基于Modbus/TCP的风机数据采集方案设计

◆郑 钦 张真真 唐宏芬

基于Modbus/TCP的风机数据采集方案设计

◆郑 钦 张真真 唐宏芬

(中国大唐集团新能源科学技术研究院有限公司 北京 100040)

Modbus通信协议具有标准、开放及免费等特性，其在新能源风电机组PLC通信中得到了广泛应用，很多风机主控系统厂家，都支持Modbus通信协议。本文基于Modbus/TCP设计并开发了风电机组数据采集系统，可直接与风机的主控PLC通信，可准确的获取风机的实时运行数据，有效地解决了风力发电机组数据获取方面的问题，具有一定工程价值。

Modbus协议；风电机组；PLC；风电机组数据采

0 引言

实时、精确的获取风电机组数据运行数据是开展风电机组运维指标、状态评估、故障分析、健康诊断与预警等工作的基础，是指导风电场精细化运维管理的必然要求。目前，获取风机数据主要手段是通过风机SCADA系统转发，这种途径获取到数据的实时性及数据点的个数日渐满足不了风机各项分析的需求。一方面，转发获取的风机数据的稳定性也依赖于风机SCADA系统为稳定性，SCADA系统一旦发生故障或者数据跳变，就会导致采集中断或者计算出错。另一方面，受制于SCADA系统本身，为了保障其本身运行状况良好，所转发的数据量级及精度未必能够满足分析应用需求。

因此，充分利用主控厂家开放的通信协议，可以直接从风机主控PLC采集数据，不失是一种风机数据采集的行之有效的便捷方式。文献[1]提出了一种基于TwinCAT的风机PLC数据采集方式，可通过TwinCAT协议，从风机采集数据。文献[2]研究了OPCXML-DA接口规范，开发了OPCXML-DA客户端程序，实现 SIEMENS-2.38海装风机数据的采集。本文提出了基于Modbus/TCP的风机PLC数据采集方案设计，并开发了相应的工具。

1 Modbus通信协议

Modbus是工业现场应用总线协议，广泛应用于数据的采集及过程监控。按照传输介质分类，Modbus协议简要分为两种：串口Modbus及网络Modbus。串口Modbus 是一种异步串行传输协议，传输介质有RS232/422/485,光纤或者无线等，在通讯时，需要定义使用的参数，例如波特率、校验方式等。网络Modbus采用网线进行通信，数据通信的1-4层实现，与通常的以太网通信一样。风机通信过程中，应用较多的是网络Modbus，本文主要对网络Modbus的应用进行介绍。网络Modbus使用了TCP传输过程中的五层，物理层、数据链路层、网络层以及传输层都与普通网络通信相似，端口默认为502，在第五层（应用层）上面，采用Modbus的协议报文进行通信。Modbus TCP数据帧包含报文头、功能代码和数据3部分。其中，MBAP为其报文头，包括MBAP、Modbus Application Protocol、Modbus应用协议四个域。

2 PLC数据采集方案

根据风机类型的不同，风机内部结构也不相同，但是主要包括叶片、轮毂、变桨、偏航、机舱、风速议、塔筒、塔基等几个部分。风机内部有主控制器，根据采集到的风机的数据以及状态，并通过内部的计算和判断，控制风机的启停、偏航、变桨等[3]。风机内部通信系统结构图如图1所示。

风机内部分为主PLC及从PLC，主PLC位于机舱内部，是风机的大脑，负责监控风机的运行的所有参数，从PLC控制器位于塔底，是面向运维人员的，运维人员可通过控制面板，由从PLC控制器，向主PLC发送控制指令及参数设置[4]。主从PLC控制器之间，通过一般通过光纤连接。

图1 风机内部通信结构图

通常情况下，将一个风电场所有的风机，或者一条集电线上的多台风电机组串联形成光纤通信环网，将其主PLC联结起来，统一接入风电场场站内的风机监控系统平台上。这样，只要连接到通信环网交换机上，理论上就可以和每台风机进行实时通信。

图2 风电场风机通信网环网示意图

本文在风电场场站内部署通信工控机，接入通信环网交换机，用以实现与每台风机的通信。然后部署Modbus采集程序，实现风机数据采集。

风机数据采集的基本步骤如下：

（1）通过Connect()命令与风机的502端口建立连接；

（2）准备Modbus数据报文；

（3）使用send()命令发送报文，然后等待应答；

（4）使用recv()命令读取报文，并对报文进行解析；

（5）将采集的数据，与通信点表对应，并将数据展示到界面上。

以读取风机遥测数据为例，每个遥测值占用2个字节，即1个寄存器，通信开始时发送报文：

01 03 02 00 00 0D 85 B7

其中，01为设备地址，03为功能码，02 00为寄存器地址，00 0D为数据长度，85 B7为CRC校验码。

接收报文为：

01 03 1A 00 00 00 00 00 00 1E AE 00 00 1E AD 1E AD 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 6A 96 77 67

其中，01为设备地址，03为功能码，1A为数据长度，最后二位77 67为CRC校验，中间为实时数据。图3为程序实现界面。

图3 采集程序实现界面

3 总结

Modbus通信协议由于简单、免费等特点，在风机PLC通信中应用广泛，同时，Modbus通信协议标准，可方便不同厂家采集数据，这也为直接从风机PLC采集风机数据提供了可能。基于Modbus的风机数据采集系统，可直接从风机PLC采集数据，确保了风机数据的高效、稳定性。该数据采集系统已在大唐集团某风电场实际运行，运行效果良好。

[1]尹诗，申烛，孟凯峰等.基于Twincat风电系统数据采集设计[J].能源与节能，2013.

[2]尹诗，余忠源.基于OPCXML技术的风电场数据采集系统设计[C]//中国电机工程学会年会，2012.

[3]廖茜.Modbus/TCP协议在风机组态监控系统中的应用[J].智慧工厂，2010.