基于Modbus通讯协议的Rs-485总线在配电自动化控制系统中的应用(05-100)

摘要：本文介绍了基于Modbus通讯协议的Rs-485总线在配电控制系统中的整体结构，并且重点阐述了Rs-485总线现场智能节点（以正泰电器股份公司生产的NST1-H型智能控制器为例）的硬件电路实现及软件流程设计的方法。

关键词：Modbus协议；Rs-485总线；智能控制器 
  
引言 

随着输配电自动化程度越来越高，传统的输配电操作和控制方式已不再适应当今的发展要求，自动化控制系统得到越来越多的运用。RS-485因硬件设计简单、控制方便、成本低廉等优点广泛应用于工厂自动化、工业控制等领域。因此针对当前输配电行业的设备现状和发展需要，本文将介绍一种基于MODBUS通讯协议的Rs-485总线技术进行通信的智能断路器控制系统。
 
控制系统整体结构 

基于Rs-485总线的配电自动化控制系统由智能断路器、监控计算机和Rs-485控制网络3部分构成。
 
智能断路器是直接面向运行现场的智能节点，其核心控制器件智能控制器，主要功能是采集现场电流、电压、频率及功率因素等数值，按照一定的控算方法对配电控制回路的断路器进行控制操作；将现场检测到的电流、电压、断路器分合闸状态等信息通过Rs-485总线通信网络传送至监控机，并实时处理监控机下传的遥控分/合闸等各种命令。 

监控计算机的主要功能是对现场智能节点的运行参数进行实时检测，获得现场运行数据，监测系统状态异常，并根据故障信息发出相应的报警信号；以友好的图形界面直观指示当前各智能断路器的运行状况及参数信息；实现故障记录管理，并实现远程控制智能断路器分/合闸功能。
 
Rs-485控制网络部分主要由Rs-485通信接口、通信介质、接口电路、Modbus通讯协议及相应的通信软件组成。Rs-485通信接口实现智能节点与监控计算机之间的串行连接；Modbus通讯协议制定了消息域格局和内容的公共格式，为智能节点与监控计算机之间提供通信规约；通信介质为双绞线，负载连接在A、B线之间。
 
现场智能节点设计 

为了深入说明Rs-485总线接口在输配电自动化系统中的应用，本文以浙江正泰电器股份公司生产的NST1-H智能控制器为例，简要介绍该智能控制器的总体设计，并给出实现Rs-485通信的硬件电路和软件流程图。 

现场智能节点总体结构 

如前所述，智能控制器在自动控制系统中需完成现场数据采集和处理、控制器各执行器件的控制及与远程监控计算机之间的通信等主要工作，因此智能控制器的设计是整个系统的关键部分。其结构框图如图1所示。

 

考虑到可靠性、性价比等因素，智能控制器CPU采用三菱系列单片机M30201。智能控制器设计采用结构化设计方法，包括四大部分：RS-485通信接口电路部分、电源管理部分、信号输出执行部分、I/O接口部分。其中I/O接口部分包括现场数据采集、键盘输入与显示和执行器的控制信号输出等工作。下面简要介绍RS-485通信接口电路的硬件实现。 

智能控制器Rs-485接口电路设计 

在某些工业控制领域，由于现场情况十分复杂，各个节点之间存在很高的共模电压。虽然Rs-485接口采用的是差分传输方式，具有一定的抗共模干扰的能力，但当共模电压超过Rs-485接收器的极限接收电压，即大于+12V或小于－7V时，接收器就无法正常工作，严重时甚至会烧毁芯片和仪器设备。为消除此问题，增强智能控制器在通信中的抗干扰能力，本设计采用二次集成芯片MAX1480进行信号隔离，接口电路如图2所示。