MODBUS通讯协议在光伏发电能源管理控制器中的应用研究

曾敏，王永华，余松森，林东华，尹璐琳,

(1.广东工业大学自动化学院，广东广州，510006；2.华南师范大学软件学院，广东佛山，510631；3.中兴通讯股份有限公司，广东深圳，518057）

MODBUS通讯协议在光伏发电能源管理控制器中的应用研究

曾敏1，王永华1，余松森2，林东华3，尹璐琳,2

(1.广东工业大学自动化学院，广东广州，510006；2.华南师范大学软件学院，广东佛山，510631；3.中兴通讯股份有限公司，广东深圳，518057）

针对光伏产业以及工业过程控制技术的迅猛发展，本文探讨了MODBUS通讯协议在能源管理控制器与后台模拟工具之间的应用研究。阐述了MODBUS RTU通讯协议的工作机制以及相关的流程图，实现了python语言开发的后台模拟工具和能源管理控制器之间的通讯，并得到了准确的实验验证。同时，简要叙述了光伏发电系统的总体设计和工作原理。

嵌入式系统; 数据采集；MODBUS RTU; 能源管理控制器

0 引言

随着现代化工业过程控制技术的迅猛发展以及ARM处理器的普及，用微型处理器来代替单片机技术对工业现场的监测控制已经成为一种必然的趋势。而且在未来的这个领域中，我们在数据采集方面对它的可靠性、实时性以及告警等要求都比较高。为实现上述的这些功能业务需求，本文实现了运用MODBUS RTU通讯协议在光伏发电能源管理控制器与后台模拟工具之间的正常通讯，并且在光伏发电产品的开发中得到了广泛的应用，可以验证开发过程中对MODBUS RTU协议运用的正确性。

1 总体设计

整个监控系统主要包括与子设备之间的通信、能源管理控制器、与模拟工具（LCD显示器）之间的通讯、与客户端之间的通讯模块。它的总体架构如下图1所示。

能源管理控制器是基于ARM和LINUX操作系统开发的，通过MODBUS协议与各类子设备进行通讯，采集子设备的各类信息并将其存放到共享内存，对数据进行处理之后，客户端可以进行实时访问，同时也可以对采集的数据进行进一步的分析、处理后达到监控现场各设备的目的。本文主要探讨了在开发过程或者后期维护中，通过与MODBUS RTU通讯的LCD模块（模拟工具）对设备进行开发验证或者后期维护的内容。

图1 系统总体设计

能源管理控制器拥有256MB Nand Flash、128MB DDR2 SDRAM，为操作系统LINUX提供硬件平台，同时为大容量非易失性数据存储提供硬件支持，并提供大量的外围硬件资源，如USB、UART、Ethernet、CAN、干接点等。

2 MODBUS通讯协议

Modbus是由Modicon（现为施耐德电气公司的一个品牌）在1979年发明的，是全球首个真正用于工业现场监控的总线协议，其硬件便宜、通用性强、使用方便等优点，能对各种设备进行数据的采集和过程监控，使它在工业控制领域得到了广泛的应用。Modbus网络只有一个主机，所有通信都由它发出。网络可支持255个之多的远程从属控制器，但实际所支持的从机数要由所用通信设备决定。MODBUS通讯协议分为ASCII模式和RTU两种模式，在光伏发电能源管理控制器中由于对数据传输的效率和准确度要求高，所以本文采用的是MODBUS RTU传输机制。它的工作模式是一种主从方式，其数据帧格式如下表1所示。

表 1 MODBUS RTU数据帧格式

通过MODBUS RTU协议进行通讯的能源管理控制器与LCD模块的设计模块中，用到了如下MODBUS RTU功能码，如表2所示。

表2 MODBUS RTU功能码

3 MODBUS RTU通讯机制

能源管理控制器与后台模拟工具之间采用的MODBUS RTU通讯协议，它是一种主—从技术，即只有一个设备（主设备）能初始化查询，与它通讯的其他设备（从设备）都处于被动状态，只能根据主设备查询提供的数据作出相应的反应。

主设备与从设备之间的通讯有两种方式，第一种为单独与从设备进行通信，其二以广播的方式与所有从设备通信。如果是第一种通讯方式，从设备返回一消息作为回应；如果是以广播方式查询的，则不需要作任何回应。MODBUS协议建立了查询的格式：设备地址、功能码、所要发送的数据、CRC校验。所有从设备回应的消息也由MODBUS协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据和CRC校验。如果在消息传输过程中发生了错误，或者从设备不能识别主设备发来的命令，那么从设备就会建立一帧错误的数据并把它作为对主设备进行的回应。

MODBUS的查询—回应周期表如下图2所示。

主设备的查询消息中的功能码传输给相应的从设备要执行何种功能，数据段会告知从设备需要执行功能的任何附加信息，还必须包含有告诉从设备的寄存器地址，CRC校验是给从设备在主设备获取的消息帧是否正确的验证方法；如果从设备能产生正常的回应，在响应帧中的功能码是在查询消息中的功能码的应答，数据段包括了从设备收集的数据消息，比如寄存器值或者状态，如果有错误发生，功能码将自动被修改来用于指出回应消息是错误的，同时数据段包含了描述此错误消息的代码，CRC校验域允许主设备确认消息内容的正确性。

图2 MODBUS的查询回应周期表

4 实验验证

通过用Python实现的后台模拟工具，设置完串口或者网口通信、波特率9600、校验位等参数，可以模拟客户端，通过MODBUS RTU通讯模式访问该控制器来子设备的实时数据信息。

图3 实时数据信息a

图4 实时数据信息b

在图3中，输入01 04 75 02 00 02 CA 07这一帧数据包给监控模块获取总发电量，得到响应01 04 04 00 00 00 00 FB 84，由于没有接入子设备，所以它的总发电量输出为0；图4中，输入01 03 65 00 00 06 DB 04这一帧数据包给监控模块获取系统时间，得到响应数据帧01 03 0C 00 3A 00 2F 00 09 0006 00 01 07 E1 17 21，其中01是对应的设备地址，03是读取保持寄存器，0C是根据发送数据帧06（字）得到的响应数据帧的字节数，00 3A对应就是秒，00 2F对应的是47分，00 09对应9时，00 06对应6日，00 01对应1月，07 E1对应2017年，17 21是这一帧数据的CRC校验。

通过以上两个实验，对比查看数据记录和协议解析结果，获取总发电量、系统时间等，可以得到MODBUS RTU在通讯过程中的准确应用，并得到正确的结论。

5 结语

本文简要介绍了光伏发电系统的总体框架，主要研究了MODBUS RTU协议在能源管理控制器与后台模拟工具之间的应用，并且通过串口实验能实现数据的正确传输，同时该控制器是在linux操作系统开发的，具有稳定性好、实时性好、抗干扰能力强等特点，通过后台模拟工具可以方便验证开发成果以及售后服务可以接入LCD进行后期维护。另外，在以后的研究与探讨中，可以对该能源管理控制器作进一步的完善，比如实现CAN总线、工业以太网等与客户端或者设备之间的通信，也可以对子设备的数据采集通道进行扩展，实现更强的采集功能。

[1]海涛，梁挺兴，彭瞬杰等，一种基于串口服务器的光伏监控系统的设计[J]，自动化仪表2015年12月，第36卷第12期.87-90.

[2]许龙虎，张浩，彭道刚，李辉，基于Modbus的嵌入式数据采集系统设计[J]，华东电力，2009.37(2),311-313.

[3]周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京：北京航空航天大学出版社.2005.

[4]张宇，陈明.基于ARM7的嵌入式数据采集系统设计[J].电子测量技术，2007，30(1):99-101.

Research on Application of Modbus Communication Protocol in Photovoltaic Power Management Controller

Zeng Min1，Wang YongHua1，Yu SongSen2，Lin DongHua3,Yin LuLin2
(1.School of Automation, Guangdong University of Technology,Guangzhou Guangdong, 510006;2.School of Software, South China Normal University,Foshan Guangdong,510631;ZTE Corporation,Shenzhen Guangdong,518057)

In view of the rapid development of PV industry and industrial process control technology, this paper discusses the application of MODBUS communication protocol between energy management controller and background simulation tool. This paper expatiates the working mechanism of MODBUS RTU communication protocol and the related flow chart, realizes the communication between the background simulation tool developed by python language and the energy management controller, and obtains the accurate experimental verification. At the same time, the overall design and working principle of the photovoltaic power generation system are briefly described.

embedded system; data acquisition; MODBUS RTU; energy management controller

广东省应用型科技研发专项资金项目（2016B020244003）、佛山市科技创新项目（2014AG100162）。

曾敏，硕士研究生，主要从事光伏发电和物联网研究。余松森，教授，博士，主要从事物联网研究。

王永华，博士，主要从事物联网、RFID组网研究。