無(wú)線計(jì)量?jī)x表在電力能耗監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

朱華明

摘? 要：無(wú)線計(jì)量?jī)x表主要用于計(jì)量低壓網(wǎng)絡(luò)的三相有功電能，具有RS485通訊和470MHz無(wú)線通訊功能，方便用戶進(jìn)行用電監(jiān)測(cè)、集抄和管理。文章主要介紹了使用PLC連接無(wú)線計(jì)量?jī)x表通過(guò)Modbus通信協(xié)議的車間電能能耗監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，詳細(xì)闡述了無(wú)線計(jì)量?jī)x表基于Modbus RTU規(guī)約的電力數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)的軟硬件組成和實(shí)現(xiàn)，結(jié)合上位監(jiān)控系統(tǒng)更快更好的管理分析車間內(nèi)的電力能耗。

關(guān)鍵詞：無(wú)線計(jì)量?jī)x表;Modbus通信協(xié)議;數(shù)據(jù)采集;監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM76? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）15-0166-03

Abstract： The wireless meter is mainly used to measure the three-phase active power of the low-voltage network. It has RS485 communication and 470MHz wireless communication functions， making it convenient for users to monitor， collect and manage electricity. This paper mainly introduces the design of workshop electrical energy consumption monitoring system through the Modbus communication protocol using PLC to connect wireless measurement instrument， and expounds the composition and implementation of hardware and software of electric power data acquisition and displaying system of wireless measuring instrument based on Modbus RTU statute， so as to faster and better manage and analyze the power energy consumption of the workshop in combination with the upper monitoring system.

Keywords： wireless meter; Modbus communication protocol; data acquisition; monitoring system

1 概述

隨著工業(yè)自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)了多種新的實(shí)現(xiàn)方式，與此同時(shí)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源需求不斷增長(zhǎng)與能源相對(duì)不足的矛盾日益嚴(yán)重，節(jié)能成為了全社會(huì)共同關(guān)注的話題。利用無(wú)線計(jì)量?jī)x表將車間內(nèi)的電能數(shù)據(jù)采集出來(lái)，以Modbus協(xié)議與PLC進(jìn)行通訊，使得車間內(nèi)不同位置的無(wú)線計(jì)量?jī)x表組成一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，省去了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)布線環(huán)節(jié)，節(jié)約成本，提高效率，方便操作人員利用上位監(jiān)控系統(tǒng)即可對(duì)整個(gè)車間內(nèi)的用電量使用情況進(jìn)行采集，處理，實(shí)現(xiàn)綜合分析的目的。

2 無(wú)線計(jì)量?jī)x表

無(wú)線計(jì)量?jī)x表組成：

無(wú)線計(jì)量?jī)x表主要由無(wú)線通訊轉(zhuǎn)換器和無(wú)線計(jì)量模塊組成。

（1）無(wú)線通訊轉(zhuǎn)換器

本文中以安科瑞電氣股份有限公司的產(chǎn)品AEW110-L無(wú)線通訊轉(zhuǎn)換器為例，其主要用于輔助RS485設(shè)備進(jìn)行無(wú)線組網(wǎng)，通過(guò)將通訊數(shù)據(jù)在RS485信號(hào)與無(wú)線信號(hào)之間互轉(zhuǎn)，完成普通RS485設(shè)備的無(wú)線通訊。降低用戶通訊組網(wǎng)的施工成本與改造時(shí)間，產(chǎn)品具有體積小、通訊穩(wěn)定、傳輸距離遠(yuǎn)、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。可與RS485通訊設(shè)備靈活安裝，實(shí)現(xiàn)局部通訊的無(wú)線組網(wǎng)。

AEW110-L無(wú)線通訊轉(zhuǎn)換器工作方式介紹：

AEW110-L通過(guò)內(nèi)部RS485接口與無(wú)線接口之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)輔助，“主站”與“終端設(shè)備”無(wú)線組網(wǎng)的功能，數(shù)據(jù)為完全透?jìng)鳎虼丝芍С忠訰S485接口為硬件的各種通訊協(xié)議（如Modbus協(xié)議、DL/T645電力規(guī)約等）。

AEW110-L分為兩種工作模式：主站模式與從站模式，可短接多功能口進(jìn)行切換，也可由通訊進(jìn)行設(shè)置，具體寄存器地址見(jiàn)7通訊說(shuō)明，兩種工作模式具體介紹如下。

主站模式：

一般用于通訊的主站端，“主站”燈亮。AEW110-L優(yōu)先等待RS485信號(hào)輸入，接收到有效的RS485信號(hào)之后，會(huì)將其轉(zhuǎn)成無(wú)線信號(hào)發(fā)出，在超時(shí)時(shí)間內(nèi)，將接收到的有效無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)成RS485信號(hào)發(fā)出，完成數(shù)據(jù)處理流程。

從站模式：

一般用于通訊的從站端，“主站”燈熄滅。AEW110-L優(yōu)先等待無(wú)線信號(hào)輸入，接收到有效的無(wú)線信號(hào)之后，會(huì)將其轉(zhuǎn)成RS485信號(hào)發(fā)至自身的串口上，然后等待回送，在超時(shí)時(shí)間內(nèi)，將收到的有效RS485回送信號(hào)通過(guò)無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)出去，完成數(shù)據(jù)處理流程。

由以上介紹可知，普通的RS485設(shè)備，若需無(wú)線組網(wǎng)，至少需要兩臺(tái)AEW110-L，并且一臺(tái)需為主站模式與通訊管理機(jī)或其他集抄設(shè)備連接，一臺(tái)為從站模式與普通的RS485設(shè)備連接。若設(shè)備本身支持無(wú)線通訊（如AEW100無(wú)線計(jì)量模塊），則只需要一臺(tái)主站模式的AEW110-L與通訊管理機(jī)或其他集抄設(shè)備連接即可完成無(wú)線組網(wǎng)。

AEW110-L內(nèi)置透?jìng)鲾?shù)據(jù)的超時(shí)時(shí)間為傳輸250字節(jié)所用時(shí)間（RS485傳輸時(shí)間加無(wú)線傳輸時(shí)間），因此在使用AEW110-L輪詢終端設(shè)備時(shí)，要注意輪詢的間隔時(shí)間需大于內(nèi)置超時(shí)時(shí)間，超時(shí)時(shí)間可由當(dāng)前RS485接口波特率與擴(kuò)頻因子對(duì)應(yīng)無(wú)線傳輸速率算出，如AEW110-L為出廠默認(rèn)參數(shù)時(shí)：

RS485接口波特率為9600bps：傳輸250字節(jié)時(shí)間約為T1=250ms。

無(wú)線傳輸速率為4500bps：傳輸250字節(jié)時(shí)間約為T2=540ms。

因此內(nèi)置超時(shí)時(shí)間應(yīng)為T=T1+T2=250ms+540ms=790ms。

由此可知，在使用默認(rèn)參數(shù)輪詢終端設(shè)備時(shí)，輪詢的間隔時(shí)間應(yīng)大于790ms，若使用其他參數(shù)，均應(yīng)按照此法算出內(nèi)置超時(shí)時(shí)間，并且使輪詢間隔時(shí)間大于內(nèi)置超時(shí)時(shí)間。

注意：一組AEW110-L通訊時(shí)，需要擴(kuò)頻因數(shù)與頻道均相同才可正常通訊。在無(wú)線通訊距離內(nèi)，從站接入數(shù)量由主站的特性（如個(gè)別通訊管理機(jī)單個(gè)串口接入設(shè)備的數(shù)量有限制）與通訊協(xié)議的規(guī)定決定（如Modbus協(xié)議要求從站的通訊地址小于255），但基于穩(wěn)定性與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性的考慮，推薦從站少于30個(gè)。

（2）無(wú)線計(jì)量模塊

本文中以安科瑞電氣股份有限公司的產(chǎn)品AEW100無(wú)線計(jì)量模塊主要用于計(jì)量低壓網(wǎng)絡(luò)的三相有功電能，具有RS485通訊和470MHz無(wú)線通訊功能，方便用戶進(jìn)行用電監(jiān)測(cè)、集抄和管理。產(chǎn)品具有精度高、體積小、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)?？伸`活安裝于配電箱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同區(qū)域和不同負(fù)荷的分項(xiàng)電能計(jì)量，統(tǒng)計(jì)和分析。

AEW100無(wú)線計(jì)量模塊與其相配套的互感器進(jìn)行連接，互感器分別將電壓、電流信號(hào)通過(guò)信號(hào)連接線傳輸給計(jì)量模塊，計(jì)量模塊通過(guò)無(wú)線方式將測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸至后臺(tái)終端（AEW110-L無(wú)線通訊轉(zhuǎn)換器）。連接方式和安裝效果圖如圖1、圖2所示。

AEW100無(wú)線計(jì)量模塊采用MODBUS-RTU協(xié)議規(guī)約。Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言。通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以通過(guò)該協(xié)議連接成一個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，來(lái)完成集中監(jiān)控。使用Modbus協(xié)議進(jìn)行通訊時(shí)，讀數(shù)據(jù)命令功能碼為03H，寫(xiě)數(shù)據(jù)命令功能碼為10H。

3 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由一臺(tái)PLC、一臺(tái)上位PC監(jiān)控系統(tǒng)、一臺(tái)AEW110-L無(wú)線通訊轉(zhuǎn)換器，多臺(tái)AEW100無(wú)線計(jì)量模塊組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

PLC經(jīng)過(guò)RS-485網(wǎng)線與AEW110-L無(wú)線通訊轉(zhuǎn)換器相連，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制和接收AEW100無(wú)線計(jì)量模塊分別采集各自的電力能耗數(shù)據(jù)，為了避免無(wú)線通訊競(jìng)爭(zhēng)以及沖突，系統(tǒng)采用Modbus協(xié)議的主從通訊控制方法，即在每一個(gè)無(wú)線通訊系統(tǒng)中，每一臺(tái)AEW100無(wú)線計(jì)量模塊都擁有唯一的地址碼，采用的通訊方式是PLC進(jìn)行輪詢經(jīng)AEW110-L無(wú)線通訊轉(zhuǎn)換器將信號(hào)通過(guò)無(wú)線進(jìn)行傳送，每一臺(tái)AEW100無(wú)線計(jì)量模塊應(yīng)答。然后PLC再將收集上來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理， PC監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)線與PLC進(jìn)行連接，顯示PLC處理后的數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)的硬件設(shè)備

本系統(tǒng)所需的硬件設(shè)備中PLC采用西門子公司S7-1200，PC監(jiān)控系統(tǒng)采用工業(yè)電腦并安裝工控軟件，無(wú)線計(jì)量?jī)x表采用安科瑞電氣股份有限公司的AEW110-L無(wú)線通訊轉(zhuǎn)器和AEW100無(wú)線計(jì)量模塊。

S7-1200是一款緊湊型、模塊化的PLC，可完成簡(jiǎn)單邏輯控制、高級(jí)邏輯控制、HMI和網(wǎng)絡(luò)通信等任務(wù)。S7-1200 PLC實(shí)現(xiàn)了模塊化和緊湊型設(shè)計(jì)，功能強(qiáng)大、可擴(kuò)展性強(qiáng)、靈活度高的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)最高標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)通信的通信接口以及一整套強(qiáng)大的集成技術(shù)功能，使該控制器成為完整、全面的自動(dòng)化解決方案的重要組成部分。

5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

5.1 通訊程序

PLC采用Modbus協(xié)議的主從通訊控制方法來(lái)接收各個(gè)無(wú)線計(jì)量?jī)x表數(shù)據(jù)，由PLC作為主站，各個(gè)無(wú)線計(jì)量模塊作為從站，為了避免通訊競(jìng)爭(zhēng)以及沖突，PLC向各個(gè)無(wú)線計(jì)量模塊從站進(jìn)行輪詢來(lái)接收數(shù)據(jù)，避免了數(shù)據(jù)通訊錯(cuò)誤的發(fā)生。具體方法是PLC向無(wú)線計(jì)量模塊發(fā)送Modbus協(xié)議報(bào)文，通過(guò)無(wú)線計(jì)量模塊的反應(yīng)，判斷無(wú)線計(jì)量模塊是否存在，確認(rèn)無(wú)線計(jì)量模塊的存在后，向無(wú)線計(jì)量模塊發(fā)送信息查詢命令，具體流程如圖4所示，然后無(wú)線計(jì)量模塊返回反饋信息，PLC對(duì)返回的Modbus協(xié)議報(bào)文進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)報(bào)文分析以后，PLC提取出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后存入內(nèi)存中。

5.2 電力數(shù)據(jù)監(jiān)控顯示

PLC通過(guò)與無(wú)線計(jì)量?jī)x表的數(shù)據(jù)通訊，獲得了由無(wú)線計(jì)量?jī)x表采集而來(lái)的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，之后可以對(duì)采集而來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，整理，分析，本系統(tǒng)可運(yùn)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)程序，可以將這些數(shù)據(jù)歸類整理，最終在電力監(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行顯示，方便相關(guān)人員進(jìn)行查詢。

6 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線計(jì)量?jī)x表在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中獲得了廣泛的應(yīng)用，本文基于Modbus協(xié)議設(shè)計(jì)了一套電力能耗監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)Modbus協(xié)議，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)硬件之間的通訊連接和程序，通訊簡(jiǎn)便。本系統(tǒng)對(duì)不同廠商的硬件具有較高兼容性，擴(kuò)展性，不僅能完成對(duì)電力設(shè)備的能耗監(jiān)控，還可拓展應(yīng)用于其他智能設(shè)備，具有不錯(cuò)的推廣前景。

參考文獻(xiàn)：

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[3]S7-1200 Modbus RTU通信概述http：//www.ad.siemens.com.cn/productportal/Prods/S7-1200_PLC_EASY_PLUS/PTP%20communication/S7-1200%20Modbus%20RTU/Modbus_RTU.htm[Z].