基于MODBUS協(xié)議的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)

呂榕雪

摘 要：文章以PK6031智能儀表作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備，運(yùn)用MODBUS協(xié)議，設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)對(duì)智能儀表的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)讀取，組成一對(duì)多的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)?；贛ODBUS的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電量的實(shí)時(shí)采集，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶(hù)用電的遠(yuǎn)方抄錄與控制，系統(tǒng)的應(yīng)用極大地提高了管理人員的工作效率。

關(guān)鍵詞：MODBUS；智能電表；遠(yuǎn)程抄表

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）05-0112-02

Abstract： In this paper， the remote meter reading system is designed with PK6031 intelligent instrument as the experimental equipment and MODBUS protocol， thus the remote parameter setting and data reading of intelligent instrument are realized， and a one-to-many remote meter reading system is formed. The remote meter reading system based on MODBUS can realize the real-time collection of electricity quantity， and then realize the remote recording and control of users' electricity consumption. Finally， the application of the system greatly improves the working efficiency of the managers.

Keywords： MODBUS； intelligent ammeter； remote meter reading

引言

早期電表多依賴(lài)人工上門(mén)抄表，效率低，極大浪費(fèi)人工成本[1]，運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)可以很好解決這個(gè)問(wèn)題。但采用傳統(tǒng)的模擬信號(hào)控制或者數(shù)字-模擬信號(hào)控制的缺點(diǎn)在于其需要“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”控制，無(wú)法構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)控制大系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)可以突破瓶頸，它綜合了微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)手段，構(gòu)成全分散、全數(shù)字化、雙向多點(diǎn)互聯(lián)的電表通信控制系統(tǒng)[2]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

如圖1所示，抄表系統(tǒng)由上位機(jī)，電表以及相應(yīng)的接口轉(zhuǎn)換器組成。PK6031智能儀表的連接方式為總線(xiàn)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通訊介質(zhì)為RS-485，采用的是Modbus-RTU協(xié)議。上位機(jī)與智能電表采用一主多從的通信方式。通信由主機(jī)發(fā)起，從機(jī)對(duì)主機(jī)發(fā)出信息中的地址碼進(jìn)行識(shí)別，并根據(jù)識(shí)別的結(jié)果，做出相應(yīng)的響應(yīng)。主機(jī)的通信接口方式有兩類(lèi)，主要取決于主機(jī)的外設(shè)接口。第一類(lèi)由USB發(fā)出，經(jīng)過(guò)USB/232模塊，轉(zhuǎn)換成RS-232電平，再由232/485模塊接入RS-485網(wǎng)絡(luò)。第二類(lèi)直接由主機(jī)的RS-232端口發(fā)出，經(jīng)232/485模塊接入RS-485網(wǎng)絡(luò)。上位機(jī)與智能電表之間采用半雙工工作方式，即在同一時(shí)刻只能處于接收信息狀態(tài)或者發(fā)送信息狀態(tài)，不能同時(shí)收發(fā)信息。

PK6031智能儀表采用國(guó)際最新電子技術(shù)，以專(zhuān)用 DSP器件，高速微處理器為核心的數(shù)字式智能電參數(shù)測(cè)量?jī)x，是一款智能型電參數(shù)采集模塊，可測(cè)量三相三線(xiàn)制、三相四線(xiàn)制等系統(tǒng)中的電流、電壓、功率、功率因數(shù)、頻率、電能等。其輸出為 RS-485 數(shù)字信號(hào)：有電壓值、電流值、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、頻率、電能等參數(shù)。

系統(tǒng)采用RS-485總線(xiàn)。485總線(xiàn)采用數(shù)據(jù)差分傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。利用兩條線(xiàn)之間的壓差作為邏輯狀態(tài)的判定標(biāo)準(zhǔn)。因此，其共模抑制抗干擾能力較強(qiáng)，傳輸速率高。485總線(xiàn)上連接著多臺(tái)PK6031智能儀表，通過(guò)向485總線(xiàn)上廣播出Modbus協(xié)議信息，對(duì)應(yīng)地從機(jī)做出反饋。在RS-485總線(xiàn)上理論上可接256個(gè)（地址碼00--FF）PK6031智能儀表。系統(tǒng)采用支持Modbus-RTU協(xié)議的PK6031智能儀表。同時(shí)該表還提供多種波特率選擇，可通過(guò)LCD液晶顯示屏進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)讀取。多個(gè)PK6031智能儀表之間使用地址碼進(jìn)行區(qū)分，保證地址不重復(fù)，不會(huì)發(fā)生沖突。PK6031智能儀表通過(guò)RS-485通信接口接到485總線(xiàn)上與上位機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

2 Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)

當(dāng)主機(jī)以 RTU 模式在 Modbus 總線(xiàn)上進(jìn)行通訊時(shí)，1個(gè)字節(jié)分成 2個(gè) 4 位 16 進(jìn)制的字符，該模式的主要優(yōu)點(diǎn)是在相同波特率下其傳輸?shù)淖址拿芏雀哂?ASCII 模式[3]。

RTU模式下每個(gè)字節(jié)的格式

注意：如果沒(méi)有校驗(yàn)位的話(huà)，則用停止位補(bǔ)充，即兩位停止位。

RTU模式下的幀格式

（1）定義defbyte數(shù)組依次拼接地址碼，功能碼，寄存器開(kāi)始地址，寄存器數(shù)量，如表1所示。

（2）根據(jù)defbyte數(shù)組的內(nèi)容，送入CRC校驗(yàn)子函數(shù)，計(jì)算出CRC碼并返回。

（3）重新定義rebyte數(shù)組，將CRC碼拼接到數(shù)組尾部。CRC校驗(yàn)碼低位在前，高位在后。在RTU模式下，沒(méi)有開(kāi)始與結(jié)束標(biāo)志位。取而代之的是t3.5：表示的是3.5個(gè)字符的靜止時(shí)間。這是因?yàn)樵赗TU模式下，信息幀之間以需間隔至少t3.5，即若兩個(gè)字節(jié)之間間隔大于或等于t3.5，則自動(dòng)識(shí)別為兩個(gè)不同的信息幀。

如表2所示，在接到數(shù)據(jù)當(dāng)中，第4，5個(gè)字節(jié)分別代表電壓和電流量程，讀取后需先轉(zhuǎn)換成10進(jìn)制數(shù)據(jù)類(lèi)型。第6，7字節(jié)代表電流變比為4位16進(jìn)制數(shù)。轉(zhuǎn)換成10進(jìn)制的策略是：高八位若不為0，則高八位乘以256，加上第八位的數(shù)值。若高八位為0，則只需計(jì)算第八位數(shù)值即可。

3 UI界面設(shè)計(jì)

在進(jìn)行UI界面設(shè)計(jì)的時(shí)候，需將同一類(lèi)的一些控件放到同一個(gè)模塊里面，這樣用戶(hù)在使用的時(shí)候就不會(huì)感到很凌亂[4]。如圖2所示，在串口設(shè)置模塊當(dāng)中，有關(guān)于串口設(shè)置的端口號(hào)，波特率，校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)位，停止位的設(shè)置。經(jīng)過(guò)這樣的設(shè)計(jì)之后，用戶(hù)不至于會(huì)與電表的波特率設(shè)置相互混淆。在還沒(méi)有打開(kāi)串口的時(shí)候，有可能用戶(hù)會(huì)觸發(fā)發(fā)送按鍵，這樣程序就會(huì)報(bào)錯(cuò)。因此，在還沒(méi)有打開(kāi)的時(shí)候，不能激活相應(yīng)的按鍵。只有在串口打開(kāi)的條件下，才能對(duì)發(fā)送等按鍵進(jìn)行激活。串口打開(kāi)的時(shí)候，應(yīng)沒(méi)有辦法二次打開(kāi)，串口打開(kāi)按鍵應(yīng)該無(wú)法使用，串口關(guān)閉的按鍵激活，防止用戶(hù)進(jìn)行誤操作。

在設(shè)計(jì)UI界面的時(shí)候，須考慮到用戶(hù)的操作順序。用戶(hù)的操作順序：打開(kāi)串口——寫(xiě)入相應(yīng)參數(shù)——讀取電表讀數(shù)。因此，在設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)有這方面的考慮，讓用戶(hù)操作盡量舒適，滿(mǎn)足從上到下，從左到右的習(xí)慣。此外，界面增加一個(gè)信息提示欄，讓用戶(hù)知道自己的指令是否已經(jīng)發(fā)送出去，得到的數(shù)據(jù)是否校驗(yàn)成功等，增加人機(jī)互動(dòng)性。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于Modbus的總線(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于其系統(tǒng)的錯(cuò)誤校驗(yàn)，數(shù)據(jù)交換速度以及可靠性都是傳統(tǒng)智能儀表所不能比擬的，這套系統(tǒng)克服了其他通信方式一些沒(méi)有辦法彌補(bǔ)的缺陷。網(wǎng)絡(luò)管理功能落后，對(duì)錯(cuò)誤的處理能力弱等缺陷。此外，因本系統(tǒng)嚴(yán)格按照Modbus協(xié)議的有關(guān)規(guī)定，所有支持Modbus控制協(xié)議的設(shè)備都可以經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的編程搭接到總線(xiàn)上，具有較強(qiáng)的通用性。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了良好的UI界面，設(shè)計(jì)了眾多的按鍵功能，各個(gè)組合鍵的配合使用可以方便現(xiàn)場(chǎng)的操作和設(shè)置。

參考文獻(xiàn)：

[1]金萍，劉正其.一種基于ZIGBEE的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的智能抄表系統(tǒng)[J].電力工程技術(shù)，2016，35（4）36-39.

[2]王利成，陳朝霞.遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)通訊技術(shù)的應(yīng)用研究[J].工業(yè)技術(shù)，2016，（6）177-177.

[3]王俊杰，徐建文.基于MODBUS-RTU變頻器的PLC設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2016，29（02）15-16.

[4]C#編程指南[M].龔小平，史艷輝譯.中國(guó)水利水電出版社，2002.endprint