无线计量仪表在电力能耗监控系统中的应用
时间：2020-12-06 02:01:45 来源：达达文档网 本文已影响 人 
朱华明
摘 要：无线计量仪表主要用于计量低压网络的三相有功电能，具有RS485通讯和470MHz无线通讯功能，方便用户进行用电监测、集抄和管理。文章主要介绍了使用PLC连接无线计量仪表通过Modbus通信协议的车间电能能耗监控系统的设计，详细阐述了无线计量仪表基于Modbus RTU规约的电力数据采集显示系统的软硬件组成和实现，结合上位监控系统更快更好的管理分析车间内的电力能耗。
关键词：无线计量仪表;Modbus通信协议;数据采集;监控系统
中图分类号：TM76 文献标志码：A 文章编号：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
隨着工业自动化和网络技术的迅速发展，监控系统出现了多种新的实现方式，与此同时，我国经济的迅速发展，能源需求不断增长与能源相对不足的矛盾日益严重，节能成为了全社会共同关注的话题。利用无线计量仪表将车间内的电能数据采集出来，以Modbus协议与PLC进行通讯，使得车间内不同位置的无线计量仪表组成一个无线网络，省去了传统网络布线环节，节约成本，提高效率，方便操作人员利用上位监控系统即可对整个车间内的用电量使用情况进行采集，处理，实现综合分析的目的。
2 无线计量仪表
无线计量仪表组成：
无线计量仪表主要由无线通讯转换器和无线计量模块组成。
（1）无线通讯转换器
本文中以安科瑞电气股份有限公司的产品AEW110-L无线通讯转换器为例，其主要用于辅助RS485设备进行无线组网，通过将通讯数据在RS485信号与无线信号之间互转，完成普通RS485设备的无线通讯。降低用户通讯组网的施工成本与改造时间，产品具有体积小、通讯稳定、传输距离远、安装方便等优点。可与RS485通讯设备灵活安装，实现局部通讯的无线组网。
AEW110-L无线通讯转换器工作方式介绍：
AEW110-L通过内部RS485接口与无线接口之间的数据转换实现辅助，“主站”与“终端设备”无线组网的功能，数据为完全透传，因此可支持以RS485接口为硬件的各种通讯协议（如Modbus协议、DL/T645电力规约等）。
AEW110-L分为两种工作模式：主站模式与从站模式，可短接多功能口进行切换，也可由通讯进行设置，具体寄存器地址见7通讯说明，两种工作模式具体介绍如下。
主站模式：
一般用于通讯的主站端，“主站”灯亮。AEW110-L优先等待RS485信号输入，接收到有效的RS485信号之后，会将其转成无线信号发出，在超时时间内，将接收到的有效无线信号转成RS485信号发出，完成数据处理流程。
从站模式：
一般用于通讯的从站端，“主站”灯熄灭。AEW110-L优先等待无线信号输入，接收到有效的无线信号之后，会将其转成RS485信号发至自身的串口上，然后等待回送，在超时时间内，将收到的有效RS485回送信号通过无线转发出去，完成数据处理流程。
由以上介绍可知，普通的RS485设备，若需无线组网，至少需要两台AEW110-L，并且一台需为主站模式与通讯管理机或其他集抄设备连接，一台为从站模式与普通的RS485设备连接。若设备本身支持无线通讯（如AEW100无线计量模块），则只需要一台主站模式的AEW110-L与通讯管理机或其他集抄设备连接即可完成无线组网。
AEW110-L内置透传数据的超时时间为传输250字节所用时间（RS485传输时间加无线传输时间），因此在使用AEW110-L轮询终端设备时，要注意轮询的间隔时间需大于内置超时时间，超时时间可由当前RS485接口波特率与扩频因子对应无线传输速率算出，如AEW110-L为出厂默认参数时：
RS485接口波特率为9600bps：传输250字节时间约为T1=250ms。
无线传输速率为4500bps：传输250字节时间约为T2=540ms。
因此内置超时时间应为T=T1+T2=250ms+540ms=790ms。
由此可知，在使用默认参数轮询终端设备时，轮询的间隔时间应大于790ms，若使用其他参数，均应按照此法算出内置超时时间，并且使轮询间隔时间大于内置超时时间。
注意：一组AEW110-L通讯时，需要扩频因数与频道均相同才可正常通讯。在无线通讯距离内，从站接入数量由主站的特性（如个别通讯管理机单个串口接入设备的数量有限制）与通讯协议的规定决定（如Modbus协议要求从站的通讯地址小于255），但基于稳定性与数据实时性的考虑，推荐从站少于30个。
（2）无线计量模块
本文中以安科瑞电气股份有限公司的产品AEW100无线计量模块主要用于计量低压网络的三相有功电能，具有RS485通讯和470MHz无线通讯功能，方便用户进行用电监测、集抄和管理。产品具有精度高、体积小、安装方便等优点。可灵活安装于配电箱内，实现对不同区域和不同负荷的分项电能计量，统计和分析。
AEW100无线计量模块与其相配套的互感器进行连接，互感器分别将电压、电流信号通过信号连接线传输给计量模块，计量模块通过无线方式将测试数据传输至后台终端（AEW110-L无线通讯转换器）。连接方式和安装效果图如图1、图2所示。
AEW100无线计量模块采用MODBUS-RTU协议规约。Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。不同厂商生产的控制设备可以通过该协议连接成一个工业网络，来完成集中监控。使用Modbus协议进行通讯时，读数据命令功能码为03H，写数据命令功能码为10H。
3 系统的整体设计
本系统主要由一台PLC、一台上位PC监控系统、一台AEW110-L无线通讯转换器，多台AEW100无线计量模块组成，系统结构图如图3所示。
PLC经过RS-485网线与AEW110-L无线通讯转换器相连，通过无线网络控制和接收AEW100无线计量模块分别采集各自的电力能耗数据，为了避免无线通讯竞争以及冲突，系统采用Modbus协议的主从通讯控制方法，即在每一个无线通讯系统中，每一台AEW100无线计量模块都拥有唯一的地址码，采用的通讯方式是PLC进行轮询经AEW110-L无线通讯转换器将信号通过无线进行传送，每一台AEW100无线计量模块应答。然后PLC再将收集上来的数据进行相应的处理， PC监控系统通过网线与PLC进行连接，显示PLC处理后的数据。
4 系统的硬件设备
本系统所需的硬件设备中PLC采用西门子公司S7-1200，PC监控系统采用工业电脑并安装工控软件，无线计量仪表采用安科瑞电气股份有限公司的AEW110-L无线通讯转器和AEW100无线计量模块。
S7-1200是一款紧凑型、模块化的PLC，可完成简单逻辑控制、高级逻辑控制、HMI和网络通信等任务。S7-1200 PLC实现了模块化和紧凑型设计，功能强大、可扩展性强、靈活度高的设计，可实现最高标准工业通信的通信接口以及一整套强大的集成技术功能，使该控制器成为完整、全面的自动化解决方案的重要组成部分。
5 系统的软件设计
5.1 通讯程序
PLC采用Modbus协议的主从通讯控制方法来接收各个无线计量仪表数据，由PLC作为主站，各个无线计量模块作为从站，为了避免通讯竞争以及冲突，PLC向各个无线计量模块从站进行轮询来接收数据，避免了数据通讯错误的发生。具体方法是PLC向无线计量模块发送Modbus协议报文，通过无线计量模块的反应，判断无线计量模块是否存在，确认无线计量模块的存在后，向无线计量模块发送信息查询命令，具体流程如图4所示，然后无线计量模块返回反馈信息，PLC对返回的Modbus协议报文进行分析，经过报文分析以后，PLC提取出相应的数据，然后存入内存中。
5.2 电力数据监控显示
PLC通过与无线计量仪表的数据通讯，获得了由无线计量仪表采集而来的数据，并将这些数据存入数据库，之后可以对采集而来的数据进行统计，整理，分析，本系统可运用数据统计程序，可以将这些数据归类整理，最终在电力监控系统中进行显示，方便相关人员进行查询。
6 结束语
无线计量仪表在工业现场中获得了广泛的应用，本文基于Modbus协议设计了一套电力能耗监控系统，通过对Modbus协议，设计了系统硬件之间的通讯连接和程序，通讯简便。本系统对不同厂商的硬件具有较高兼容性，扩展性，不仅能完成对电力设备的能耗监控，还可拓展应用于其他智能设备，具有不错的推广前景。
参考文献：
[1]AEW110系列无线通讯转换器使用说明书V1.2 http：//www.acrel.cn/[Z].
[2]AEW100系列无线计量模块使用说明书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].
