摘  要： 結(jié)合智能斷路器組網(wǎng)應(yīng)用的需求，闡述了Modbus總線智能斷路器的軟硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),。智能控制器采用Modbus通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),，與上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制。實(shí)驗(yàn)表明,，系統(tǒng)可靠性高,、實(shí)時性好,，具有廣闊的應(yīng)用前景,。
關(guān)鍵詞： Modbus；斷路器,；智能控制器,；DSP

    作為輸配電網(wǎng)絡(luò)中保護(hù)用的電力斷路器(包括框架式斷路器和塑殼式斷路器），在設(shè)備過載,、短路時,，能安全、可靠地切斷故障電流,，防止事故擴(kuò)大危及到整個輸配電系統(tǒng),。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對供配電系統(tǒng)的自動化程度要求越來越高,，傳統(tǒng)斷路器的功能已不能滿足供配電系統(tǒng)自動化的需要,。斷路器控制器正在向智能化、多功能,、模塊化及可通信的方向發(fā)展,。對于供電系統(tǒng)中的多臺斷路器要求能實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信、集中監(jiān)控等功能，即第四代斷路器,，同時對高分?jǐn)嗄芰?、多保護(hù)功能、高可靠性提出了更高的應(yīng)用要求,。本文著重研究和設(shè)計(jì)了一種基于DSP的Modbus總線的新型可通信智能斷路器控制器,，并給出結(jié)合斷路器的上位監(jiān)控軟件的完整應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。該控制器不僅具有三段保護(hù)的基本功能,，還能實(shí)現(xiàn)在串行鏈路Modbus總線通信的“四遙”(遙訊,、遙測、遙調(diào),、遙控)及附加的電力質(zhì)量監(jiān)控等功能,。
1 智能斷路器硬件結(jié)構(gòu)
1.1 硬件總體結(jié)構(gòu)
    由斷路器、智能控制器和上位機(jī)構(gòu)成的監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖如圖1所示,。上位機(jī)與下位機(jī)采用Modbus現(xiàn)場總線相連接,，下位機(jī)完成整個測控系統(tǒng)的基礎(chǔ)工作，實(shí)現(xiàn)對輸電線路的保護(hù)以及電力質(zhì)量監(jiān)控,；上位機(jī)通過Modbus總線與智能控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,，實(shí)現(xiàn)對多個智能控制器節(jié)點(diǎn)的集中控制和管理。

    智能控制器采用TI的高性能DSP芯片TMS320F2812,，電路主要由電壓電流輸入信號的調(diào)理電路,、自生電源和外部電源控制模塊、RS485通信模塊,、顯示和按鍵模塊及外圍檢測信號輸入電路,、脫扣控制電路等組成。電流互感器和電阻分壓前端分別檢測供電線路中的電流和電壓信號,，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字電路和DSP可處理的電平信號,，經(jīng)過模擬信號調(diào)理電路(隔離、濾波,、放大等)送入DSP,，DSP自帶的A/D轉(zhuǎn)換單元將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，供DSP進(jìn)行邏輯運(yùn)算和處理,。DSP將檢測到的電流信號與整定值相比較,，判斷是否脫扣，從而實(shí)現(xiàn)三段保護(hù)功能,。同時在系統(tǒng)中采用Modbus總線協(xié)議與上位機(jī)通信,，實(shí)現(xiàn)智能控制器的“四遙”功能。
1.2 采樣與信號調(diào)理
    采用空芯電流互感器檢測電流信號,，以保證有較好的線性范圍,。采用串聯(lián)的電阻分壓提供電壓信號,。電流和電壓信號經(jīng)過RC濾波后，分2路進(jìn)行采樣,，以解決量程變換問題,。當(dāng)互感器輸出電壓比較小時，電壓經(jīng)過LM324放大,，由A/D采樣,；而當(dāng)互感器輸出電壓比較大時，LM324輸出出現(xiàn)飽和,，則直接由A/D采樣,。其中通道的選擇由軟件完成,以使采樣信號在閥值處能較好銜接起來。電流采樣電路如圖2,。R11,、R12、R21,、R22將交流信號提升為A/D可識別的3.3 V直流信號,，D1、D2,、D7,、D8構(gòu)成限幅保護(hù)電路。電壓通道除了電阻分壓不同,，其他部分相似,。

1.3 通信接口
    采用SP485E芯片的通信接口如圖3。由于斷路器的分?jǐn)鄷﹄娐樊a(chǎn)生干擾,，為保證可靠的通信,，電路附加了一些保護(hù)。其中8.2 V的TVS管V1,、V2,、V3都是用來保護(hù)RS485總線的,，以避免RS485總線在受外界干擾時(雷擊,、浪涌)產(chǎn)生的高壓損壞RS485收發(fā)器。電路中的L1,、L2,、C7、C8元件,，用于提高電路的EMI性能,，并對SP485E芯片起到良好的保護(hù)效果。

2 智能控制器軟件設(shè)計(jì)
2.1 智能控制器軟件結(jié)構(gòu)
    智能控制器軟件主要包括：采樣數(shù)據(jù)處理,、通信處理,、按鍵和顯示處理及能量記憶處理等模塊,。主程序流程圖如圖4。在主程序中,，智能控制器上電初始化后,，查詢通信事件狀態(tài)，處理Modbus協(xié)議狀態(tài)機(jī),，并做相應(yīng)的通信處理,。通過采樣獲取主線路的電流信號，每周期20 ms采樣40點(diǎn),，采用0.5 ms的定時器,，實(shí)現(xiàn)非失真采樣。而線路的三段保護(hù),，即電流速斷,、限時電流速斷、定時過電流均依據(jù)一定的算法在這些采樣點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行,。根據(jù)測得的電流信號進(jìn)行有效值計(jì)算（40個采樣點(diǎn)采用加權(quán)平滑濾波,，取均值），進(jìn)行熱記憶能量累加或消退,，先后比較是否達(dá)到或超過瞬時脫扣整定值Ii,、短延時脫扣電流整定值Isd、過載長延時脫扣電流整定值Ir,，判斷是否大于整定的脫扣能量從而發(fā)出分?jǐn)嗝?，動作時間延時T根據(jù)斷路器控制器的電流－時間特性曲線決定(可參考斷路器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3])，從而實(shí)現(xiàn)對線路中的過載,、短路,、接地等故障的保護(hù)。

2.2 Modbus協(xié)議棧設(shè)計(jì)
    控制器能設(shè)置ASCII或RTU兩種傳輸模式中的任何一種在標(biāo)準(zhǔn)的Modbus網(wǎng)絡(luò)中通信,。目前最常用的是RTU模式,。在消息中的每個8 bit字節(jié)包含2個4 bit的十六進(jìn)制字符，在同樣的波特率下,，可比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù)[1],。本設(shè)計(jì)采用Modbus RTU傳輸模式，使用RTU模式的關(guān)鍵是幀字符時間的處理,。要求至少為3.5個字符時間的空閑間隔將報(bào)文幀區(qū)分開,，同時整個報(bào)文幀必須作為一個連續(xù)的數(shù)據(jù)流傳輸，2個字符之間的空閑間隔小于1.5個字符時間[2],。
    協(xié)議棧采用分層設(shè)計(jì),，分為協(xié)議狀態(tài)機(jī)處理部分和硬件相關(guān)部分。協(xié)議狀態(tài)機(jī)部分,，通過查詢協(xié)議事件狀態(tài)維護(hù)協(xié)議狀態(tài)機(jī),，根據(jù)不同狀態(tài)對接收幀進(jìn)行校驗(yàn)以及對功能碼的處理函數(shù),。硬件相關(guān)部分包括對定時器和串口的初始化配置以及相應(yīng)的定時器中斷、串口接收發(fā)送中斷,。協(xié)議棧程序的流程圖如圖5,。應(yīng)用程序?qū)D采樣后處理好的數(shù)據(jù)存儲在特定的緩沖區(qū)中，供上位機(jī)查詢,。協(xié)議棧的接收和發(fā)送Modbus RTU數(shù)據(jù)幀是通過一個由硬件提取層的調(diào)用驅(qū)動狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)的,。協(xié)議棧開T3.5字符計(jì)時中斷、接收中斷和發(fā)送中斷,，在主函數(shù)循環(huán)中對事件標(biāo)志進(jìn)行查詢和處理,。

3 上位機(jī)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)
    在智能控制器監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，智能控制器與上位機(jī)系統(tǒng)通信采用主從方式,，上位機(jī)的作用主要是實(shí)現(xiàn)“四遙”功能,。智能控制器一方面將實(shí)時數(shù)據(jù)和信息上傳，另一方面接收上位PC機(jī)發(fā)出的控制命令,。斷路器智能控制器系統(tǒng)中,，上位機(jī)監(jiān)控主要實(shí)現(xiàn)如下功能[4]：
    (1)實(shí)時接收下位機(jī)(智能控制器)上傳的數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)列表和實(shí)時曲線的方式顯示,。上位機(jī)接收下位機(jī)定時發(fā)送的數(shù)據(jù),，包括：三相電壓、三相電流,、中性線電流,、有功功率、功率因素及累計(jì)電量等,；可隨時讀取下位機(jī)中的數(shù)據(jù),。操作人員可在監(jiān)控機(jī)上隨時向下位機(jī)發(fā)送查詢幀，索取當(dāng)前斷路器中的運(yùn)行數(shù)據(jù),。
    (2)具有在線設(shè)置下位機(jī)參數(shù)及發(fā)送遠(yuǎn)程合分閘命令功能,。這樣便于操作人員在遠(yuǎn)離現(xiàn)場的情況下安全地控制和操縱斷路器的運(yùn)行。
    上位機(jī)監(jiān)控軟件可采用VB,、VC等高級語言實(shí)現(xiàn),，亦或在組態(tài)軟件上進(jìn)行二次開發(fā)?？紤]到人機(jī)界面構(gòu)建簡易,、程序便于集成和升級，設(shè)計(jì)中采用Visual C++ 6．0作為開發(fā)工具,。在9 600 b/s波特率下，設(shè)置Modbus幀間間隔為50 ms,。超時時間為300 ms時,，對節(jié)點(diǎn)地址為10的額定100 A斷路器線路電流有效值進(jìn)行監(jiān)控,，監(jiān)控測試界面如圖6。

    本文從硬件和軟件上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了Modbus智能斷路器,，給出了包括監(jiān)控上位機(jī)軟件在內(nèi)的整套應(yīng)用方案,，通過上位機(jī)監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)對斷路器的“四遙”等聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用功能。通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)測試表明,，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,、實(shí)時性高，為斷路器的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)提供一種較好的解決方案,。
參考文獻(xiàn)
[1] GB/Z 19582,，1-2004.基于Modbus協(xié)議的工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)規(guī)范(第1部分)：Modbus應(yīng)用協(xié)議[S].
[2] GB/Z 19582.2-2004.基于Modbus協(xié)議的工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)規(guī)范(第2部分)：Modbus協(xié)議在串行鏈路上的實(shí)現(xiàn)指南[S].
[3] 全國低壓電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB14048.2-2001低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備低壓斷路器.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.
[4] 曾慶軍,，劉陽.基于CAN總線的低壓斷路器新型可通信智能控制器研制[J].低壓電器,，2004(11).