RTU协议范文

RTU协议范文（精选7篇）

RTU协议 第1篇

关键词：Modbus协议,交流电压峰值,MSP430F449,MAX1270

0 前 言

交流电压峰值是指交流电压的最大值(正峰值)或最小值(负峰值),是工业生产过程中一个非常重要的参数。为保证用电设备的安全,对供电电压的峰值[1]进行检测具有重要意义。测量峰值的方法主要有示波器法、间接计算法、专用峰值表法。利用示波器虽然可直观地显示电压的波形和峰值,但在成本和便携性上示波器均不能作为现场监视设备;间接计算法只适用于标准正弦波,实用性不大;专用峰值表大都存在体积较大,携带不便,且与电脑或控制设备相连不便的缺点。针对以上缺点,采用MSP430[2]系列单片机、MAX1270模/数转换器,并利用Modbus-RTU协议,成功地开发出了低成本、便携、智能的峰值表设备。

1 测量原理

由于供电电网的波动及电网的电压波形是一种非标准正弦波,其峰值不能通过平均值或有效值间接计算。该系统采用对非标准正弦波在一个周期内多次采样,并通过冒泡法比较采样值,得到电压的最大值或最小值作为其正峰值和负峰值。显然只要采样密度适当,完全可以得到真实的电压峰值。我国交流电的频率为50 Hz,设计中采样频率设置为10 kHz,即每个交流波形周期中采样200次,足以正确地反映出电压的变化情况,从而确定电压的峰值。

2 硬件设计

设计中,以MSP430F449[3]单片机、MAX1270模/数转换器为主要器件。前端A/D输入采用电阻分压方式将交流电进行降压;采用RS 485芯片作为通信接口芯片,硬件框图如图1所示。

2.1 A/D输入调理保护电路设计

以220 V交流电为例,其理论峰值电压为311 V,但考虑到电网波动、正弦波失真等,电压峰值很可能超过311 V,这时可根据工作经验和实测情况,选定一个电压值作为电压可能达到的最大值,假定为500 V。如果MAX1270的输入范围设置为±5 V,则分压电阻的分压比应设置为100∶1。分压后的电压经过运放缓冲后作为A/D芯片的输入,为保护后级A/D转换芯片,设置两个稳压二极管组成限幅电路。输入调理电路如图2所示。

2.2 A/D转换电路

A/D转换电路采用MAX1270[4]芯片,MAX1270是8通道、多量程双极性输入、串行输出、逐次逼近型12位A/D转换器,最高采样率为110 kS/s。在单+5 V电源供电下,可通过编程实现±5 V,±10 V,5 V,10 V量程。其中,双极性输入十分适合作为交流电压测量。

MAX1270转换电路如图2所示,由MSP430F449的I/O口线控制MAX1270的串行接口。由于MAX1270在5 V电压供电下,输出4.5 V以上高电平,而MSP430F449的I/O口电平为3.3 V,因此必须附加一个接口芯片,以实现5～3.3 V的电平转换,这里采用MAX3001双向电平转换芯片。A/D转换电路如图3所示。

2.3 RS 485接口电路

该设计采用RS 485总线[5],可通过电缆或光纤将信号有效地远传上千米,配合Modbus-RTU协议,可方便地与符合Modbus-RTU协议的控制设备连接。设计中采用MAX3485芯片作为RS 485接口芯片,电路如图4所示。

3 软件设计

设计中,主要的软件模块包括A/D转换,Modbus-RTU协议和串口编程。对于串口编程不再赘述,主要对MAX1270[6]和Modbus-RTU[7]协议进行说明。

3.1 MAX1270编程

MAX1270的控制字格式如表1所示,最高START为起始位,保持为“1”;SEL2～SEL0为输入通道选择位;RNG,BIP分别为量程和极性选择位;PD1和PD0为掉电和时钟模式选择位。各位的具体意义请参考MAX1270数据手册。该设计中,MAX1270设置为:量程10 V,双极性输入(即实现±5 V测量)、外部时钟25 CLK/s正常操作模式,使用通道CH0作为输入通道,控制字的格式为10000101。

/*函数:max1270ACQ()功能:读取A/D转换数据*/

unsigned int max1270ACQ()

{

unsigned char cmd;

cmd=0x85; //双极性正负5 V输入范围,通道0,常规操作、外部时钟模式

unsigned char t=8;

do //写入控制字

{

max1270CLKCLR;

NOP();

if((cmd & 0x80)==0x80)

max1270DISET;

else

max1270DICLR;

cmd<<=1;

NOP();

max1270CLKSET;

NOP();NOP();

}

while (--t!= 0);

max1270DICLR;

//等待转换完成

for(int i=5;i>0;i--)

{

max1270CLKCLR; //时钟下降沿

NOP();NOP();

max1270CLKSET; //时钟上升沿

NOP();NOP();

}

//读出转换结果

unsigned int dat=0;

t=12;

do

{

max1270CLKCLR;

NOP();

dat<<=1;

if(max1270DO) //DO的输出为1

dat++;

max1270CLKSET;

NOP();

}

while (--t!=0);

NOP();NOP();

max1270DICLR;

max1270CLKCLR;

NOP();NOP();

return dat;

}

3.2 Modbus-RTU协议

Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其他设备之间可以通信。Modbus-RTU是Modbus[8]协议的一种传输模式,在该模式下,消息中的每个8 b包含2个4 b的16进制字符。Modbus协议的核心程序是CRC校验[9]程序的编写。该系统中采用CRC-16校验法,具体程序实现如下:

//CRC生成和校验:用于CRC生成和校验,其中frame为数组指针,n为数据个数//

unsigned int CRC(unsigned char *frame,int n)

{

int i,j;

unsigned int flag,crc;

crc=0xffff;

for(i=0;i<n;i++)

{

crc^=*frame++;

for(j=0;j<8;j++)

{

flag=crc&0x0001;

crc>>=1;

crc&=0x7fff; //crc高位补零

if(flag)

{

crc^=0xa001; //crc xor A001

}

}

}

flag=crc%256; //取模求余得到crc低字节

i=(crc-flag)/256;

crc=flag*256+i; //高低字节交换

return(crc);

}

3.3 其他重要子程序

程序中采用定时器中断触发每次采样,保证采集周期的精度,同时每次采集时都以过零点作为采集数据的开始。这两点都有利于提高系统精度。

//定时器设置

CCR0=399; //4000.25 μs=0.1 ms,即采样周期

设定为10 kHz(10 k/50=200)

TACTL=TASSEL2+MC1+TACLR;//MCLK=4 M,Up Mode,CCTL0=CCIE; //CCR0中断使能

//正过零点判断

if(ADResult<=5); //当检测到电压值为正零点时才正式进入采样

StartFlag=1; //StartFlag为开始存储数据的标志

else

StartFlag=0;

4 测试结果

通过施加标准正弦波、非标准正弦波、三角波测试,可使该表的峰值测量精度高于1级,完全满足工业现场设备供电检测的需求。该表与工控组态软件MCGS[10]配合,工作良好。此外,该表除了测量峰值以外,还扩展了电压平均值、有效值的计算,设计成一个具有多功能的智能仪表。

5 结 语

该设计以MSP430F449单片机、MAX1270为核心,编写了Modbus-RTU协议,同时利用RS 485接口可方便地进行数据远传或与符合Modbus-RTU协议的设备相连,该表的体积小,功耗低,可使用干电池或蓄电池供电,非常适合作为编携式设备,随身携带,也可作为功能模块直接安装在工业现场设备对电网供电电压峰值、有效值等参数进行监测。

参考文献

[1]李玉峰.自动切换量程的峰值电压检测系统[J].电测与仪表,1999,36(12):14-16.

[2]陶维青.基于430单片机的新型配电变压器远方终端的开发[J].继电器,2005,33(19):66-69.

[3]魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及设计实例[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.

[4]王立新.串行A/D转换器MAX1270及其应用[J].微计算机信息,2006(12):305-307.

[5]陈树广,武君胜.RS 485总线在智能抄表系统中的应用研究[J].微计算机信息,2008(13):148-150.

[6]Maxim Corporation.MAX1270 Datasheet[Z].2007

[7]王兴贵,张明智,杜莹.Modbus RTU通信协议在智能仪表与工控机通信中的应用[J].低压电器,2008(2):8-11.

[8]Modbus协议[EB/OL].http://www.modicon.com,2007.

[9]常晓明,王建东.CRC校验及其软件实现[J].电子技术应用,1995,6(14):23-25.

浅谈RTU仿真系统的应用 第2篇

在计算机应用领域,以软件代替硬件是未来的一种发展趋势。

以移动通信领域的手机为例,硬件按钮手机用过几年后, 往往会发生操作按键故障,并且随着使用年限增加而不断加重,最后只好换掉。而触屏按钮不会有接触不良的物理性故障,这是使得产品的硬件构造不断被软件功能取代的原因之一。另外,现代工业的趋势不是追逐大批量单一品种,而是多品种、特色化、柔性化的面向多种客户提供针对性服务,这导致生产系统必须是易改变的和智能化的。

在电网自动化系统中,越来越多的信息处理不能依靠硬件来完成,那样不仅代价太高,体积太大,不易改变,而且有些需求用硬件基本是无法实现的,只能通过软件仿真来实现。这种思路的改变,除了带来类似上述工业产品的一般性变化之外, 还带来了电网自动化监控系统所需要的专门化和柔性化。

1站端设备软件仿真优势

在电网自动化系统的厂站现场,工作往往千头万绪,有时难免顾此失彼,出现好多细节方面的信息不完整导致的失误。

有过这样的事:基建现场的其他设备都已到场就位,就差厂站终端设备(RTU)了,与厂家多次联系后确认,会在一个月后到货,于是现场按此计划一边安排别的工作一边等着。等到设备真的到场就位,准备开始调试时,却发现从户外端子箱到转接架之间竖井的通信电缆还没放,导致转接架到RTU设备的对线工作无法进行。白等了一个月,本应该在等待设备到货的空闲时间里完成的工作,却要在设备到货以后才去补基建遗漏的课。

由此可知软件仿真RTU对现场调试的意义,除了可以预调四遥的功能外,还能够预先查验通信链路的缺失与不到位之处,从而在等待设备到位的过程中,先把链路仔细查一遍,设备一到位,就可以实现真正的主站厂站间通信调试和数据点对位工作。

另一方面,从本质上讲,RTU点位与主站数据库的对位工作并不依赖真实RTU的硬件,因为从主站侧看过去,每一个点位仅仅是一个数据状态而已,只要仿真RTU的点位与设定真实硬件RTU所使用的信息表一致,主站并不在乎你那边是硬件RTU还是仿真RTU,这时与主站数据库的对位调试工作是以同样的方式进行的。

用仿真软件进行调试的另一优势是可以根据需要人为改变点位的数据或状态,比如遥信取反的设置、遥测的限值设定等,这比在真实系统上做变位操作安全方便得多。

2实习培训系统中的RTU仿真

电网自动化培训系统所要达到的目标,是让学员掌握主站厂站操作的全过程,学员自己动手操作,自己查证结果,这样既简单明了,也有利于对操作的经验性理解。

RTU仿真系统用作培训的真正优势,是设备的高度柔性化。在硬件RTU设备中,其配置一旦确定,每次启动时设备都会去检查配置与硬件是否一致,不能在应用界面上进行改动。 但仿真RTU修改配置非常方便,可以直接在设备配置界面上修改。

图1为仿真RTU的配置界面。

使用RTU仿真系统,即使操作失误,也不会造成损失。而真实厂站终端的点位是不可以随便更改的,这是培训系统仿真的另一优点。

此外,对于新旧各种规约,在实际系统上不可能全部碰到, 但培训系统的目的是要求学员全面掌握,起码也要见过,有所了解。这种全方位视野的获得,对于有经验的专责更为重要, 因为这样能更深刻理解数据通信和规约的历史演变等更深入的问题,不仅知道是什么,而且知道为什么。这些知识要在真实的厂站设备上通过经验积累获得,需要很长时间,甚至没有机会获得,比如串口通信规约,正在逐步被光纤和网络所取代, 但在现场,不到折旧期年限的设备必然还将继续运行,如果出现问题还需要维护。而对新来的专责,他可能接触不到,也就理解不了这串口规约为什么要这个功能。但在设计完整的培训系统上,要做到这一点并不困难。

此外,如果要用多种类多台套真实RTU终端来做培训,设备必然过于庞大,成本也太高,安装调试的工作量都会成倍增加,而一套多种类规约的仿真系统,通常一个柜子就能包含全部功能,而且可以在每一台RTU上任意操作,人不挪位,就可以操作RTU点位,并在主站侧设备的屏幕上显示操作所产生的结果,直观轻松,高效低成本。

图2为该仿真系统的逻辑图,其中n是一个建议值,主要从运行速度来考虑,实际软件没有限制(建议规约:IEC104、 101)。

3EMS主站受控压力测试

EMS/SCADA系统主站的性能指标、它与设计值之间数据差异的获得,一直没有一个客观的可实测、可再现的方法。但这种对主站性能指标进行测试的要求是客观存在的,关键是要找到一种方法来实现它。

在雪崩状态下主站系统对数据压力的耐受性不可能在真实的站端数据涌入的状态下去获取,那样如未经临床试验就以极端剂量服用药物一样危险,解决的办法当然是设计一种仿真环境,在受控条件下对主站系统进行信息压力的测试。由于近几年网络技术的迅猛发展,这个工作比以前有了更好的实现条件。

在串口通信的时代,要仿真100个以上的RTU数据就已经是一件勉为其难的事,因为巨量的一对一接线使物理体系庞大复杂,工作量十分巨大。更何况在DMS(配网自动化系统)中甚至要仿真10 000个RTU终端!这在串口通信的时代几乎是不可能的。借助于网络化规约通信手段,我们可以提供一个简洁便捷的设计方案:软件RTU+网络化通信定义,能比较方便地实现这一目标,这就是集群RTU仿真系统。

在EMS主站测试方案中,我们可以仿真1 000台以上的RTU软件终端,数以万计的点(遥测和遥信)不断进行遥信变位和遥测越限变化,以此对主站系统进行信息压力耐受性的测试,并由此验证一个新上系统的性能是否达到了设计指标所规定的要求。

当然,功能方面要做不少开发,比如:重复定义的批量化实现、信息压力的可控性、操作记录和日志以及异常情况记录等。

4结语

厂站RTU的软件仿真,最初的动力来自站端的预调试需求,专业人员培训对系统的要求以及主站系统性能指标实测的需求逐步扩大了它的应用范围。在节省成本、改善劳动强度等方面,RTU软件系统日益显示出巨大的优越性。我们相信,未来依靠仿真软件的柔性化和方便的操作界面,它将获得更加广阔的应用前景。

参考文献

[1]张作刚.计算机技术在电力系统自动化中的应用分析[J].广东科技,2008(4)

RTU在换热站控制系统的应用 第3篇

随着供热计量改革工作得到了全面推进, 北方采暖地区供热计量收费面积进一步增长。2012年北方采暖地区15个省 (区、市) 累计实现供热计量收费面积8.05亿平方米。2013年天津供热计量收费面积将达到8500万平方米。采用供热热量计费的供暖收费方式收费后, 热用户会根据需要主动调节流量以达到节能目的, 这就要求换热站对此产生的管网水力失衡及时自动调节, 并相应调节一次管网流量。在保证热用户的基本供热效果的前提下尽可能减少供热量来达到节能增效的目的。换热站作为供热系统面对热用户的最后一级调节单元, 换热站的运行控制技术水平直接决定了热用户的供暖效果。因此, 提高换热站供热技术管理水准, 合理制定控制策略, 保证换热站的平稳、安全、节能运行在供热工作中就显得十分重要。

2 换热站自控系统构成

2.1 本系统由以下几部分组成

◆现场控制器 (北京安控SUPERE系列RTU) 和触摸屏

◆现场设备测量仪表:温度、压力、液位传感器, 超声波热量计

执行机构:循环水泵变频器、补水泵变频器、电动调节阀

◆现场通讯模块:MODEM/DTU

◆终端监控中心:调度计算机

2.2 系统结构图

3 换热站RTU主要功能

3.1 数据采集功能

换热站RTU采集换热站内各测量仪表数据, 控制本站内电动调节阀, 变频器的运行, 使得换热站运行在最佳工况,

◆生产工艺参数、设备参数、环境参数及其它类型的数据采集。

模拟量 (AI) 采集, 如:压力、温度、流量、热量、液位、电压、电流等。

数字量 (DI) 采集, 如:启停状态、阀门状态、各类开关状态等。

◆RS485通讯接口采集, 如:可通过RTU的C语言采集变频器内部参数, 包括故障代码等参数, 并将参数远传到监控中心, 便于操作人员远程查询故障。

3.2 控制功能

根据换热站实际运行需要及供热温度设定曲线, 自动调节各电动节阀及水泵变频器运行参数, 保证二次网温度设定值, 限制一次网的最大流量、一次网最大热量、二次网供水温度。具体方法如下:

◆根据循环水泵入口压力自动控制补水变频器, 对补水泵调速控制, 恒压供水。

◆根据二次网供、回水压差自动调节循环泵变频器频率, 达到恒差压供暖。

◆根据室外温度自动PID调节电动阀开度, 控制一次网流量, 从而实现温度控制。

◆根据RTU内部时钟, 按时间段设定不同供热温度, 实现分时段间歇供暖。

3.3 报警及报警控制功能

◆模拟量门限报警, 如:温度、压力上下限报警等。

◆数字量状态报警, 如:液位开关报警等。

◆报警连锁控制:当报警产生时, 通过不同的AO输出控制, 形成连锁控制。

3.4 远程通信功能

通信方式为有线方式:电话线拔号方式。通信协议为标准的MODBUS TCP/IP协议。通过电话线拨号方式, 完成换热站数据到监控中心的数据传输过程。

3.5 现场操作窗口

触摸屏主要为操作人员现场调试和参数查询提供人机对话窗口, 主要功能:显示流程画面、各监控参数、PID参数整定、历史数据浏览、现场手动设定温度参数等。

4 RTU控制功能的实现及收益

通过换热站RTU控制系统的应用, 实现了供热热网优化, 热网失调现象得到了有效地解决, 从而实现按需供热、节能降耗。控制功能及收益分析如下表:

5 总结

综上所述, 换热站RTU在自控系统中的应用保证了一、二次管网的水力平衡, 实现了量----质调节方式, 使热能更加有效的得到利用, 提高了供热效率, 降低了供热成本, 使供热经济效益显著提高。

摘要：本文以天津市瑞景供热中心换热站自动控制系统RTU的实际应用为例, 围绕供热系统管网自动调节运行, 对换热站自动控制系统进行讨论, 阐述了换热站RTU自动控制系统的构建, 主要功能及运行收益分析。

关键词：换热站,RTU控制器,供热计量,流量调节

参考文献

[1]《RTU在城市供热SCADA系统中的应用》——北京安控科技股份有限公司

[2]《锅炉供暖运行技术与管理》——清华大学出版社

RTU协议 第4篇

1 RTU的总体结构

RTU的总体结构如图1所示, 包括变电所、24V电源、24V电源切换装置、冗余交换机、2根冗余光纤、DCS中心控制系统以及控制操作台等。

2 RTU的硬件基础

对Y化工公司原来的生产方式进行优化, 在各个设备中配备Zig Bee无线通信模块, 以及时、便捷地采集数据, 系统根据所采集的数据, 经过分析以后做出设备动作决定。

RTU硬件基础如图2所示, 包括:S3C2440A控制设备, 工作频率为400MHz, 能够对其他设备的数据输出/输入进行控制;Norflash存储程序, 存储容量为2Mb Nand Flash存储程序, 存储空间为128Mb;ADS795转换器, 有8个通道, 共可以对12位级别的数据进行转换;RS-232以及RS-485模块, 可以实现对路口的串行连接;温度检测模块;数据输入、输出以及模拟模块。

3 软件设计

在系统软件设计的过程中, 需要充分考虑到不同井场的工作方式。装置1中的RTU主站和从站分别承担着不同的功能。主站对下属从站进行信息轮询, 将采集的数据打包并发送到上位机;从站则需要对继电器等设备进行控制, 同时采集数据并对主站的轮询作出回应。对装置2而言, 唯一的RTU需要完成主站和从站的功能。系统软件应该具有兼容性, 主站软件设计流程如图3所示。

4 RTU的维护

(1) 数据维护:数据采集测试。在这个过程中, 需要运用RTU模拟输入端和数字输入端的对比来分析RTU系统的可靠性。对比结果可以利用Modbus Poll的基础数据作依据。比如, 模拟端地址为15RTU的温度传感器所采集到的温度是24℃, 而实际数字输入端所采集到的正弦波信号也一致, 那么证明所设计的RTU在温度数据采集方面是可靠的。

(2) 控制维护:做好控制测试。在进行PC模拟的过程中, 需要通过Modbus协议向RTU发送数据, 检验寄存器是否能够及时而准确地写入数据, 同时, 需要考察数据的输出端口是否工作正常, 以防出现控制障碍。

5 结语

在化工生产等领域的作业中, 运用RTU进行数据采集不仅可以减少工作量、提升数据及时性和精度, 而且还可以为远程控制创造技术条件。

参考文献

[1]陈斌伟.摄像直读式远传水表抄表系统的硬件设计与实现[D].北京:北京邮电大学, 2015

[2]周红.七台河电网监控中心项目建设的设计与管理[D].长春:吉林大学, 2015

[3]徐伟.基于Delta V DCS的碳九精制双环项目控制系统设计与实现[D].北京:中国科学院大学 (工程管理与信息技术学院) , 2015

RTU协议 第5篇

远程终端单元RTU(Remote Terminal Unit),是构成SCADA系统的核心装置。可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等诸多领域,尤其在电力部门的应用更为普及。在电力系统中的应用就是常说的“四遥”。采用工业控制计算机,扩展测控硬件接口电路,是RTU设计常见的方法,但是这种方法设计的RTU成本高、体积大、耗电大。采用80C196等单片机设计RTU,由于单片机的运算处理和硬件扩展等能力较低,影响RTU的性能。而基于ARM处理器设计的RTU,硬件上具有成本低、体积小、耗电省、处理能力强等优点,且多种输入输出模块可直接接受来自现场的强电信号或者控制现场的强电设备;软件上由于采用u COS-II操作系统,有许多优秀的应用程序成果可以利用。

2 分布式RTU的功能和控制特点

在分布式控制应用中,先前由单个控制器完成的功能现在分布到几个控制器上完成,这除了可以消除依赖于单控制器的缺点,还可改进性能和可靠性。要运用分布式处理局域网及连于其上的RTU必须提供以下功能:

2.1 对RTU的要求[1]

(1)可从任意RTU向上通信到调度中心(或到程序员,或到主机);

(2)从调度中心(或程序员及主机)向下通信到任意RTU;

(3)读/写任意RTU的I/O值及寄存器;

(4)RTU状态监视及RTU操作控制。

RTU主要是接受调度端的命令去控制现场的各个被控对象和对现场被控对象进行数据监测并将数据送往调度端。调度端负责控制远方终端单元,两者之间通过远动通道进行通信。本论文研制的远程终端单元(RTU),除了对各个遥信量的实时状态进行采样和传送,还能对遥测量进行采集、传输和处理。可通过LCD在当地监视遥信、遥测、事件记录、通信报文等等数据。

2.2 基于ARM的RTU功能

(1)任一信息一次采集多次使用,提高信息的实时性、可靠性,节约占地空间和二次电缆的设计、安装、维护工作量。

(2)表现为结构灵活,RTU可以集中式安装,也可以分布式安装;一些老的变电所进行调度自动化改造时,由于其屏的位置已经占满,分布式安装的RTU将是其比较好的选择。

(3)模块式结构,具有扩充方便的特点。ARM一般为模块化结构,能够非常方便地做到对遥测、遥信等量的扩充,只要加一块扩充模块即可。

(4)维护简单,将大大降低RTU的维护工作量。

3 RTU硬件电路设计

3.1 RTU总体结构

RTU的核心部分是计算机,包括处理器、存储器、人机接口等。为了执行RTU的测控功能,需要扩展大量外围接口电路。不同变电所的测控对象数量差别很大。为了提高RTU的通用性,一种普遍采用的可行的办法是将测控电路模块化。根据模块化的设计思想以及S3C44BOX和u COS-II的特点,RTU硬件总体结构设计的原理框图如图1。

主板模块以S3C44BOX为核心。主要配置是:16M字节动态随机存储器SDRAM(两片HY57V651620B)。2M字节的Flash(一片AM29LV160DB);处理器内部集成两个异步串行通信接口,串口0和串口1;看门狗与复位电路;RTU母板总线驱动电路。

串口0作为一个10Mbps以太网接口;串口1接LCD显示屏和触摸屏,实现当地监控的人机界面。测控接口电路主要有遥控模块、遥信模块(开关量采集)和遥测模块(模拟量采集)。遥控和遥信模块由母板总线直接扩展。

3.2 ARM芯片的选择

ARM7TDMI是ARM(Advanced RISC Machine)公司最早为业界普遍认可且得到广泛应用的处理器.随着ARM技术的发展,它已是目前最低端的ARM核。ARM7TDMI是最早实现了32位地址空间编程模式的ARM6核发展而来的,可在低于5v的电源电压下可靠地稳定地工作,增加了64位乘法指令、支持片上调试、Thumb指令集和Embededl CE片上和观察点。

Samsung S3C44BOX[2]微处理器片内采用0.25um CMOS工艺制造.其主要的功能在ARM7TDMI的基础上增加了8KB的Cache:在外部扩充存储器控制器;LCD控制器,且带有一个LCD专用DMA通道;看门狗定时器;71个通用可编程I/O口,8个外部中断源;功能控制模式:正常、低功耗、休眠和停止;8路l O位ADC。并采用一种新的三星ARM CPU嵌入总线结构一SAMBA2,最大达66MHz。

3.3 RTU母板总线

RTU母板总线是测控硬件模块扩展的基础,又是处理器总线上的一个外设接口。

为便于模块的扩展,RTU母板总线定义如下:数据总线DOD7;地址总线A0A7;地址片选信号S0S6;读写控制信号WR和RD;地址锁存控制信号ALE;中断服务请求控制信号INT0INT3;复位信号RESET。

使用处理器的如下总线信号驱动RTU母板总线:地址总线A0~A11、数据总线DO~D7、读使能控制信号n OE、写使能控制信号n WBE0、外设(I/O)地址片选信号n ECSO,以及4根中断控制信号线n INREQ0-n INREQ3。

4 系统软件设计

4.1 整体设计

在硬件设计基础上移植u COS-II操作系统,RTU完成的任务主要有采样、计算、控制、保护、报警和通信处理等几个部分,这些任务用ANSI C进行编写、根据优先级由u COS-II统一进行调度和管理。软件系统结构如图2所示。

4.2 u COS-II操作系统

u COS-II[3]是一个免费的、源代码开放的实时嵌入式内核.提供了包括任务调度、任务管理、时间管理、内核管理和任务问通信与同步等基本功能。由于u COS-II的可移植性、可裁减性和开源性,用户可以添加自己所需要的各种服务,它的内核属于可剥夺性内核。是基于任务优先级的实时内核。系统通过时钟节拍和其他硬件中断以及任务主动挂起或者等待状态进行任务调度。

u COS-II的大部分代码是用ANSI C进行编写的,只有与处理器硬件相关的一部分代码用汇编语言进行编写。其中有OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C进行必要修改。这样就可以将u COS-II移植倒S3C44BOX上了.

5 结束语

采用基于ARM7TDMI内核S3C44BOX芯片设计的这种分布式RTU系统采用模块化结构,具有处理能力强、运算速度快、能满足电力系统高精度测量、高实时性监控的要求。此外,所有的控制、保护、测量、报警等信号均在就地单元内处理成数据信号后经网络传输至主控室的监控计算机,各就地单元相互独立,互不影响,分布式处理模式保证系统不会因局部故障而导致整体瘫痪,其可靠性高,抗干扰能力强,利于现场施工、安装调试和故障定位,节省了大量二次电缆和控制室的面积,与传统的集中式相比,更适合新建变电站,分布式设计更能加速我国变电站自动化系统的发展。

参考文献

[1]李辉,柴美丽.开放型分布式处理RTU的研制与开发[J].系统工程与电子技术,2001.(6):96-101.

[2]S3C44BOX RISC.MICROPROCESSOR Datasheet[Z].Samsung Electronics

RTU协议 第6篇

在以往设计的远程终端设备RTU (Remote Terminal Unit) 中, 经常需要批量提取、转存数据, 或是更新设备中的程序, 或是对设备进行维修, 由于设备上只有串口而没有USB接口, 要想维修必须将设备带回来, 但是RTU一般都是安装在野外或者是离维修站特别远的地方, 这就给设备的维修、程序更新以及数据的提取、转存带来了极大的不便。现在我们设计开发的USB模块就可以轻松解决以上问题。

1系统硬件设计

1.1 CH375概述

CH375 (见图1) 是USB总线的HOST主机及DEVICE设备双用接口芯片, 单片机可以通过CH375读写U盘中的数据, 利用该芯片可在不了解任何USB协议或固件程序甚至驱动程序的情况下, 轻松地将并口或串口产品升级到USB接口。

CH375的USB主机方式支持常用的USB全速设备, 外部单片机可以通过CH375按照相应的USB协议与USB设备通讯。CH375还内置了处理Mass-Storage海量存储设备的专用通讯协议的固件, 外部单片机可以直接以扇区为基本单位读写常用的USB存储设备。

1.2 系统硬件描述

硬件连接原理图见图2。CH375通过数据线D0～D7连接ATMEGA32 (见图3) 数据I/O口, 用于传输字数据。图2中, INT#为中断信号线, 用于ATMEGA32接收来自CH375的中断信号;CS#为ATMEGA32对CH375芯片的片选信号线, 一般接入主机端的地址线;RD#、WR#为ATMEGA32对CH375的读选通、写选通控制信号, 与ATMEGA32端的RD#、WR#相连, 这三个控制信号都是低电平有效;A0连接ATMEGA32的地址线, 以区分传输的是命令还是数据, 为1时表示是命令, 为0时表示是数据;D+、D-为USB总线的差分信号线, 用于CH375与USB设备的数据传输。CH375芯片的ACT#引脚用于内置固件的USB设备方式下的状态指示, 本设计中通过1kΩ电阻接红色二极管, 在内置固件的USB设备方式下, 当USB设备尚未配置或者取消配置后该引脚输出高电平, 当USB设备配置完成后该引脚输出低电平。本设计中, 将CH375的TXD引脚通过1kΩ左右的下拉电阻接地或者直接接地, 从而使CH375工作于并口方式。CH375芯片的UD+和UD-引脚是USB信号线, 工作于USB设备方式时, 应该直接连接到USB总线上;工作于USB主机方式时, 可以直接连接到USB设备。

2软件设计

软件流程图见图4。

2.1 底层驱动的实现

USB 系统驱动程序的设计是基于WDM (Windows Driver Model, 驱动程序模型) 的。由于CH375已经对固件程序进行了封装, 包含了对海量存储设备通讯协议的处理, 所以这一层就不需要考虑底层驱动的实现了。

对于最常用的读写U盘操作, 以按字节方式, 可定义实现以下两个读写U盘内容的API函数。

unsigned char CH375_ReadUD (unsigned char xdata *pData, long LbaNo, uint BytesLen)

unsigned char CH375_WriteUD (unsigned char xdata *pData, long LbaNo, uint BytesLen)

第一个函数表示从4个字节表示的U盘LbaNo地址开始读取BytesLen长度的字节到pData所指的缓冲区中;第二个函数表示将pData所指的外RAM单元内容读取BytesLen字节长度并写入到U 盘以LbaNo开始的地址中去。

2.2 文件系统的实现

由于很多系统最终会与Windows操作系统的个人计算机交换数据, 所以为了方便数据交换, U盘中的数据应该符合Windows文件系统格式。CH375提供了U盘文件级子程序库, 单片机可以直接调用子程序读写U盘中的文件数据。ATMEGA32可通过CH375按字节或扇区等方式读写U盘, 这种方式将USB存储设备简化为一种外部数据存储器, 这时写入U盘的数据不能直接用计算机读取, 需要专门的工具才能查看。为了使U盘的数据能够被计算机识别和操作, 需要将写入的数据组织成文件, U盘通常支持的文件格式为FAT12/16/32, 考虑到U盘的容量, 最常用的文件系统是FAT16。

2.3 端口初始化

由于使用通用I/O模块并口读写时序, 所以需要初始化端口。设置PA7～PA0的8位作为数据并口输入, 设置CS、WR、RD默认为输出高电平, 设置INT#为输入, 采用查询方式处理。端口初始化程序如下:

void CH375_PORT_INIT ( )

{ DDRA=0x00;

PORTD=0xF3;

DDRD=0x7A;

}

2.4 CH375芯片初始化

初始化CH375程序库和CH375芯片, 操作成功返回0。初始化程序如下:

void CH375_INIT (void)

{ UINT8 i;

CH375_PORT_INIT ( ) ;

mDelaymS (100) ; /*延时100毫秒*/

i=CH375LibInit ( ) ;

mStopIfError (i) ;

}

2.5 定义文件操作

根据FAT16系统的磁盘特性, 定义所需要的各种操作函数, 提供给外部调用以实现对文件的各种操作。下面对几个常用的操作函数的定义方法加以说明。

(1) 打开文件或目录程序如下:

void FILEOpen (UINT8 *pCodeStr)

{ UINT8 i;

strcpy ( (char *) mCmdParam.Create.mPathName, (char *) pCodeStr ) ;

i=CH375FileOpen ( ) ;

mStopIfError (i) ;

}

(2) 创建文件程序如下:

void FILECreate (UINT8 *pCodeStr)

{ UINT8 i;

strcpy ( (char *) mCmdParam.Create.mPathName, (char *) pCodeStr ) ;

i=CH375FileCreate ( ) ;

mStopIfError ( i ) ;

}

(3) 删除文件程序如下:

void FILEDelete (UINT8 *pCodeStr)

{ UINT8 i;

strcpy ( (char *) mCmdParam.Create.mPathName, (char *) pCodeStr) ;

i=CH375FileErase ( ) ;

if (i!=ERR_SUCCESS) ;

}

(4) 本文以字节为单位写U盘文件, 读写速度较扇区模式慢, 但是由于字节模式读写文件不需要文件数据缓冲区FILE_DATA_BUF, 所以总共只需要600字节的RAM, 适用于单片机硬件资源有限、数据量小并且读写速度要求不高的系统, 写U盘文件程序如下:

void FILEWrite (UINT8 *pDataStr, UINT8 FILENUM, UINT32 SectorOff)

{ UINT8 i, c;

unsigned int k, m;

mCmdParam.Locate.mSectorOffset = SectorOff; /*移动文件指针*/

i=CH375FileLocate ( ) ;

mStopIfError ( i ) ;

for (k=FILENUM;k>0;k--)

{ for (m=0;m<512;)

{ c=*pDataStr;

FILE_DATA_BUF[m++]=c;

pDataStr++;

}

mCmdParam.Write.mSectorCount=1;

i=CH375FileWrite ( ) ; /*写入数据 */

mStopIfError ( i ) ;

mCmdParam.Write.mSectorCount=0;

i=CH375FileWrite ( ) ; /*写入数据 */

mStopIfError ( i ) ;

}

CH375DirtyBuffer ( ) ; /*清磁盘缓冲*/

}

程序中pDataStr是写入数据的首地址, FILENUM是写入扇区的个数, SectorOff是写入文件的位置, CH375子程序库内部是将文件长度按扇区长度512进行取整处理, 当移到文件尾部, 如果文件尾部有不足一个扇区的零头数据则被忽略, 如果不做处理那么零头数据将可能被写入数据覆盖。

读文件与写文件的过程类似, 这里用到CMD_DISK_RD_GO命令, 限于篇幅在这里不将源代码列出。

3总结

USB-HOST模块用于远程终端设备中, 该模块在实际数据采集中运行时, 读写文件与设想基本一致, 符合移动数据交换的设计要求。由于基于CH375的U盘读写模块只支持USB1.1通讯协议, 该模块只能在USB1.1协议下进行数据交换。该设计现已被用于远程终端设备上, 利用该模块, 设备可以直接和USB存储设备相连进行数据的转存和程序的更新, 从而很大程度上方便了用户。

摘要：由于远程终端设备RTU在数据采集中对移动存储的需求越来越大, 所以USB接口常用来进行数据的存储和交换。本设计采用一款多功能的USB专用接口芯片CH375, 提出一种基于CH375的U盘读写模块与单片机ATMEGA32相结合以实现USB主机功能的方法, 并给出了具体的软、硬件实现方法。

关键词：远程终端,USB-HOST,CH375

参考文献

RTU协议 第7篇

关键词：SCADA,RTU,在线监控,环境保护

1 前言

污染源在线监控融合日益发展的环境监测、自动化和通信等技术, 实现了实时、远程掌握污染源的排放情况, 解决了原来采用手工监测存在的采样误差大、数据量小等诸多问题, 是真正利用现代化的科学技术实现环保管理的手段。

虽然目前前端传感单元种类已经非常繁多, 包括空间、基础环境 (如温度、压力等) 、污染因子、治理设施电信号等各种感知设备, 但构成一个污染源在线监测传输系统的核心还是在于现场端的数据采集单元和中心端的通信服务单元, 本系统的构建选择了平台化的技术路线, 保证了系统的稳定性和可扩展性。

2 SCADA和RTU技术简介

SCADA (Supervisory Control AndData Acquisition) 系统, 即数据采集与监视控制系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制, 以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。

SCADA系统在不断完善, 不断发展, 其技术进步一刻也没有停止过, 目前SCADA系统已经融合了互联网时代最新的IT技术成果, 广泛应用于电力系统、给水系统、石油、化工、环境保护等诸多领域。

RTU (Remote Terminal Unit) 是一种远端测控单元装置, 负责对现场信号、工业设备的监测和控制。与常用的可编程控制器PLC相比, RTU通常要具有优良的通讯能力和更大的存储容量, 适用于更恶劣的温度和湿度环境, 提供更多的计算功能。

远程终端设备 (RTU) 是安装在远程现场的电子设备, 用来监视和测量安装在远程现场的传感器和设备。RTU将测得的状态或信号转换成可在通信媒体上发送的数据格式。它还将从中央计算机发送来的数据转换成命令, 实现对设备的功能控制。

3 系统结构和主要功能

污染源在线监控系统设计遵循SCADA系统标准的结构形式, 从结构上分为三个层次:即现场设备层、网络传输层和数据应用层。

现场设备层包括现场传感单元 (包括自动监测设备和其它各种感知设备) 、转换模块、防雷器和RTU等, 完成现场数据采集和上传数据。

网络传输层为现场控制器与中心主机之间数据交换的通道, 本系统通过ADSL宽带网络组建的VPN网络进行数据传输, 其中VPN通道由电信运营商搭建。

数据应用层由监控中心SCADA服务器、原始数据服务器、应用数据服务器、应用服务器组成。

各用户单位和管理单位分别使用不同权限访问本系统。

本系统实现的主要功能包括如下:

3.1 实时数据展示发布

自动监测、污染治理设备监控等的实时数据均能在SCADA系统界面上以数据、趋势图、动画图形等各种方式即时发布, 监控中心用户可以直接通过SCADA系统进行浏览查看, 系统运行维护单位和上级下属单位也可以使用经过授权的SCADA客户机, 通过VPN网络使用系统功能。企业用户则直接通过客户机连接现场自动监测设备, 查看实时数据。

3.2 原始数据存储审核发布

系统将监测的小时数据和监测设备状态信息上传到原始数据库中, 数据应用系统对原始数据按照一定规则进行基本判定后, 将可能的非法数据、超标数据等进行标注, 并进行展现。用户可对经过标注的数据进行人工审核, 审核后的数据进入应用数据库, 成为正式应用数据, 并由系统按照一定规则对缺失的数据进行补全, 以便进行统计和计算排放总量。

3.3 系统管理

由在线监测原始数据库服务器、在线监控原始数据库服务器及数据处理程序、CitectSCADA软件实现, 原始数据存储采用SQL数据库。

在线监测原始数据库中存储小时间隔的平均数据和分钟间隔的实时数据, 小时均值数据由在线监测现场控制器直接写入数据库;分钟间隔的实时数据先由在线监测现场控制器直接写入数据库, 再由数据处理程序控制删除多余的数据以减少实时数据占用的存储空间。

在线监控原始数据包含开关量 (如电机运行状态) 发生状态变化时的记录、模拟量 (如电机运行电流值) 实时数据记录、功耗累计量小时累计数据三种类型。在线监控的原始数据由现场控制器先在SCADA主机上形成CSV数据文件, 再由CitectSCADA软件导入数据库。

3.4 应用数据处理与存储功能:

由数据处理程序和应用数据库实现, 应用数据库采用Oracle数据库。数据处理程序基于在线监测和在线监控原始数据库, 通过访问原始数据库, 对在线监测 (控) 数据整合, 形成整合过后的原始数据库, 经过数据分析将原始数据库中的无效数据进行过滤、修正、补全, 存储到应用数据库中。

3.5 数据的展示发布功能:

由现场控制器、SCADA主机、Web服务器、现场控制器浏览器客户机、SCADA客户机和Web浏览器客户计算机等设备实现。数据展示发布功能采用B/S结构形式, 现场控制器、SCADA主机、Web服务器为服务器端;现场控制器浏览器客户机、SCADA客户机和Web浏览器客户计算机为客户端, 主要包括以下几方面展示发布功能。

Web服务器的发布:Web服务器基于在线监测原始数据库、在线监控原始数据库、应用数据库的数据进行数据发布, 浏览器客户机进行数据察看、数据查询、对比分析、报表打印等操作。Web服务器的IE浏览的浏览需经过用户权限验证。

现场控制器的远程发布:该功能方便在线监控日常数据管理人员的使用, 现场RTU控制器作为Web服务器使管理人员可以通过IE直接访问现场控制器检测的数据, 实时了解现场的设备运行状况。

SCADA主机的发布:该功能将在线监控和在线监测的实时数据在计算机屏幕上以流程图、曲线、棒图等形式显示, 并可提供数据查询、打印等操作。该功能主要针对系统维护管理人员使用。SCADA客户机可以实现与主机相同的数据察看、查询等操作, 该功能主要针对的也是系统维护管理人员。

4 技术实现

4.1 现场数据采集存储与传输

由现场传感单元 (可能包括转换模块) 、现场RTU、通讯网络、主站RTU和在线监控SCADA主机实现。先由现场RTU从传感单元 (或中间通过转换模块) 获得数据, 采用RS485接口和Modbus RTU协议, RTU可以根据传感单元的MODBUS地址表进行相应的通信配置, 实现现场通信, 如传感单元只能输出4-20mA的模拟量信号, 则通过A/D转换模块实现。

RTU现场存储采用文件方式, 每个监测参数一个数据文件;通常状态下传输采用主动上传的方式, 使用UDP通讯协议, 按照一定的时间间隔 (最小间隔5秒) 上传数据到主站RTU, SCADA软件建立与主站控制器数据相对应的标签变量, 与主站RTU通讯获得实时数据。

主站RTU具有现场控制器通讯中断监控功能, 该监控状态数据同现场控制器上传的实时数据一起传送到SCADA系统。

4.2 在线监控原始数据的存储

数据库:在线监控的原始数据包括各个现场检测参数的数据表, 所有数据表在同一个数据库中, 数据库为手工创建, 数据库名称为CQJK_Pollutant。

数据库登录用户创建:SCADA主机登录用户具有读取和修改数据内容的权限;数据过滤、处理登录用户对在线监控的原始数据库只具有读取数据的权限。

数据表结构:数据表设计3个字段, 记录时间字段、记录数据字段和设备状态字段。记录时间字段名称为tstamp, 数据类型为DATETIME;记录数据字段名称为value, 数据类型为REAL;设备状态字段名称为status, 数据类型为INT。实时数据表由SCADA程序自动创建。

数据表存储数据内容与现场控制器内存储的数据内容一致。现场控制器根据存储的记录内容当有新的记录产生时, 将新的数据记录上传到SCADA主机, SCADA主机运行DataLog Server接收数据在指定的目录下形成.csv文件, SCADA软件将.csv文件导入数据库存储。

5 结束语