橋載設(shè)備計(jì)量監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)電量自動(dòng)采集

費(fèi)春國(guó)，王鵬鵬

（中國(guó)民航大學(xué) 航空自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300）

低碳經(jīng)濟(jì)已成為國(guó)際新的發(fā)展趨勢(shì)和國(guó)與國(guó)之間新的競(jìng)爭(zhēng)手段。作為一個(gè)高度國(guó)際化行業(yè)，民航業(yè)迎來(lái)了節(jié)能減排的巨大挑戰(zhàn)。近日，《民航節(jié)能減排專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目指南（2013-2014年度）》（民航法[2013]66號(hào)）文件，第一大類(lèi) （民航節(jié)能技術(shù)改造類(lèi)），第五條款中明確要求：對(duì)于年旅客吞吐量300萬(wàn)人次以上的機(jī)場(chǎng)，使用橋載設(shè)備包括400 Hz靜變電源設(shè)備和地面空調(diào)設(shè)備替代飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置（APU）運(yùn)行。減少燃油消耗和碳排放污染，降低行業(yè)整體運(yùn)行成本。

目前，大多數(shù)機(jī)場(chǎng)只使用普通電表對(duì)所安裝的橋載設(shè)備進(jìn)行電能管理，僅能顯示電源與空調(diào)的用電情況，無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳及對(duì)用電者進(jìn)行自主劃分，更加難以滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)與管理功能需求與后續(xù)節(jié)能效果跟蹤和數(shù)據(jù)評(píng)估要求。同時(shí)，機(jī)場(chǎng)所采用的安排專(zhuān)門(mén)人員針對(duì)每個(gè)航班通過(guò)抄表和人工計(jì)時(shí)方式，僅能統(tǒng)計(jì)航班在使用橋載設(shè)備時(shí)所消耗的電能與時(shí)間。這種方式工作效率低、增加機(jī)場(chǎng)人工運(yùn)營(yíng)成本且缺乏客觀科學(xué)管理。

為此，作為第三方，我校研發(fā)出一種針對(duì)民用機(jī)場(chǎng)地面電源和空調(diào)機(jī)組服務(wù)的橋載設(shè)備計(jì)量監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)橋載設(shè)備使用狀態(tài)、采集航班信息和設(shè)備操作人員信息、記錄服務(wù)時(shí)間及采集底層智能電表參數(shù)（有功電量、無(wú)功電量、各項(xiàng)電流和電壓以及功率因數(shù)等）。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)述

系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，PLC作為終端完成對(duì)智能電表數(shù)據(jù)以及開(kāi)關(guān)量與模擬量采集，嵌入式工控機(jī)作為監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)橋載設(shè)備計(jì)量監(jiān)測(cè)功能，管理功能則通過(guò)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)。PLC不僅能夠在無(wú)人監(jiān)管情況下對(duì)智能電表電量參數(shù)進(jìn)行自主采集，而且可通過(guò)數(shù)字輸入通道采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、啟動(dòng)PLC內(nèi)部計(jì)時(shí)器程序?qū)桨喾?wù)時(shí)間進(jìn)行記錄。在整個(gè)服務(wù)沒(méi)有完全退出時(shí)，可通過(guò)數(shù)字量開(kāi)關(guān)通斷實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能啟動(dòng)/暫停，使得設(shè)備服務(wù)時(shí)間計(jì)量更加精準(zhǔn)。PLC采集的所有數(shù)據(jù)和數(shù)字量通過(guò)PPI傳輸給嵌入式工控機(jī)，然后再利用網(wǎng)線通過(guò)TCP/IP傳輸給上位機(jī)服務(wù)器。服務(wù)器再將傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，為后期能源管理、碳排放量的折算、效果評(píng)估和收費(fèi)提供有效數(shù)據(jù)信息支持。

本系統(tǒng)主要部分是現(xiàn)場(chǎng)智能電表的電量采集，因此，本文主要論述如何通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)場(chǎng)地面電源/空調(diào)機(jī)組的智能電表參數(shù)采集。針對(duì)智能電表所能支持通信協(xié)議的不同，本文設(shè)計(jì)了DL/T645通信規(guī)約與Modbus通信協(xié)議兩種情況下的智能電表數(shù)據(jù)采集程序。

圖1 橋載設(shè)備計(jì)量監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of measurement monitoring and management system of bridge containing

2 數(shù)據(jù)采集終端數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)有智能電表多采用RS485作為物理層，RS485不僅數(shù)據(jù)傳輸速率高，而且接口抗干擾性能好、傳輸距離遠(yuǎn)。PLC對(duì)智能電表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與上位機(jī)通信過(guò)程中，設(shè)置S7-200端口PORT 0為自由口通訊狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議下對(duì)智能電表數(shù)據(jù)采集；設(shè)置端口PORT 1為PPI通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸。針對(duì)智能電表所支持的通信協(xié)議不同，下面論述DL/T645規(guī)約與Modbus協(xié)議下智能電表數(shù)據(jù)信息采集與傳輸設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。

2.1 DL/T645通信規(guī)約下的數(shù)據(jù)采集

2.1.1 DL/T645協(xié)議字節(jié)格式與幀格式

DL/T645通信規(guī)約是電能計(jì)量領(lǐng)域第一部關(guān)于數(shù)據(jù)通信的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1]，也是中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，適用于本地系統(tǒng)中多功能電表或其他數(shù)據(jù)終端設(shè)備進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或一主多從數(shù)據(jù)交換方式。其內(nèi)容簡(jiǎn)潔、實(shí)用，在多功能電表和民用電能表領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。

DL/T645規(guī)約中，每字節(jié)含8位二進(jìn)制碼，傳輸時(shí)加上1個(gè)起始位（0）、1個(gè)偶校驗(yàn)位和1個(gè)停止位（1）共11位。先傳低位，后傳高位[2]。對(duì)于此傳輸格式，在S7-200中設(shè)置存儲(chǔ)區(qū)與之對(duì)應(yīng)，如表1所示。

2.1.2 DL/T645通信規(guī)約的S7-200設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為使用S7-200實(shí)現(xiàn)DL/T645通信規(guī)約，并完成對(duì)智能電表的數(shù)據(jù)采集。通過(guò)賦值SMB30為51H，設(shè)置S7-200端口PORT 0工作方式為偶校驗(yàn)方式、每字符包含8位數(shù)據(jù)、通信波特率2400 b/s和自由口通信模式[3]。通過(guò)將74H賦值給SMB87，完成禁止接收信息、使用信息字符開(kāi)始單元SMB88、使用信息字符結(jié)束單元SMB89、使用SMW90值檢測(cè)空閑狀態(tài)、選用內(nèi)部字符定時(shí)器、選用執(zhí)行終止接收字SMW92、忽略中斷條件等設(shè)置。根據(jù)DL/T645通信規(guī)約和其幀格式，設(shè)定SMB88起始字符值為68H，設(shè)定SMB90終止字符值為16H，通過(guò)SMW90設(shè)定空閑時(shí)間、SMW92設(shè)定超時(shí)時(shí)間、SMB94設(shè)定最大接收字符個(gè)數(shù)，設(shè)定接收數(shù)據(jù)完成中斷與發(fā)送數(shù)據(jù)完成中斷事件連接與中斷使能。

表1 DL/T645通信規(guī)約幀格式與PLC存儲(chǔ)區(qū)對(duì)應(yīng)表Tab.1 Correspondence memory table of PLC under DL/T645 communication protocol transfer format

因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)采用2塊智能電表分別對(duì)2種設(shè)備進(jìn)行電量計(jì)量，所以需對(duì)2塊智能電表進(jìn)行地址設(shè)定后，才能實(shí)現(xiàn)PLC與電能表的通信。設(shè)定電源機(jī)組計(jì)量的智能電表地址為01H，設(shè)定空調(diào)機(jī)組計(jì)量的智能電表地址為02H。根據(jù)表1，VB107～VB111賦值0，當(dāng)VB106中數(shù)據(jù)值為01H時(shí)，與電源機(jī)組智能電表通信，當(dāng)VB106中數(shù)據(jù)值是02H時(shí)，與空調(diào)機(jī)組智能電表通信，注意電表地址按照逆序存儲(chǔ)。為使計(jì)時(shí)更加準(zhǔn)確，通過(guò)時(shí)鐘校準(zhǔn)程序完成與上位機(jī)間的時(shí)間校準(zhǔn)。

初始化主要完成如下動(dòng)作：復(fù)位PLC內(nèi)部各電能參數(shù)標(biāo)志寄存器位，對(duì)PLC內(nèi)部服務(wù)計(jì)時(shí)存儲(chǔ)單元清零。DL/T645通信規(guī)約下，計(jì)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集傳輸流程如圖2所示。

由于PLC的CPU在一個(gè)掃描周期內(nèi)取指令時(shí)，依照從左向右、從上到下依次掃描。只要滿(mǎn)足邏輯條件就會(huì)讀取并執(zhí)行當(dāng)前指令程序，若數(shù)據(jù)發(fā)送和接收所需時(shí)間大于當(dāng)前指令執(zhí)行完成所用時(shí)間 （智能電表接收采集指令并響應(yīng)需要一定的時(shí)間），致使上一條指令運(yùn)行結(jié)果存儲(chǔ)單元中數(shù)據(jù)還未發(fā)送完成，就被當(dāng)前指令運(yùn)行結(jié)果所覆蓋，系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)所需功能。然而，在順控指令中，只有完成當(dāng)前整個(gè)順序控制程序段后，才會(huì)去執(zhí)行下一順控程序段。同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)相同功能子程序調(diào)用，有效減少冗余、縮減程序占用存儲(chǔ)空間。所以采用順控指令對(duì)智能電表各電量的采集，各電量采集順序如圖3所示。

圖2 DL/T645協(xié)議下計(jì)量系統(tǒng)工作流程Fig.2 Work progress of metering system in DL/T645 communication protocol

圖3 電量參數(shù)順序控制采集流程Fig.3 Acquisition progress of power parameters in sequence control

利用XMT指令發(fā)送數(shù)據(jù)，RCV指令接收數(shù)據(jù)[4]，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間信息通訊。在緩沖區(qū)最后一個(gè)字符發(fā)送或接收完成后，產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，對(duì)應(yīng)中斷事件號(hào)為中斷9和中斷23。通過(guò)特殊寄存器SMB86狀態(tài)（SM86至SM94用于 PORT 0，SM186至SM194用于PORT 1），判斷接收數(shù)據(jù)是否完成。

以電源機(jī)組智能電表電量數(shù)據(jù)采集為例，圖4詳細(xì)介紹PLC終端參數(shù)采集流程。為區(qū)分不同電能參數(shù)，設(shè)置了不同校驗(yàn)碼與功能代碼，發(fā)送、接收完成中斷事件使能經(jīng)起始通信配置完成。運(yùn)用FOR循環(huán)指令完成接收數(shù)據(jù)校驗(yàn)，暫存單元緩存數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，再通過(guò)主程序儲(chǔ)存至相應(yīng)參數(shù)邏輯單元中與上位機(jī)通信。

2.2 Modbus協(xié)議下的數(shù)據(jù)采集

2.2.1 Modbus協(xié)議

Modbus協(xié)議是莫迪康公司 （現(xiàn)為施耐德公司）發(fā)明的一種廣泛用于自動(dòng)控制領(lǐng)域工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)，不同生產(chǎn)廠商的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中控制，便于后續(xù)系統(tǒng)擴(kuò)展與更新。協(xié)議規(guī)定，控制器之間通信采用主從技術(shù)[5]。該協(xié)議支持RS-232、RS-422、RS-485和Ethernet等多種接口類(lèi)型通信設(shè)備。Modbus協(xié)議下支持2種傳輸模式：RTU模式與ASCII模式，本系統(tǒng)選用RTU模式（11位傳輸，其中8位數(shù)據(jù)位）。

2.2.2 Modbus通信協(xié)議的S7-200設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Modbus RTU庫(kù)只對(duì)端口PORT 0有效，此處PLC與智能電表間通信只能選取PORT 0。Modbus通信協(xié)議下，計(jì)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集傳輸流程如圖5所示。初始化、時(shí)鐘校準(zhǔn)與應(yīng)用主程序中電源機(jī)組與空調(diào)機(jī)組的服務(wù)計(jì)時(shí)同DL/T645規(guī)約下的實(shí)現(xiàn)大致相同，不再贅述。調(diào)用MBUS_CTRL指令[6]，完成通信主站初始化配置，設(shè)定通信波特率、偶校驗(yàn)方式、從站允許響應(yīng)時(shí)間。運(yùn)用MBUS_MSG指令（通過(guò)對(duì)slave賦值指定通信從站）發(fā)送電表參數(shù)數(shù)據(jù)。調(diào)用CRC校驗(yàn)程序，校驗(yàn)傳輸數(shù)據(jù)。以電源機(jī)組智能電表中有功數(shù)據(jù)采集為例，詳細(xì)讀表流程如圖6所示。

圖5 Modbus協(xié)議下計(jì)量系統(tǒng)工作流程Fig.5 Work progress of metering system in Modbus communication protocol

圖6 Modbus協(xié)議下電源有功數(shù)據(jù)采集Fig.6 Power active data collection in Modbus communication protocol

計(jì)量系統(tǒng)，對(duì)廊橋電源機(jī)組與空調(diào)機(jī)組智能電表各電能參數(shù)、耗電量與相應(yīng)服務(wù)時(shí)間等信息數(shù)據(jù)采集的組態(tài)運(yùn)行畫(huà)面。

3 結(jié)語(yǔ)

本文所述橋載設(shè)備計(jì)量監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)中電能參數(shù)計(jì)量采集與服務(wù)計(jì)時(shí)，運(yùn)用S7-200作為數(shù)據(jù)采集終端，以研華公司嵌入式工控機(jī)作為上位機(jī)。針對(duì)智能電表所支持的通信協(xié)議不同，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)DL/T645規(guī)約與Modbus通信協(xié)議下智能電表參數(shù)自動(dòng)采集。目前，橋載設(shè)備計(jì)量監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)已在多個(gè)機(jī)場(chǎng)安裝使用，并取得不錯(cuò)效果。

[1] 馬利人，宗建華.DL/T645-2007《多功能電能表通信協(xié)議》的技術(shù)特點(diǎn)和創(chuàng)新[J].電測(cè)與儀表，2009，46（3）：1-3，13.

[2] DL/T 645-1997多功能電能表通信規(guī)約[S]，2001.

[3] 胡敏.深入淺出西門(mén)子S7-200 PLC[M].2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[4] 戴仙金.西門(mén)子S7-200系列PLC應(yīng)用與開(kāi)發(fā)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2007.

[5]MODBUS Application Protocol Specification V1.1b[S].MODBUSIDA，2006.

[6] 西門(mén)子MODBUS RTU主站協(xié)議庫(kù) （西門(mén)子標(biāo)準(zhǔn)指令庫(kù)）[S]，2007.

機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展高峰論壇在沈陽(yáng)隆重召開(kāi)

8月31日，由機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟主辦，由沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng)國(guó)家大學(xué)科技城管委會(huì)聯(lián)合承辦的“機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展高峰論壇”在沈陽(yáng)隆重召開(kāi)。

（中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟網(wǎng)）