無線計量儀表在電力能耗監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　摘要：無線計量儀表主要用于計量低壓網(wǎng)絡(luò)的三相有功電能，具有RS485通訊和470MHz無線通訊功能，方便用戶進(jìn)行用電監(jiān)測、集抄和管理。文章主要介紹了使用PLC連接無線計量儀表通過Modbus通信協(xié)議的車間電能能耗監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，詳細(xì)闡述了無線計量儀表基于ModbusRTU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：無線計量儀表;Modbus通信協(xié)議;數(shù)據(jù)采集;監(jiān)控系統(tǒng)

　　1概述

　　隨著工業(yè)自動化和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)了多種新的實現(xiàn)方式，與此同時，我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源需求不斷增長與能源相對不足的矛盾日益嚴(yán)重，節(jié)能成為了全社會共同關(guān)注的話題。利用無線計量儀表將車間內(nèi)的電能數(shù)據(jù)采集出來，以Modbus協(xié)議與PLC進(jìn)行通訊，使得車間內(nèi)不同位置的無線計量儀表組成一個無線網(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)即可對整個車間內(nèi)的用電量使用情況進(jìn)行采集，處理，實現(xiàn)綜合分析的目的。

　　2無線計量儀表

　　無線計量儀表組成：無線計量儀表主要由無線通訊轉(zhuǎn)換器和無線計量模塊組成。

　　(1)無線通訊轉(zhuǎn)換器本文中以安科瑞電氣股份有限公司的產(chǎn)品AEW110-L無線通訊轉(zhuǎn)換器為例，其主要用于輔助RS485設(shè)備進(jìn)行無線組網(wǎng)，通過將通訊數(shù)據(jù)在RS485信號與無線信號之間互轉(zhuǎn)，完成普通RS485設(shè)備的無線通訊。降低用戶通訊組網(wǎng)的施工成本與改造時間，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�？膳cRS485通訊設(shè)備靈活安裝，實現(xiàn)局部通訊的無線組網(wǎng)。AEW110-L無線通訊轉(zhuǎn)換器工作方式介紹：AEW110-L通過內(nèi)部RS485接口與無線接口之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換實現(xiàn)輔助，“主站”與“終端設(shè)備”無線組網(wǎng)的功能，數(shù)據(jù)為完全透傳，因此可支持以RS485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7通訊說明，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信號輸入，接收到有效的RS485信號之后，會將其轉(zhuǎn)成無線信號發(fā)出，在超時時間內(nèi)，將接收到的有效無線信號轉(zhuǎn)成RS485信號發(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)先等待無線信號輸入，接收到有效的無線信號之后，會將其轉(zhuǎn)成RS485信號發(fā)至自身的串口上，然后等待回送，在超時時間內(nèi)，將收到的有效RS485回送信號通過無線轉(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，若需無線組網(wǎng)，至少需要兩臺AEW110-L，并且一臺需為主站模式與通訊管理機(jī)或其他集抄設(shè)備連接，一臺為從站模式與普通的RS485設(shè)備連接。

　　若設(shè)備本身支持無線通訊(如AEW100無線計量模塊)，則只需要一臺主站模式的AEW110-L與通訊管理機(jī)或其他集抄設(shè)備連接即可完成無線組網(wǎng)。AEW110-L內(nèi)置透傳數(shù)據(jù)的超時時間為傳輸250字節(jié)所用時間(RS485傳輸時間加無線傳輸時間)，因此在使用AEW110-L輪詢終端設(shè)備時，要注意輪詢的間隔時間需大于內(nèi)置超時時間，超時時間可由當(dāng)前RS485接口波特率與擴(kuò)頻因子對應(yīng)無線傳輸速率算出，如AEW110-L為出廠默認(rèn)參數(shù)時：RS485接口波特率為9600bps：傳輸250字節(jié)時間約為T1=250ms。無線傳輸速率為4500bps：傳輸250字節(jié)時間約為T2=540ms。因此內(nèi)置超時時間應(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，輪詢的間隔時間應(yīng)大于790ms，若使用其他參數(shù)，均應(yīng)按照此法算出內(nèi)置超時時間，并且使輪詢間隔時間大于內(nèi)置超時時間。注意：一組AEW110-L通訊時，需要擴(kuò)頻因數(shù)與頻道均相同才可正常通訊。在無線通訊距離內(nèi)，從站接入數(shù)量由主站的特性(如個別通訊管理機(jī)單個串口接入設(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)實時性的考慮，推薦從站少于30個。

　　(2)無線計量模塊

　　本文中以安科瑞電氣股份有限公司的產(chǎn)品AEW100無線計量模塊主要用于計量低壓網(wǎng)絡(luò)的三相有功電能，具有RS485通訊和470MHz無線通訊功能，方便用戶進(jìn)行用電監(jiān)測、集抄和管理。產(chǎn)品具有精度高、體積小、安裝方便等優(yōu)點。可靈活安裝于配電箱內(nèi)，實現(xiàn)對不同區(qū)域和不同負(fù)荷的分項電能計量，統(tǒng)計和分析。AEW100無線計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、電流信號通過信號連接線傳輸給計量模塊，計量模塊通過無線方式將測試數(shù)據(jù)傳輸至后臺終端(AEW110-L無線通訊轉(zhuǎn)換器)。

　　AEW100無線計量模塊采用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言。通過此協(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)備可以通過該協(xié)議連接成一個工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，來完成集中監(jiān)控。使用Modbus協(xié)議進(jìn)行通訊時，讀數(shù)據(jù)命令功能碼為03H，寫數(shù)據(jù)命令功能碼為10H。

　　3系統(tǒng)的整體設(shè)計

　　本系統(tǒng)主要由一臺PLC、一臺上位PC監(jiān)控系統(tǒng)、一臺AEW110-L無線通訊轉(zhuǎn)換器，多臺AEW100無線計量模塊組成。PLC經(jīng)過RS-485網(wǎng)線與AEW110-L無線通訊轉(zhuǎn)換器相連，通過無線網(wǎng)絡(luò)控制和接收AEW100無線計量模塊分別采集各自的電力能耗數(shù)據(jù)，為了避免無線通訊競爭以及沖突，系統(tǒng)采用Modbus協(xié)議的主從通訊控制方法，即在每一個無線通訊系統(tǒng)中，每一臺AEW100無線計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無線通訊轉(zhuǎn)換器將信號通過無線進(jìn)行傳送，每一臺AEW100無線計量模塊應(yīng)答。然后PLC再將收集上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，PC監(jiān)控系統(tǒng)通過網(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，無線計量儀表采用安科瑞電氣股份有限公司的AEW110-L無線通訊轉(zhuǎn)器和AEW100無線計量模塊。S7-1200是一款緊湊型、模塊化的PLC，可完成簡單邏輯控制、高級邏輯控制、HMI和網(wǎng)絡(luò)通信等任務(wù)。S7-1200PLC實現(xiàn)了模塊化和緊湊型設(shè)計，功能強(qiáng)大、可擴(kuò)展性強(qiáng)、靈活度高的設(shè)計，可實現(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、全面的自動化解決方案的重要組成部分。

　　5系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　5.1通訊程序

　　PLC采用Modbus協(xié)議的主從通訊控制方法來接收各個無線計量儀表數(shù)據(jù)，由PLC作為主站，各個無線計量模塊作為從站，為了避免通訊競爭以及沖突，PLC向各個無線計量模塊從站進(jìn)行輪詢來接收數(shù)據(jù)，避免了數(shù)據(jù)通訊錯誤的發(fā)生。具體方法是PLC向無線計量模塊發(fā)送Modbus協(xié)議報文，通過無線計量模塊的反應(yīng)，判斷無線計量模塊是否存在，確認(rèn)無線計量模塊的存在后，向無線計量模塊發(fā)送信息查詢命令，然后無線計量模塊返回反饋信息，PLC對返回的Modbus協(xié)議報文進(jìn)行分析，經(jīng)過報文分析以后，PLC提取出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后存入內(nèi)存中。

　　電子儀表評職知識：儀表評職稱怎么安排論文

　　5.2電力數(shù)據(jù)監(jiān)控顯示

　　PLC通過與無線計量儀表的數(shù)據(jù)通訊，獲得了由無線計量儀表采集而來的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，之后可以對采集而來的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，整理，分析，本系統(tǒng)可運(yùn)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計程序，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

　　無線計量儀表在工業(yè)現(xiàn)場中獲得了廣泛的應(yīng)用，本文基于Modbus協(xié)議設(shè)計了一套電力能耗監(jiān)控系統(tǒng)，通過對Modbus協(xié)議，設(shè)計了系統(tǒng)硬件之間的通訊連接和程序，通訊簡便。本系統(tǒng)對不同廠商的硬件具有較高兼容性，擴(kuò)展性，不僅能完成對電力設(shè)備的能耗監(jiān)控，還可拓展應(yīng)用于其他智能設(shè)備，具有不錯的推廣前景。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]AEW110系列無線通訊轉(zhuǎn)換器使用說明書V1.2http://www.acrel.cn/[Z].

　　[2]AEW100系列無線計量模塊使用說明書V1.3http://www.acrel.cn/[Z].

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

　　作者：朱華明

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