基于智能電表的電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顏世佳 朱香佳 劉茗中 劉彩云 朱桂明

摘要：根據(jù)工廠及辦公場(chǎng)所對(duì)電能數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的需求，設(shè)計(jì)了一種基于智能電表的電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，介紹了智能電表與串口服務(wù)器的硬件構(gòu)成及Modbus協(xié)議部分內(nèi)容，并給出了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)為設(shè)備的電能監(jiān)測(cè)提供了一種聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方案，經(jīng)測(cè)試，其能夠以低成本實(shí)現(xiàn)電能數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，保證監(jiān)測(cè)的可靠性與實(shí)時(shí)性，對(duì)電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展起到了一定的推動(dòng)作用。

關(guān)鍵詞：串口服務(wù)器;智能電表;Modbus協(xié)議;電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

0 ? ?引言

企業(yè)生產(chǎn)過程中存在電能浪費(fèi)情況，不符合節(jié)能要求。為此，新工廠常采用自帶電能監(jiān)測(cè)功能的生產(chǎn)設(shè)備，并配有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境用于數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)電能的監(jiān)測(cè)。但多數(shù)工廠由于設(shè)備老舊與環(huán)境問題，未配備電能采集裝置，且不具備重新布置線纜的能力。因此建立一種利用智能電表組成的電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為能源管理提供數(shù)據(jù)支持。

1 ? ?監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件構(gòu)成

1.1 ? ?智能電表

由于電壓等級(jí)不同，為方便表示，智能電表硬件框圖以單相智能電表為例，如圖1所示。

在待測(cè)設(shè)備的電源加裝智能電表，電流采樣模塊采用串聯(lián)接入方式計(jì)量電流數(shù)據(jù)，電壓采樣模塊采用并聯(lián)方式接入待測(cè)電路計(jì)量電壓數(shù)據(jù)，電源模塊通過交直流變換為各模塊供電。同時(shí)，電壓、電流數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)部總線傳輸至電功率測(cè)量芯片進(jìn)行計(jì)算，得出實(shí)時(shí)電壓、電流、功率以及電能等相關(guān)電參數(shù)，數(shù)據(jù)同步至控制模塊，再由控制模塊完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示與通信等功能。

1.2 ? ?串口服務(wù)器

由于智能電表采用串行通信接口，協(xié)議為Modbus RTU，不能通過以太網(wǎng)與主機(jī)交互，因此加裝串口服務(wù)器，將串口信號(hào)轉(zhuǎn)成網(wǎng)口信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電能數(shù)據(jù)在電表與主機(jī)間的雙向傳輸，使電表具備以太網(wǎng)傳輸能力[1]。此外，串口服務(wù)器在配置完成后無需改動(dòng)，波特率、IP地址及端口模式均為固定值。如果需要新增電能表，僅需設(shè)置電能表波特率與站號(hào)，即可使新增智能電表入網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的快速添加，減少了配置過程[2]。串口服務(wù)器硬件框圖如圖2所示。

2 ? ?監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部分軟件功能設(shè)計(jì)

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件具備Modbus協(xié)議的識(shí)別與通信功能[3]。使用微軟VS2017進(jìn)行開發(fā)，調(diào)用網(wǎng)絡(luò)通信及日志組件的Modbus協(xié)議程序集，減少開發(fā)時(shí)間，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)庫(kù)則采用SQL Server管理系統(tǒng)進(jìn)行電能數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)[4]。通過對(duì)電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能需求分析，主要實(shí)現(xiàn)功能的程序?yàn)橹鳈C(jī)、從機(jī)指令的收發(fā)。部分功能代碼如下：

private void timer1_Tick（object sender， EventArgs e）//利用定時(shí)器，每秒發(fā)送一次報(bào)文

{byte[] data = null;

data = new byte[] { 0x01， 0x03， 0x00， 0x00， 0x00， 0x12， 0xC5， 0xC7 };

newclient.Send（data）; }

void RecMsg（）

{while （true）

{ byte[] arrMsgRec = new byte[1024];//將接收到的數(shù)據(jù)存入到輸入arrMsgRec中;

int length = -1;

try

{length = newclient.Receive（arrMsgRec）; //接收數(shù)據(jù)，并返回?cái)?shù)據(jù)的長(zhǎng)度;

string msg = "";

for （int i = 0; i < length; i++）

{msg += arrMsgRec[i].ToString（"X2"）;}

ShowMsgDelegate（msg.Trim（））;}

catch （SocketException se）

{ShowMsg（"異常;" + se.Message）; return;}

catch （Exception e）

{ShowMsg（"異常：" + e.Message）;

return;}}}

3 ? ?測(cè)試結(jié)果

本系統(tǒng)需要讀取電能表寄存器中的電能參數(shù)，以一號(hào)電能表為例，主機(jī)發(fā)送的指令如表1所示。從機(jī)返回36個(gè)字節(jié)的寄存器數(shù)據(jù)，按照通信規(guī)則解析后如表2所示。

電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖3所示。

4 ? ?結(jié)語

本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本較低，對(duì)車間、辦公場(chǎng)所的改動(dòng)和生產(chǎn)工作的影響較小，可以基于電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)快速獲取每臺(tái)設(shè)備及區(qū)域的電能數(shù)據(jù)，解決老舊設(shè)備設(shè)施電能數(shù)據(jù)獲取困難和無法利用網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膯栴}。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)區(qū)域的電能信息統(tǒng)計(jì)與實(shí)時(shí)監(jiān)控，可為企業(yè)提供管理服務(wù)，如對(duì)樓層用電與設(shè)備用電的情況統(tǒng)計(jì);可監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)未工作設(shè)備等;有利于促進(jìn)企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提升產(chǎn)品附加值。

[參考文獻(xiàn)]

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[3] 賀洪江，程琳.基于STM32和Modbus的電參數(shù)采集系統(tǒng)[J].自動(dòng)化與儀表，2014，29（6）：26-29.

[4] 徐鵬鵬.基于S7-300/200 PLC和Modbus協(xié)議的電力參數(shù)采集系統(tǒng)[J].工礦自動(dòng)化，2011，37（12）：104-107.

收稿日期：2020-07-02

作者簡(jiǎn)介：顏世佳（1995—），男，江蘇連云港人，助理工程師，主要從事數(shù)據(jù)采集、智能儀表、智能船舶等方面的工作。