基于Modbus協議的電能監控系統的實現

王海祥,劉 莎,王慶燕

(金陵科技學院機電工程學院,江蘇 南京 211169)

隨著社會的發展,越來越多的家用電器、電動汽車進入人們的生活,用電負荷產生了較大的變化。如何對這些用電負荷進行監控,優化使用方式,節約能源成為急需解決的重要課題。

傳統的電能表能夠顯示電能的基本信息,如電壓、電流、功率等,但是數據只能在現場進行查詢,用戶統計起來比較麻煩。智能電表的網絡化便于數據的傳輸、統計分析和加工管理。近年來,研究人員對智能電表進行了大量的研究和設計[1-3],推進了儀表數字化的進程。在智能儀表領域,常見的通信協議有HART協議、Modbus協議、Profibus協議等。HART通信協議是美國Rosemount公司提出的過渡性協議,為可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協議[4-5]。Profibus協議是一種基于串口的工業通信協議,支持多種設備進行直接的數據交換,常用于過程控制[6-7]。Modbus協議具有更加完備的通信規則,保證了數據傳遞的安全性和實時性[8-9],該協議廣泛應用于電網電能檢測[10-11]、工業設備檢測與監控[12-13]。Modbus協議是一種串行通信協議,其中的RTU協議信息幀由地址碼、功能碼、數據區、CRC校驗碼構成。當從機計算的CRC碼與主機發來的CRC碼比較一致時,說明接收的數據完整正確。本文基于Modbus協議設計電能監控系統,以保證數據傳輸的安全可靠,并使測量數據便于存儲、統計分析和管理。

1 系統構成

圖1是本文設計的電能監控系統,分為上位機和下位機,上位機采用PC機通過485網絡或無線模塊與下位機連接,實現上、下位機的數據通信。

圖1 電能監控系統

通常情況下,智能電表多采用單片機加計量芯片的方案[14-15],單片機用于讀取計量芯片中的電能參數。本文的從機也采用STM32單片機加電能計量芯片的方案,通過采用SP3485芯片將TTL電平信號轉換成RS485電平信號在RS485網絡上傳輸。

主機采用PC機,通過RS232轉RS485模塊與從機連接,用于信號傳輸。 主機監控系統界面由VB語言編寫,主要用于顯示各從機的三相電流、電壓、功率等信息,同時儲存現場數據至后臺數據庫。

上位機與下位機的數據交換遵守Modbus RTU協議,上位機通過VB語言解析該協議數據,下位機通過C語言解析該協議傳送的數據。Modbus RTU協議有完整的地址查找、數據校驗功能,因此不會出現數據傳送混亂和丟失的情況。上位機根據下位機的地址確定測量的電壓、電流、功率等信息對應的線路。

485網絡最大傳輸標準距離為4 000英尺(約1 219 m),實際距離可達3 000 m,所以本文電能監控系統可以在變電所、中小型企業、生活小區等進行測量監控。

2 下位機硬件設計

2.1 總體設計

下位機主要實現數據的采樣、AD轉換、數據顯示、數據通信等功能,其測量裝置(下位從機)硬件系統如圖2所示。從機系統由電源模塊、電流互感器、電壓互感器、HT7132電能測量芯片、STM32F103主控芯片、LCD液晶模塊和485模塊構成。電源模塊的作用主要是將輸入電壓220 V轉換成3.3 V,用作HT7132、STM32F103、LCD液晶模塊、485轉化芯片的電源和接地。HT7132芯片與STM32F103芯片采用SPI總線相連。

圖2 測量裝置硬件框圖

2.2 局部設計方案

目前智能電表多通過計量芯片實現電流、電壓模數的轉換[15-17],計量芯片將轉換好的數據存放在一定的地址空間供主控芯片讀取。借鑒這一設計思路,本文采用HT7132芯片實現電能的計量,HT7132芯片將調理后的電流、電壓轉換為數據,加工計算后得出相關的有功功率、無功功率等,存放在相應地址供STM32F103芯片訪問讀取。

圖3是計量芯片HT7132與主控芯片STM32F103的連接圖。HT7132芯片的CS管腳串聯一個10 Ω的電阻與PA6管腳相連,靠近CS側用10 pF的電容接地以減少干擾,該連接用于芯片STM32F103對HT7132進行片選;SCLK管腳串聯一個10 Ω的電阻與PA7管腳相連,靠近SCLK側用10 pF的電容接地以減少干擾,該連接用于控制時鐘;DIN管腳串聯一個10 Ω的電阻與PB1管腳相連,靠近DIN側用10 pF的電容接地以減少干擾,該連接用于芯片STM32F103對HT7132進行數據輸出,主要用來傳送寄存器的地址,以便讀出HT7132芯片相關寄存器的數據;DOUT管腳串聯一個10 Ω的電阻與PB2管腳相連,靠近PB2側用10 pF的電容接地以減少干擾。

圖3 HT7132與STM32F103的連接圖

從機實現數據讀取的關鍵點在于SPI總線上數據的傳輸,從機的主控芯片與HT7132芯片的數據通信要符合SPI總線數據的時序要求。圖4為SPI總線的示波器測量結果。圖4(a)是SCLK輸入波形,該信號用來提供同步時鐘脈沖;圖4(b)是DIN線上的波形,即主控芯片要讀取的數據地址所呈現的波形;圖4(c)是DOUT端口的信號波形,即HT7132芯片輸出的參數數據。

(a)SCLK端口輸入波形

(c)DOUT端口輸出波形

圖5 RS485電平轉化電路圖

HT7132與電流互感器的連接電路如圖6所示。電流互感器兩腳間并聯20 Ω的采樣電阻,可以根據量程的不同更改電阻的大小,同時并聯0.22 μF的電容,用于濾波。HT7132的V1P和V1N引出點分別與1.2 kΩ的電阻串聯,然后分別連接由20 Ω電阻和0.22 μF電容組成的并聯電路,串聯的1.2 kΩ的電阻主要用于減少流入HT7132的電流。為減少干擾,V1P和V1N引出點需要加10 nF的電容作為去耦電容。V1P和V1N測量A相的電流,類似的,V3P、V3N測量B相的電流,V5P、V5N測量C相的電流,電路圖與圖6一致。

圖6 HT7132與電流互感器的連接圖

圖7是計量芯片HT7132與電壓互感器的連接圖。電壓互感器輸入電壓側串接了110 kΩ電阻,用于減少輸入的電流;輸出電壓側并聯250 Ω的測量電阻和0.22 μF的濾波電容。HT7132芯片的V2P、V2N分別與1.2 kΩ電阻串聯,再與0.22 μF電容、250 Ω電阻并聯回路相連。為了減少干擾,V2P和V2N引出點需要加10 nF的電容作為去耦電容。V2P和V2N測量A相的電壓,類似的,V4P、V4N測量B相的電壓,V6P、V6N測量C相的電壓,電路圖與圖7一致。

圖7 HT7132與電壓互感器的連接圖

2.3 樣機

圖8為測試從機的樣機,前端有LCD用于現場顯示,后部接線端子用于接電流互感器與電壓互感器,同時有RS485接線端子用于構建RS485網絡,電源模塊端子用于接220 V交流電作為設備電源。

圖8 從機樣機

3 軟件設計

軟件設計包括從機軟件的設計和上位PC機監控程序的設計。

3.1 從機軟件

從機的主要任務是在現場讀取電流、電壓等參數信息,并進行顯示,便于讀取;另外一項任務是接收主機指令,根據指令將數據按照Modbus協議傳送到RS485網絡。從機軟件的流程如圖9所示。

圖9 從機軟件流程

從機收到發來的數據后進行處理的子程序如圖10所示。

圖10 執行功能碼子程序流程

Modbus的數據格式為“地址碼+功能碼+數據區+校驗碼”,這些數據準備齊全后才能進行回復。

3.2 上位PC機監控程序

上位機的主要任務是監控電流、電壓、有功功率等的變化。上位機采用輪詢的方式查詢各子機的電流、電壓等信息,同時將數據存入相應的數據庫中。當有功功率超過上限時,可以提醒控制人員在操控界面斷開三級負荷的斷路器,保證一、二級負荷可靠供電。

圖11是PC機監控初始化的程序。監控窗體的初始化首先是監視界面的初始化,主要是監控界面的一些控件的屬性初始化;然后是定時器中斷的初始化,該定時器主要用來每隔一段時間向從機發送查詢命令;最后是MSComm控件的初始化,該控件用來與RS485網絡進行通信。初始化的過程需要設置波特率、停止位等,硬件上用RS232轉RS485模塊實現與PC機連接[15]。

圖11 PC機監控初始化流程

圖12是PC機定時器控件定時的程序。該程序的主要作用是定時向從機發送查詢命令,并根據規約組織發送數據。

圖12 PC機定時器控件定時流程

圖13是PC機MSComm控件接收事件程序流程圖。MSComm控件的主要作用是接收數據后進行校驗和地址核對,然后將數據翻譯成相應的電流、電壓及其他參數,并顯示在窗體的相應控件上,如text控件,最后將這些電力參數插入到SQL Server表格中,實現數據的存儲。

圖13 PC機MSComm控件接收事件流程

圖14是VB語言編寫的監控界面,該界面能實時監控電流、電壓、有功功率、電能等,并且可以利用數據庫里的信息進一步分析電流變化、負荷變化等,便于進行節能管理。

圖14 監控界面

圖15是本文設計的基于Modbus協議的電能監控系統采集、存儲、提取的某小區某天單相視在功率數據。從圖中可以看出,該小區8:30左右達到上午的負荷高峰,21:00～21:30達到全天負荷高峰。為了避免出現“峰上加峰”的現象,可以對洗衣機、電熱水壺等可調負荷的使用時間進行調整[22],對電動汽車、電瓶車利用收費差異轉移充電時間,最終達到削峰填谷的目的,同時減少用電費用,增加變壓器等電力設備的使用壽命。

圖15 基于Modbus協議的電能監控系統的某小區某天單相視在功率

5 結 語

本文對智能電表從機和上位機監控系統進行設計,利用RS485網絡和Modbus協議進行數字通信,完成了數據的采集、存儲和利用,能夠對現場電力負荷及運行情況進行有效監控,可以在數據庫中存儲海量數據。本設計整體運算速度較快,數據的完整性、安全性較高,實現了網絡化運行,便于第三方軟件的銜接,為大數據分析和利用提供了基礎,為進一步利用智能技術開展負荷節能管理工作提供了技術支持。