屈家店水利枢纽综合测量系统设计

杜 岗 姜 伟 于 红

(1. 连云港职业技术学院 江苏连云港 222000； 2. 水利部海委海河下游管理局屈家店枢纽管理处 天津 300000；3. 徐州理工计算机工程技术研究所 江苏徐州 221000)

屈家店水利枢纽综合测量系统设计

杜 岗1姜 伟2于 红3

(1. 连云港职业技术学院 江苏连云港 222000； 2. 水利部海委海河下游管理局屈家店枢纽管理处 天津 300000；3. 徐州理工计算机工程技术研究所 江苏徐州 221000)

针对天津市屈家店水利枢纽工程的实际情况和水位、电量综合测量系统的具体需求，利用浮子式水位传感器和智能仪表实现对现地数据的采集，同时，将现地各LCU单元通过光纤和交换机搭建以太环网，实现对数据的远程监测。重点介绍了针对变电所智能仪表的MODBUS数据采集过程，通过对TSX SCP114通信卡的通信机理、接线方式的深入研究、通信参数的合理设置及通信函数的正确选用，大大提高了系统的通信性能。

水位测量； PLC； MODBUS

0 引言

屈家店枢纽位于天津市北辰区，地处天津市北系防洪圈，是永定河、北运河尾闾汇合后的控制性工程。枢纽包括：北运河节制闸、新引河进洪闸和永定新河进洪闸。为应对2012年“7.21”和“7.25”强降雨影响，各闸紧急开启泄洪，在长时间、大流量的泄水冲击下，原有的投入式压力水位传感器、测量辅助设施及测量线路等损毁严重，水位测量系统陷入崩溃。为便于及时掌握水情，保障防汛工作安全、正常开展，决定立刻对原有水位测量系统进行重(改)建。同时将新扩建变电所纳入监控系统中，要求实现对各种高低压电量参数的远程监测。

1 系统方案设计及硬件组态

系统主要由永定新河进洪闸、永定新河进洪闸、北运河节制闸和变电所四个现地LCU和管理处监控主机等节点构成，LCU控制器采用施耐德BMXP342020型PLC，各PLC通过接口模块或通信卡与现地传感器或智能仪表相连；同时，各LCU单元及管理处监控主机通过光纤、光端机、交换机等网络设备构建以太网环网。经由光纤环网，以TCP/IP协议将现地测量数据传输至管理处工控机，并通过MCGS组态软件实现对各种数据的远程监控。海委下游局也可通过与数据服务器建立INTERNET连接的方式读取现地数据。系统结构如图1所示：

图1 系统结构图

北运河节制闸、新引河进洪闸、永定新河进洪闸和变电所LCU单元数据处理功能基本一致，所以硬件构成基本相同。LCU硬件组态如图2所示。其中，CPU P342020集成有以太网接口和MODBUS通讯接口[1]。触摸屏HMISTU655通过网线连接至01槽位的以太网模块，实现测量数据的现地显示；CPU上的RJ45口与光端机连接，通过光纤将LCU单元接至系统以太网环网中；TSX SCP114通信卡插在CPU上集成的MODUBUS通信接口上，作为通信主站，通讯电缆TSXSCPCM4030另一端与作为从站的变电所智能仪表清华紫光DCAP-3000变压器综合保护仪表和SM-1000多功能表连接，实现PLC与智能仪表之间的MODBUS数据通信。水位变送器输出4～20 mA电流信号以二线制方式接入到模拟量输入模块BMXAMI0410的接线盒上。

2 水位传感器的比较和选择

屈家店枢纽原有水位测量传感器采用的是投入式压力水位传感器，该型传感器虽然具有测量量程大、设备价格低、土建安装简单等优点[2],但其相对精密复杂的测量元件、电路极易受到外界环境干扰，产生非线性漂移现象，另外，由于传感器安装在水底，安装方式简单，也极易受到损坏。2012年“7.21”和“7.25”强降雨之后，屈家店原有投入式压力传感器就是在长时间、大流量的泄水冲击下而彻底损毁。相比较，浮子式水位传感器是目前技术最成熟、工程应用最广泛的水位传感器，相对简单的机械结构配合绝对值式的编码器，使其具有运行可靠、信号记忆跟踪、抗干扰能力强、测量精度高等优点。如果在前期土建时修建牢固的测量井或钢管井对传感器进行保护，将可显著增强其稳定性和可靠性。

图2 LCU硬件组态

因此，屈家店水利枢纽综合测量系统中水位传感器决定采用FYC-3型浮子式液位传感器，编码器采用接触式绝对编码器，输出4～20 mA标准模拟量信号，同时支持RS485串行信号输出。

3 MODBUS通讯设计

变电所LCU控制器PLC单元与智能仪表之间的数据通讯是基于MODBUS协议的，其中SCP114通信卡是作为MODBUS主站，智能仪表作为从站，主站与从站之间用TSX SCPCM4030型号通讯电缆连接[3]。确保通信线路的接线方式和主从站的参数设置正确，是实现数据正常通讯的前提条件。

3.1 SCP114通信卡接线方式

TSX SCP114通信卡通讯协议是MODBUS协议，其通讯载体是RS-485串行通信线路。在本设计中，SCP114卡处在通信线路的起始端，按照要求，其接线方式应如图3所示：

图3 TSX SCP114通信卡接线方式

为了提高通信线路的通讯性能，需要在线路中加上终端电阻和上拉、下拉电阻，线路中的最后一个从站设备也需要加上终端电阻。

3.2 参数设置

SCP114通信卡在使用前根据需要进行相应的参数配置[3]。波特率设置为9 600 bit/s，数据格式为数据位8位、停止位1位；无奇偶校验；除此之外，要想实现高效的MODBUS通信，还需要对answer delay、Number of Retries、Delay between characters等参数进行设置。另外，作为从站的智能仪表通信参数配置必须与主站SCP114通信卡一致，同时由于有多个从站仪表，设备地址不能重复。

3.3 MODBUS通信过程函数应用

要实现TSX SCP114 卡与智能仪表之间的MODBUS协议数据通信，在编写PLC通信程序时必须要借助SEND_REQ、ROR1_ARB和SWAP3个函数指令[4]。函数功能语法见表1所示：

表1 MODBUS功能函数

表1中SEND_REQ函数语法中各字段的含义分别为：ADR#{n,s}xy.i.j表示从站地址，16#xx表示请求码值，%MWxx:ll表示待发送数据，%MWyy:ll表示收到的数据，%MWzz:4表示管理参数[3]。结合实例对以上三个函数进行详细的说明：

1) SEND_REQ。获取地址为02的DCAP-3000变压器综合保护仪表中的数据，并将数据放在CPU内存程%MW20 :30中，实现这一数据通信过程的PLC程序指令可以写作：SEND_REQ (ADR # 0.0.2, 16#009F ,%MW10:10 , %MW20:30, MW100:4)，对函数指令分析如下：

① ADR #0.0.2 // 从站DCAP-3000智能表的地址。

② 16 #009F // MODBUS 通信请求码。

③ %MW10 :10

%MW10 :=16#0004 // 读功能字

%MW11 :=16#0296 // MODBUS 通信标记

%MW12 :=0 // 保留字

%MW13 :=16 #1000 // 要读取的第1个字的地址 16 #0010

%MW14 :=16 #1A00 // 要读取的数据的长度为 16 #001A

④ %MW20 :30

%MW20 // =0, 说明通信成功;=1 , 说明通信失败

%MW21 // % MW20 = 1, 则表示失败原因;%MW20 =0, 则返回读功能字4

%MW22

=PF01A

byte0=16#1A // 返回26个字节数

byte1=PF0 // 第1个字的高字节

%MW23

=PF1 pf0

byte0=pf0, // 第1个字的低字节

byte1=PF1 , // 第2个字的高字节

%MW47

=PF25 pf24

byte0 =pf24 //第25个字的低字节

byte1 =PF25 // 第26个字的高字节

%MW48

=XX pf25

Byte0 =pf25, // 第26个字的低字节

⑤ %MW100 :4

%MW103 // 主站向从站发送字节的长度

2) ROR1_ARB。在执行完SEND_REQ指令后，从站数据被采集到PLC的内存中地址为%MW20:30的字表中，如图4(a)所示；数据在字表中的存储结构不符合要求，要想得到最终结果，需要对字节进行由高到低右移一个字节。程序中需要使用到ROR1_ARB指令，程序代码为：ROR1_ARB(%MB44 :52)，执行的结果是对字表%MW22:26中的所有字从高到低右移1个字节。数据结构改变结果如图4(b)所示。

3) SWAP。在对字表%MW22:26中的字由高到低右移一个字节处理后，字的高低字节颠倒，为了得到最终正确的数据，就需要对高低字节进行互换，程序中使用SWAP函数实现高低字节互换，代码为：SWAP(%MW22 :26)；执行的结果如图4(c)所示。

图4 数据字的转换处理过程

3.4 MODBUS传输方式选择

在MODBUS系统中有两种传输模式可选择，一种模式是ASCII(美国信息交换码)，另一种模式是RTU(远程终端设备)。每个MODBUS系统只能使用一种模式，不允许2种模式混用[5]。采用ASCII码模式时传输的都是可见的ASCII字符，所以进行调试时就更加地直观，但同时，相比RTU模式，它的传输效率比较低。在本项目中，由于需要传输的数据比较少，结合ASCII码模式调试直观、LRC校验比较容易等优点，综合考虑选择ASCII码模式。

4 结束语

本设计中，测量采集量来自6个水位数据采集点和三个电力参数仪表。数据传输过程中涉及到模拟量数据传输和MODBUS协议数据传输。来自于FYC-3型浮子式水位传感器的4-20mA模拟量信号，经过AI模块的A/D转换后再进行简单的量程、线性化设置即可得到实际的水位数据。而电力参数数据由智能仪表采集并经过MODBUS协议包装后进行传输，因此需要针对这一过程进行MODBUS数据通信设计。采用MODBUS协议通信时，协议的详细细节可以不用考虑[5]，按照函数的固定语法即可实现通信，但获取的数据并不准确，因此工作重点要放在数据处理上，经过两次数据字节转换才可得到准确数字。同时在进行MODBUS通信时，参数设置非常重要，主从站波特率根据现场情况要设置合理，最好不要太高，4 800 bit/s或9 600 bit/s即可满足条件，同时为了确保通信的实时性和准确性，SCP114通信卡的接线一定要准确，线路中下拉电阻设置要合理，最好使用专用的接线盒。

[1] 李守军，徐立中，于红，等.黄河拉西瓦水电站水位测量盘通信单元设计[J].人民黄河, 2010(6): 116-117.

[2] 安全，范瑞琪.常用水位传感器的比较和选择[J].水利信息化，2014(3): 52-54.

[3] 储云峰.施耐德电气可编程序控制器原理及应用[M].北京：机械工业出版社, 2007：260-290.

[4] 李守军，刘大奎.天津独流减河工程监控系统现地通信单元设计[J].水电自动化与大坝监测，2008(4): 77-80.

[5] 邵俊，楼卫东，熊月宏，等.基于MODBUS协议温湿度数据采集系统的实现[J].电子测量技术，2010(3): 122-125.

Design of Qujiadian Hydraulic Complex Measuring System

DU Gang1JIANG Wei2YU Hong3

(1.Lianyungang Technical College, Lianyungang 222000, China; 2.Qujiadian Water Conservancy Hub, Tianjin 300000, China; 3.Xuzhou Science & Computer Engineering Research Institute, Xuzhou 221008, China)

For the need of the Qujiadian hydraulic project and the requirement of the complex measuring system, all the LCU constructed the Ethernet ring network ,by which, the field data gathering from the water level sensor and the intelligent instrument can be collected and monitored remotely . The MODBUS data acquisition process of intelligent instrument for substation is introduced. With the help of the studying for the communication mechanism and connection mode of the TSX SCP 114 card, the Reasonable setting of communication parameters and the correct selection of communication function, the performance of the system can be greatly improved.

water level measuring; PLC; MODBUS

2015-09-18

杜 岗(1981-)，男，工程师，硕士，主要研究方向：水利信息化与计算机控制

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1672-2434(2015)06-0024-04