無線計量儀表在電力能耗監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

朱華明

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)

中圖分類號：TM76? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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(diǎn)。可與RS485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(diǎn)。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）。連接方式和安裝效果圖如圖1、圖2所示。

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，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

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)。S7-1200 PLC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，具體流程如圖4所示，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。

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V1.2 http：//www.acrel.cn/[Z].

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

[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].