Modbus智能抄表系統(tǒng)的控制設(shè)計

謝磊

摘 要：我國電力企業(yè)正在不斷進(jìn)行深入改革，電力系統(tǒng)正在不斷進(jìn)行革新，走向智能化、自動化。通過抄表工作對電量進(jìn)行監(jiān)控是電力系統(tǒng)最基本的工作之一，智能抄表能夠使工人的工作強(qiáng)度降低，并且能夠提高抄表效率，且近幾年電表數(shù)量呈現(xiàn)幾何級增長，對抄表工人造成了很大的壓力因此使用智能化的抄表系統(tǒng)是很有必要的。

關(guān)鍵詞：智能抄表系統(tǒng);Modbus協(xié)議;電力企業(yè)

1.智能抄表相關(guān)技術(shù)概要

1.1 Modbus協(xié)議介紹

智能抄表系統(tǒng)是基于RS485的Modbus通信協(xié)議，Modbus協(xié)議是在電子控制器上運(yùn)用的一種通用語言。通過Modbus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)備之間可以實(shí)現(xiàn)通信。Modbus通信協(xié)議已經(jīng)成為一種當(dāng)代通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。通過Modbus協(xié)議，控制設(shè)備就算在不同廠商下也能夠連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、集中監(jiān)控。Modbus協(xié)議定義了一個控制器能辨識并且使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過哪種網(wǎng)絡(luò)通信方式進(jìn)行通信的。它描述了一控制器對其它設(shè)備發(fā)出請求進(jìn)行訪問的過程，如何接收并且回應(yīng)來自其它設(shè)備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。

1.2 SQL數(shù)據(jù)庫的基本介紹

SQL數(shù)據(jù)庫是基于Windows操作系統(tǒng)下的集成開發(fā)環(huán)境該環(huán)境集成了各種向?qū)Ш蜕善鞴ぞ?，使使用人員增加了工作效率。建立數(shù)據(jù)庫連接、設(shè)計用戶使用的表、創(chuàng)建數(shù)據(jù)表、數(shù)據(jù)庫按用戶需要查詢、報警與故障記錄等功能能夠高效率實(shí)現(xiàn)。運(yùn)用SQL數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)崟r存取所獲得的儀表數(shù)據(jù)，并能夠?qū)⒔涌诔绦虻倪\(yùn)行狀態(tài)以及操作日志，以統(tǒng)一的格式存入后臺數(shù)據(jù)庫中。

2智能抄表系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1通信網(wǎng)絡(luò)的硬件

畫出整個通信硬件圖（圖3-1），用戶如果需訪問智能電表必須先通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，向WEB服務(wù)器發(fā)出一條請求指令，當(dāng)指令通過時會向服務(wù)器發(fā)出一條命令，服務(wù)器將會通過RS485通訊線對電表設(shè)備進(jìn)行訪問，用戶如何在服務(wù)器上通RS485訪問電表是我所研究的內(nèi)容。訪問電表可以使用ASCII碼傳輸模式或者RTU傳輸模式。RTU模式當(dāng)控制器設(shè)為在Modbus網(wǎng)絡(luò)上以RTU（遠(yuǎn)程終端單元）模式通信時，在消息中的每個8Bit字節(jié)包含兩個4Bit的十六進(jìn)制字符。RTU傳輸模式的主要優(yōu)點(diǎn)在于：在同樣的波特率下，可比ASCII方式傳送有更大的數(shù)據(jù)吞吐量。代碼系統(tǒng)：8位二進(jìn)制，十六進(jìn)制數(shù)0到9，A到F、消息中的每個8位域都是一個兩個十六進(jìn)制字符組成、每個字節(jié)的位：1個起始位、8個數(shù)據(jù)位，有效值中最小的先發(fā)送、1個奇偶校驗(yàn)位，無校驗(yàn)則無。1個停止位（有校驗(yàn)時），2個bit（無校驗(yàn)時）采用CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)）。

2.2 智能抄表系統(tǒng)狀態(tài)

通過掌握基于RS485的ModBus網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，并以框圖建模的形式對ModBus的常用數(shù)據(jù)通信邏輯建立狀態(tài)模型（圖3-2），使設(shè)計的ModBus接口界面具有一定的協(xié)議兼容性，能夠?qū)崿F(xiàn)ModBus基本協(xié)議數(shù)據(jù)包的接收與發(fā)送。狀態(tài)圖描述：用戶進(jìn)入窗體時進(jìn)入初始化狀態(tài)程序進(jìn)行實(shí)時檢測并記錄在線電表數(shù)目，將其顯示在窗體上。檢測完畢后啟動實(shí)時查詢定時器T1（用來實(shí)時刷新查詢電表的數(shù)據(jù)變化）后，根據(jù)用戶的要求查詢指定的電表數(shù)據(jù)，查詢數(shù)據(jù)的同時數(shù)據(jù)庫將記錄每次查詢請求的操作記錄，如果所查詢的電表不在線，將會生成電表設(shè)備異常報告后進(jìn)入空閑狀態(tài)，如果查詢的電表檢測通過則機(jī)器會處理電表通訊請求并將其返回值發(fā)送回窗體，窗體接收通訊數(shù)據(jù)完畢后經(jīng)過簡單的計算生成電量數(shù)據(jù)表后在用戶界面上顯示指定電表數(shù)據(jù)，進(jìn)入空閑狀態(tài)。在空閑狀態(tài)定時器T1將根據(jù)定時的時長對采集的電表數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新，并實(shí)時存儲各電表數(shù)據(jù)將其放入數(shù)據(jù)庫中，處理完畢后進(jìn)入空閑狀態(tài)。

2.3 RTU傳輸模式狀態(tài)

RTU傳輸模式的狀態(tài)圖說明：

（1）從“初始”狀態(tài)過渡到“空閑”狀態(tài)需要經(jīng)過t3.5超時達(dá)限，這樣才能夠保證幀間延遲。

（2）沒有接收和發(fā)送報文要處理的時候?qū)M(jìn)入“空閑”狀態(tài)。

（3）在RTU模式中，當(dāng)至少3.5個字符的時間間隔沒有被傳輸激活，即判定通信鏈路為“空閑”狀態(tài)。

（4）當(dāng)通信線路處于“空閑”狀態(tài)時，在線路路上檢測到的任何傳輸?shù)淖址灰暈閹鹗?。?dāng)通信線路處于“激活”狀態(tài)。然后，當(dāng)時間間隔t3.5之后鏈路上還沒有傳輸字符時，視為幀結(jié)束。

（5）檢測到幀結(jié)束之后，開始執(zhí)行CRC計算和使用CRC進(jìn)行校驗(yàn)。分析地址字段用來判斷幀是否送往此設(shè)備。如果不是送往該設(shè)備，則丟棄這個幀。為了減少接收處理時間，在接收到地址字段而不需要等到整個幀結(jié)束，就可以分析地址字段。這樣，CRC計算和校驗(yàn)只需要在幀尋址到該節(jié)點(diǎn)時進(jìn)行。

3、智能抄表程序流程圖

Modbus協(xié)議03（0x03）功能碼的描述：發(fā)送請求時，功能碼占一個字節(jié)、起始地址占兩個字節(jié)（0x0000到0xFFFF）、寄存器數(shù)量占兩個字節(jié)（1到125）。響應(yīng)時，功能碼占一個字節(jié)、字節(jié)數(shù)占1個字節(jié)（2*寄存器的數(shù)量）、寄存器值占寄存器數(shù)量*2字節(jié)。錯誤時異常碼1字節(jié)（01或02或03或04）。讀寄存器時，如請求發(fā)送11 03 006B 0003 7687，11為設(shè)備地址、03為功能碼、00為寄存器起始地址高位、6B為寄存器起始地址低位、00為寄存器數(shù)量高位、03為寄存器數(shù)量低位、76為CRC校驗(yàn)低位、87為CRC校驗(yàn)高位。響應(yīng)時返回值如為11 03 06 AE41 5652 4340 49AD。11位設(shè)備地址、03為功能碼、06為字節(jié)計數(shù)、AE為寄存器值高位、41為寄存器值低位、56為寄存器值高位、52為寄存器值低位、43為寄存器值高位、40為寄存器值低位、49為CRC校驗(yàn)低位、AD為CRC校驗(yàn)低位。功能碼03H中地址與數(shù)字對照：地址0000（U0、IO）低八位為電流量程、高八位乘2后為電壓量程，0001與0002為電壓量程和電流量程，0005到0007為ABC三相電壓（Ua、Ub、Uc）、000B到000D為ABC三相電流（Ia、Ib、Ic）、0012為頻率F。

結(jié)論

智能抄表系統(tǒng)在電力系統(tǒng)與電力企業(yè)中是非常重要的部分，對電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)安全發(fā)展和經(jīng)濟(jì)收益都具有很大的影響。由于此次課題的設(shè)計、實(shí)現(xiàn)時間有限，對智能抄表系統(tǒng)的功能擴(kuò)展做的不夠徹底。如在接口界面上遠(yuǎn)程設(shè)置電表參數(shù)（如電壓、電流變比）、ASCII碼傳輸方式及LRC校驗(yàn)方式，已有基本的構(gòu)思但還未實(shí)現(xiàn)，對智能抄表的多功能有一定的影響。在以后的優(yōu)化設(shè)計中可以在一下方面進(jìn)行提高：第一，實(shí)現(xiàn)在界面上遠(yuǎn)程設(shè)置參數(shù)及ASCII碼傳輸方式及LRC校驗(yàn)方式。第二，本系統(tǒng)的操作界面較少且色調(diào)較為單一。第三，數(shù)據(jù)庫功能較少，應(yīng)加入故障報警查詢功能。對智能電表的后續(xù)優(yōu)化中將對以上幾點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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