基于MODBUS协议宏通信的分布式供能系统的研究和实现

上海交通大学硕士学位论文基于MODBUS协议宏通信的分布式供能系统的研究和实现姓名：武亚奇申请学位级别：硕士专业：控制工程指导教师：王景成;徐青20081128上海交通大学工程硕士学位论文摘要第I页基于MODBUS协议宏通信的分布式供能系统的研究和实现摘要分布式供能系统DES（Decentralisedenergysystem）由于本身的灵活性和较高的能源利用率，得到越来越广泛的使用。然而系统中燃机与余热锅炉的通信和数据交换却由于控制器类型和采用协议的不同有时很难直接进行，这一点也直接影响了分布式供能系统的推广和应用。本论文研究的是基于不同协议控制器间的数据通信，使分布式供能系统中采用该协议燃机系统和余热锅炉系统进行数据交换，实现系统中设备间的联锁控制。MODBUS是一种国际性、开放式、不依赖于设备生产商的通讯协议标准，在各领域得到广泛应用。本论文针对采用MODBUS协议的燃机和使用OMRONPLC控制器的余热锅炉系统间的数据通信交换展开研究工作。首先，结合实际阐述了分布式供能系统的工作原理和发展。其次，在充分地研究和理解MODBUS协议及RS232、RS485总线的基础上，结合一具体分布式供能系统中公用控制系统的设计，对系统的需求分析、网络及体系结构等进行了概述。重点对系统中涉及协议宏的编程、组态、参数设置和调用实现数据交换进行了详细地介绍。昀后，总结了采用协议宏进行数据交换时需注意的事项，还对协议上海交通大学工程硕士学位论文摘要第II页宏的仿真调试进行了简单说明，确保系统稳定运行。关键词：MODBUS，协议宏，分布式供能系统，通信上海交通大学工程硕士学位论文目录第III页THERESEARCHANDACHIEVEOFTHEDECENTRALISEDENERGYSYSTEMBASEDONMODBUSPROTOCOLCOMMUNICATIONABSTRACTDistributedEnergySystemsDES(Decentralizedenergysystem)becauseoftheirflexibilityandhigherenergyefficiency,istobemorewidelyused,butthesystemofgasandwasteheatboilerofcommunicationsanddataexchangeisduetothetypeofcontrollerandtheuseofdifferentprotocolsissometimesdifficulttodirectlytoproceed,thishasadirectimpactonthefunctionofdistributedsystemsandtopromoteitapplication.Thethesisofthisstudyisbasedonadifferentprotocolbetweenthedatacommunicationscontroller,sothatthesystemcanbedistributedfortheuseofthegasagreementandwasteheatboilersystemfordataexchangesystemtoachievebetweenthechainEquipmentcontrol.MODBUSisaninternational,open,doesnotrelyonequipmentmanufacturersofcommunicationsprotocolstandards,itiswidelyusedinvariousfields.Inthispaper,usingMODBUSprotocolfortheuseofgasandOMRONPLCcontrollerofthewasteheatboilersystemstoexchangedatacommunicationstostarttheresearch.Firstofall,inlightoftheactualdistributedontheprincipleofthesystemfunctionanddevelopment.Second,inthefullstudyandunderstandingoftheMODBUSprotocolandRS232,RS485busonthebasisofaspecificcombinationofdistributedenergysupplysysteminthecommoncontrolsystemdesign,systemsanalysisandnetworkarchitecture,andsoonwereoutlined.Focusonthesystemsinvolvedinthe上海交通大学工程硕士学位论文目录第IV页protocolmacroprogramming,configuration,parametersettingsanddatacallsfortheexchangeofdetailedinformation.Finally,summeduptheuseofmacrodataexchangeprotocolwhentheattentionof,andprotocolonthemacrosimulationtodebugabriefdescriptiontoensurestableoperationofthesystem.KEYWORDS:modbus,protocolmacro,DES,communication上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：武亚奇日期：2008年11月28日上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□√。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：武亚奇指导教师签名：王景成日期：2008年11月28日日期：2008年11月28日上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论第1页第一章绪论1.1分布式供能系统的优势和现状分布式能源并非新生事物，上世纪70年代它就已经在一些国家大行其道。但在我国，分布式能源却仍处于起步阶段。在提倡能源节约的大背景下，由于相比集中式能源更加节能环保，分布式能源再一次引起了各方面的广泛关注。分布式供能系统（Decentralisedenergysystem）[1],又称分布式（冷）热电联产系统，顾名思义，分布式供能是相对于传统的集中式供电方式而言的，是指将发电系统以小规模(数千瓦至50MW的小型模块式)、分散式的方式布置在用户附近，可独立地输出电、热或(和)冷能的系统，同时它又可以与大电网相连接，在电力不够时从网上购买电，而在电力多余时向大电网出售电。简单的来说冷热电联产就是利用了传统的发电厂排出的废热来供热或供冷。二十世纪初以来电力行业流行的观点是，发电机组容量越大，则效率越高，单位kw投资越低，发电成本也越低，因而随着能源产业的发展，电力工业发展方向是“大机组、大电厂和大电网”。但是，在许多特殊情况下，分布式供电是集中供电不可缺少的重要补充，并且具有它自己独特的优势。热电联产实现了能源从高品位到低品位的合理梯级利用，因而高效节能。电是高品位能，而一般我们所需求的热是低品位能。一般用化石燃料的发电厂的效率只有33％，而使用热电联产的有效电效率可达50％－70％，综合热电效率可高达70－90%，达到或接近燃煤及燃气锅炉的供热效率，然而一般用途的工业锅炉供出的只是100℃～200℃的热能，是低品位能源。因此分布式供能系统对于那些热电需求都较大较集中的企业或地区，例如化工厂、钢铁厂、药厂等或经济开发区、高科技园区等都是既经济又节能的选择。分布式供能系统没有或只有很低的输配电损耗，无需建设配电站，可避免或减少输配电成本。分布式供能系统对于离发电厂较远的地区例如乡村、牧区、山区等，都是解决它们用电需求的经济手段。分布式供能系统可减轻环境污染。由于分布式供能系统的高效率和输送低能耗使上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论第2页得在产生相同终端能量的情况下所消耗的燃料比传统的集中式供电所消耗的要少，相应地使用冷热电联产就降低了排出的污染物质和温室效应气体。分布式供电方式可以弥补大电网在安全稳定性方面的不足。各种形式的小型分布式供能系统，使大电网不再孤立和笨拙。直接安置在用户近旁的分布式供能装置与大电网配合，可大大地提高供电可靠性，在电网崩溃和意外灾害(例如地震、暴风雪、人为破坏、战争)情况下，可协助维持重要用户，例如医院等的供电。此外，分布式能源多为性能先进的中小型和微型机组，开停机方便，负荷调节灵活，用户可独立操控，一般的商业中心、居民小区、写字楼、商场等建筑物地下室均可设置，不会发生大规模大范围供应事故[2]。而且，燃料多用天然气、轻质油或可再生清洁能源。与燃煤火电机组相比，其二氧化硫和固体废弃物排放几乎为零，二氧化碳排放量减少50%以上。目前，美国“分布式”能源供应站已达到6000多座，仅大学校园就有200多处采用了分布式能源供应站。英国在过去的20年中，已安装1000多个小型成套“分布式供能系统”设备，遍布英国的各大饭店、休闲中心、医院、大学校区、机场、公共部门建筑、写字楼、购物商城等。而中国的分布式供能才刚起步，目前在上海的热电联产系统大多是一些热电联产发电厂，用于公共建筑的分布式供能系统只有4家。1.2分布式供能系统的组成及工作原理1.2.1分布式供能系统的组成关于分布式能源的定义有不同版本，但概念大体相同：在靠近用户的地方安装小型机组，充分利用发电产生的热量，向一定区域内的用户同时提供电力、蒸气、热水和空调冷水(或风)等的能源服务系统。这套系统可以向用户直接供应，而不需要大电网的输送，大大减少了中间环节的损耗，实现了对资源利用的昀大化，从实践情况看，节能效果是十分明显的。分布式供能系统主要由发动机、发电机、余热锅炉和热驱动制冷机组成，有些系统还配有备用锅炉和蓄热装置。发动机带动发电机发电，同时排出废热，余热锅炉将这些废热转换成蒸汽或热水，直接供热或用于热驱动制冷机制冷。在热量需求较大的情况下，为了防止电需求降低而废热量减少，可以使用备用锅炉来补充所需的热量，上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论第3页在这种情况下也可以用蓄热装置将废热量较多时所产生的热量或冷量储存起来，到不够时用。1.2.2不同的发动机在分布式供能系统中的应用如图1-1为以内燃机作为发动机的分布式供能系统的示意图[2]。一般内燃机的废热利用来自两个部分，一部分来自高温烟气，温度大约为500～600℃，可直接排入余热锅炉用来产生蒸汽，另一部分来自内燃机缸套冷却水，温度大约85～95℃和润滑油的冷却水，温度大约为50～60℃，可直接用来进行热交换，产生热水。图1-1内燃机为发动机的分布式供能系统Fig1-1Theinternalcombustionengineforthedistributedenergysystem图1-2显示了以燃气轮机作为发动机的分布式供能系统的示意图[2]。空气在压气透平中被压缩成高温高压气体，然后进入燃烧室燃烧，产生温度极高的燃烧气体进入燃气透平带动发电机发电，同时排出高温烟气，与内燃机不同，通常高温烟气是燃气轮机唯一的废热来源，但一般燃气轮机的温度要比内燃机高，大约为700～900℃。上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论第4页