基于MODBUS的发电厂数据采集系统的研究

论文摘要

在发电厂监控系统中,越来越多的应用了支持现场总线通信协议的监控设备。目前发电厂普遍采用的分散控制系统(DCS)不具有开放性,无法直接与这些设备进行连接。开发一种基于现场总线通讯协议的发电厂数据采集系统,使分散控制系统具有开放性的特点,可以直接连接支持该协议的设备,进一步提高系统的经济性。本文首先探讨了发电厂数据采集系统的模式,对现有通信方式、通信协议、冗余网络进行了深入研究,并结合发电厂数据特点,将现场总线协议应用于发电厂分散控制系统,成为发电厂数据采集系统的通信协议;设计了基于MODBUS的发电厂数据采集系统,既提高了数据传输速度,又增强了系统的容错能力。由于现今很多产品都采用或支持MODBUS协议,因此数据采集系统与这些设备互联变得简单易行。根据发电厂现场信号特点,提出了一种以工业控制计算机为主站、以高速单片机为主构成从站的发电厂数据采集系统结构,并对系统的硬、软件结构进行了详细的分析。从站的高速单片机选用基于精简指令集的微处理器ATmega128,既保证了总线可以进行高速的数据通信,又可以保证工业现场数据处理的实时性。主站的工业控制计算机既可以有效地管理众多的从站和支持MODBUS协议的现场设备,又可采用较为复杂的算法处理接收到的现场数据,充分发挥了工业控制计算机强大的数据处理、计算能力。提出主、从站配合构造MODBUS冗余网络,并据此设计了一套新的主、从站配合的故障处理机制,既减轻了主站的负担,又充分发挥了从站微处理器的资源,同时由从站负责出现部分故障时对冗余通道选择的工作。设计了发电厂热电阻数据采集卡,制作了相应的硬件设备,编制了主站底层驱动程序、从站数据采集程序、基于MODBUS协议的冗余通信程序。研制了基于MODBUS协议的发电厂数据采集系统样机。样机实际测试及其分析结果表明了本文设计系统具有较强通信网络冗错能力和较高的采集精度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题背景
• 1.2 发电厂分散控制系统现状
• 1.2.1 测量仪表应用现状
• 1.2.2 分散控制系统现状
• 1.3 分散控制系统的发展与存在的问题
• 1.3.1 分散控制系统的发展过程
• 1.3.2 分散控制系统的优越性
• 1.3.3 分散控制系统实际应用中存在的问题
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 发电厂数据采集系统结构设计
• 2.1 引言
• 2.2 系统总体结构
• 2.3 通信网络拓扑结构的选择
• 2.4 电气连接方式
• 2.5 通信协议
• 2.5.1 MODBUS 数据单元
• 2.5.2 MODBUS 体系
• 2.5.3 MODBUS 标准功能码
• 2.5.4 MODBUS 协议技术分析
• 2.5.5 CRC 校验
• 2.6 系统冗余网络的设计与分析
• 2.6.1 系统各部分可靠性
• 2.6.2 系统通信瓶颈
• 2.6.3 构建系统冗余网络
• 2.6.4 冗余管理
• 2.7 本章小结
• 第3章 发电厂数据采集系统硬件设计
• 3.1 引言
• 3.2 主站硬件的设计
• 3.2.1 工业控制计算机部分的设计
• 3.2.2 通信板卡的选择
• 3.3 从站硬件的设计
• 3.3.1 从站硬件的总体设计方案
• 3.3.2 从站的微处理器
• 3.3.3 主要子系统硬件的功能和设计方法
• 3.4 本章小结
• 第4章 发电厂数据采集系统软件设计
• 4.1 引言
• 4.2 系统软件整体分析
• 4.3 主站软件的设计
• 4.4 从站软件的研究和设计
• 4.4.1 通信部分软件的设计
• 4.4.2 现场数据处理部分软件的设计
• 4.5 CRC 校验子程序的设计
• 4.6 本章小结
• 第5章 系统样机及测试结果分析
• 5.1 引言
• 5.2 热电阻信号采集卡硬件实现方案
• 5.2.1 总体硬件实现
• 5.2.2 模拟量切换部分硬件实现
• 5.2.3 通信部分硬件实现
• 5.2.4 PCB 电路板设计
• 5.2.5 其他辅助硬件设计
• 5.2.6 从站实物图
• 5.3 主站硬件的实现
• 5.4 调试
• 5.4.1 从站的调试
• 5.4.2 主站的调试
• 5.4.3 主从站的联调
• 5.5 实验结果的分析
• 5.5.1 系统通信能力实验结果分析
• 5.5.2 数据采集精度实验结果分析
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢