变量Num置为0，然后判断帧起始标志frame_start是否为1；如果frame_start为1，说明此次接收的数据是一帧新的数据起始，置正在接收数据标志recv_flag为1，同时将frame_start重置为0；如果frame_start不为1，说明此次接收的字符不是新的数据帧起始，然后判断T<1.5*T1的正确性，如果T<1.5*T1为真，说明此次接收的数据是正在接收数据帧的正常数据，存储接收到的数据，如果T<1.5*T1不为真，则不保存此次接收到的数据，重新设置帧的起始标志frame_start为1；

定时器中断过程为：首先将全局变量Num加1，然后检测T>3.5*T1的正确性，如果为假则直接返回，如果为真，再判断正在接收数据的标志recv_flag是否为1，若recv_flag为1，说明有数据正在接收，重置recv_flag为0，同时设置帧结束标志frmae_end为1，表示已经有一帧数据已经接收好，供数据处理及发送步骤中使用，若recv_flag不为1直接设置帧起始标志frame_start为1，串口接收中断过程检测到此标志则准备接收一帧新的数据；

上述T为字符接收时间间隔，等于Num乘以定时器定时时间间隔的值，定时器定时时间间隔在初始化步骤中设置；T1为根据波特率计算出的1个字符的传输时间；

3）数据处理及发送：判断信息帧要求实现的功能，并给触摸屏回复信息，当检测到frmae_end为1的时候，首先将frmae_end重置为0，然后判断地址码和CRC校验码的正确性，依此判断该数据帧的有效性，如果数据帧无效，不向触摸屏返回信息，否则执行触摸屏的命令，完成功能码的相应功能，向触摸屏返回一正常响应帧。

本发明的有益效果如下：本发明的装置结构简单、抗干扰性强、实时性好。该装置和人机交互方法克服了传统稳控装置人机界面的缺点，提高了人机界面的美观性和操作方便性。装置选用支持MODBUS协议的触摸屏，有效节约了开发和维护的成本，缩短了产品开发周期。采用了本发明的设计后，其他型号的符合MODBUS通信协议的触摸屏，也可以和稳控装置的“稳定控制功能模块”无缝对接，从而使得产品升级换代更为方便。

附图说明

图1是 电网安全稳定控制装置硬件结构框图。

图2是 稳定控制功能模块的MODBUS通信程序流程图。

图3是 串口接收中断子模块流程图。

图4是 定时器中断子模块流程图。

具体实施方式

本发明主要包括以下内容：

1、将电网安全稳定控制装置分为“稳定控制功能模块”与“人机界面模块”，并选择支持MODBUS协议的工业触摸屏作为人机界面模块。

2、稳定控制功能模块与人机界面模块间通过RS485连接，数据传输采用串行链路MODBUS传输协议。

3、归纳整理稳控装置人机界面通信的数据，将其分类，并将人机界面通信的各类数据与MODBUS协议的功能码进行合理的映射。

4、采用MODBUS RTU模式实现“稳定控制功能模块”与“人机界面模块”数据通信。稳定控制功能模块的MODBUS通信程序采用模块化设计，实现MODBUS通信的正确性、稳定性和可靠性。

下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。

稳控装置具有协同运行要求高、模拟回路采集量大、采集精度高、计算密集、控制量多等特点。单一CPU构成的硬件系统不可能完成如此庞大的工作，因此装置采用模块化的设计，主要分为稳定控制功能模块与人机界面模块。稳控装置的硬件结构如图1。

选用工业触摸屏作为人机界面模块，完成监控界面所有的数据显示和修改功能。稳定控制功能模块与人机界面模块间通过RS485连接，数据传输采用了串行链路MODBUS传输模式。

安全稳定控制装置内部通信数据可分为四类：开入量、开出量、只读模拟量、可读写模拟量，如表1所示。

表1 安全稳定控制装置内部数据分类

数据类型	应用功能
		开入量（离散量输入）	告警信息，压板投退状态，异常状态等
开出量（线圈）	调试命令（开出传动命令、自动调零调精命令、打印命令等）
		只读模拟量（输入寄存器）	交流采样数据（A、B、C三相电压和电流、有功功率、无功功率、系统频率等），通道数据，事件信息（启动或动作事件、通道异常录波等），装置自身信息（软件版本号、运行指示状态等）
可读写模拟量（保持寄存器）	装置定值、装置参数（IP地址、时间等）、调试参数（调零调精的标幺值等）

对装置内部通信数据的分析是为了更好地将相关的应用功能与MODBUS协议的功能码进行合理的映射。根据数据类型，使用到的功能码有0x02，0x03,0x04,0x0F，0x10，将内部通信数据的应用功能与MODBUS功能码进行合理映射，如表2所示。

表2 内部数据应用功能与MODBUS功能码的映射

功能码	内容
		0x02	读告警信息，读压板投退状态，读异常状态等
0x03	读装置定值、读装置参数（IP地址、时间等）、读调试参数（调零调精的标幺值等）
		0x04	读交流采样数据（A、B、C三相电压和电流、有功功率、武功功率、系统频率等），读通道数据，读事件信息（启动或动作事件、通道异常录波等），读装置自身信息（软件版本号、运行指示状态等）
0x0F	写调试命令（开出传动命令、自动调零调精命令、打印命令等）
		0x10	写装置定值、写装置参数（IP地址、时间等）、写调试参数（调零调精的标幺值等）

采用串口MODBUS通信协议实现触摸屏和与稳定控制功能模块的通信，触摸屏作为主机，稳定控制功能模块作为从机。每次通信都是触摸屏发起请求，稳定控制功能模块对收到的数据进行响应。触摸屏本身支持MODBUS协议，稳定控制功能模块需实现支持MODBUS协议的通信程序。为了在较短的时间内尽可能扩大数据传输量，采用MODBUS协议的RTU传输模式。

MODBUS RTU传输规定，一帧信息的结束到另一帧信息的开始至少需要3.5个字符传输时间，即字符接收时间间隔T>3.5*T1；整个报文帧必须以连续的字符流传输，相邻两个字节之间的空闲间隔T不能大于1.5个字符传输时间，即T<1.5*T1。依据使用的波特率，很容易计算这个1个字符传输时间T1。例如，当传输波特率为9600bps时，1个字符（包含1个起始位，1个奇偶校验位，1个停止位，8个数据位）传输时间T1为：

T1 = 11 * 1 / 9600 = 1.14583ms。

稳定控制功能模块的MODBUS通信程序（下文简称通信程序）难点，在于能正确接收触摸屏发送的符合MODBUS RTU协议规定的数据。通信程序采用模块化设计，分为3个模块，即初始化模块、数据接收模块、数据处理模块。通信程序流程图如图2。

初始化模块完成通信的波特率设置、数据接收的串口中断和定时器设置等。数据接收模块由串口接收中断子模块和定时器中断子模块组成。

要正确接收数据，必须正确计算字符接收时间间隔T。使用Num全局变量，初始化为0。每进入串口中断子模块一次，Num重置为0；定时器每中断一次，Num加1。Num乘以定时器中断时间（定时时间间隔）即为字符接收时间间隔T。

串口接收中断子模块用于接收MODBUS数据，按字节接收数据，每接收一个字节就进入一次串口中断子模块。串口接收中断子模块流程图如图3。串口接收中断子模块，首先将Num置为0，然后判断帧起始标志frame_start。如果frame_start为1，说明此次接收的数据是一帧新的数据起始，置正在接收数据标志recv_flag为1，同时将frame_start重置为0；否则说明此次接收的字符不是新的数据帧起始，然后判断T<1.5*T1的正确性。如果T<1.5*T1为真，说明此次接收的数据是正在接收数据帧的正常数据，将接收到的数据存储在一个自定义数组recv_buf中，count为接收的字符个数；否则不保存此次接收到的数据，重新设置帧的起始标志frame_start为1。

定时器中断子模块主要用于判断MODBUS一帧数据的起始与结束，通信程序会定时进入定时器中断子模块，定时时间间隔由初始化模块设置。定时器中断子模块流程图如图4。定时器中断子模块，首先将全局变量Num加1；然后检测T>3.5*T1的正确性。如果为假，直接返回；如果为真，再判断正在接收数据的标志recv_flag。若recv_flag为1，说明有数据正在接收，重置recv_flag为0，同时设置帧结束标志frmae_end为1，表示已经有一帧数据已经接收好，可以供数据处理及发送模块使用；否则直接设置帧起始标志frame_start为1，串口中断子模块检测到此标志则准备接收一帧新的数据。

数据处理模块判断信息帧要求实现的功能，并给主机回复信息。当检测到frmae_end为1的时候，通信程序会进入数据处理模块。进入数据处理模块，首先将frmae_end重置为0，然后判断地址码和CRC校验码的正确性，依此判断该数据帧的有效性。如果数据帧无效，不向触摸屏返回信息；否则通过程序switch-case语句执行触摸屏的命令，完成功能码的相应功能，向触摸屏返回一正常响应帧。

稳定控制功能模块采用这种程序设计的方法，能正确接收触摸屏的MODBUS RTU数据，并做出正确并快速的响应。程序简洁明了，使系统更加稳定。

由于人机界面模块和稳定控制功能模块之间传输的数据量很大，为了提高数据响应速度，在应用层将稳控装置内部数据分为两类。一类数据量相对较大，在特定界面下触摸屏才会定时向稳定控制功能模块发送数据请求，例如装置定值、交流采样数据等；另一类数据量相对较小，在任何界面下触摸屏都需定时稳定控制功能模块发送数据请求，如最新的告警信息标志、装置动作信息标志等。当触摸屏读取到装置动作信息标志，表明有动作发生，开始向稳定控制功能模块要具体的动作事件数据。这样处理的优点是，在满足触摸屏正确显示数据的前提下，有效的减少了触摸屏与稳定控制功能模块的数据通信量，提高了触摸屏的响应速度，使得人机交互性更好。当波特率达到115200bps时，通信仍然稳定、可靠。

稳控装置实际运行表明，采用支持MODBUS通信协议的触摸屏实现稳控装置人机交互的方法，可以在满足可靠性和实用性的同时，有效节约了开发和维护的成本，缩短了产品开发周期。由于MODBUS协议具有开放性、通用性的特点，MODBUS协议在稳控装置人机交互中的应用，对MODBUS协议应用在电力系统领域其它专业具有很好的参考价值。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (4)

1.一种利用MODBUS通信协议实现人机交互的电网安全稳定控制装置，包括稳定控制功能模块和人机界面模块，所述稳定控制功能模块用于实现电网安全稳定控制功能，所述人机界面模块用于实现监控界面所有的数据显示和修改功能，其特征在于，人机界面模块为支持串口MODBUS通信协议的触摸屏，稳定控制功能模块与触摸屏间通过RS485连接，数据传输采用串行链路MODBUS传输模式。

2.根据权利要求1所述的利用MODBUS通信协议实现人机交互的电网安全稳定控制装置，其特征在于，数据传输时，稳定控制功能模块与触摸屏之间的各类通信数据与MODBUS协议的功能码相互映射。

3.根据权利要求1或2所述的利用MODBUS通信协议实现人机交互的电网安全稳定控制装置，其特征在于，稳定控制功能模块与触摸屏间的数据传输采用MODBUS协议的RTU传输模式。

4.一种利用MODBUS通信协议实现电网安全稳定控制装置中人机交互的方法，其特征在于，采用MODBUS协议的RTU传输模式进行数据传输，包括以下步骤：

1）初始化：完成通信的波特率设置、数据接收的串口中断和定时器设置，将全局变量Num初始化为0，所述全局变量Num用于计算字符接收时间间隔T；

2）数据接收：包括串口接收中断和定时器中断两个过程，每接收一个字节就进入一次串口接收中断过程以接收数据，在数据接收中定时进入定时器中断过程判断MODBUS一帧数据的起始与结束；

其中，串口接收中断过程为：首先将全局变量Num置为0，然后判断帧起始标志frame_start是否为1；如果frame_start为1，说明此次接收的数据是一帧新的数据起始，置正在接收数据标志recv_flag为1，同时将frame_start重置为0；如果frame_start不为1，说明此次接收的字符不是新的数据帧起始，然后判断T<1.5*T1的正确性，如果T<1.5*T1为真，说明此次接收的数据是正在接收数据帧的正常数据，存储接收到的数据，如果T<1.5*T1不为真，则不保存此次接收到的数据，重新设置帧的起始标志frame_start为1；

定时器中断过程为：首先将全局变量Num加1，然后检测T>3.5*T1的正确性，如果为假则直接返回，如果为真，再判断正在接收数据的标志recv_flag是否为1，若recv_flag为1，说明有数据正在接收，重置recv_flag为0，同时设置帧结束标志frmae_end为1，表示已经有一帧数据已经接收好，供数据处理及发送步骤中使用，若recv_flag不为1直接设置帧起始标志frame_start为1，串口接收中断过程检测到此标志则准备接收一帧新的数据；

上述T为字符接收时间间隔，等于Num乘以定时器定时时间间隔的值，定时器定时时间间隔在初始化步骤中设置；T1为根据波特率计算出的1个字符的传输时间；

3）数据处理及发送：判断信息帧要求实现的功能，并给触摸屏回复信息，当检测到frmae_end为1的时候，首先将frmae_end重置为0，然后判断地址码和CRC校验码的正确性，依此判断该数据帧的有效性，如果数据帧无效，不向触摸屏返回信息，否则执行触摸屏的命令，完成功能码的相应功能，向触摸屏返回一正常响应帧。