Modbus智能抄表系統(tǒng)的控制設(shè)計

謝磊

摘 要：我國電力企業(yè)正在不斷進(jìn)行深入改革，電力系統(tǒng)正在不斷進(jìn)行革新，走向智能化、自動化。通過抄表工作對電量進(jìn)行監(jiān)控是電力系統(tǒng)最基本的工作之一，智能抄表能夠使工人的工作強度降低，并且能夠提高抄表效率，且近幾年電表數(shù)量呈現(xiàn)幾何級增長，對抄表工人造成了很大的壓力因此使用智能化的抄表系統(tǒng)是很有必要的。

關(guān)鍵詞：智能抄表系統(tǒng);Modbus協(xié)議;電力企業(yè)

1.智能抄表相關(guān)技術(shù)概要

1.1 Modbus協(xié)議介紹

智能抄表系統(tǒng)是基于RS485的Modbus通信協(xié)議，Modbus協(xié)議是在電子控制器上運用的一種通用語言。通過Modbus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)備之間可以實現(xiàn)通信。Modbus通信協(xié)議已經(jīng)成為一種當(dāng)代通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。通過Modbus協(xié)議，控制設(shè)備就算在不同廠商下也能夠連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、集中監(jiān)控。Modbus協(xié)議定義了一個控制器能辨識并且使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過哪種網(wǎng)絡(luò)通信方式進(jìn)行通信的。它描述了一控制器對其它設(shè)備發(fā)出請求進(jìn)行訪問的過程，如何接收并且回應(yīng)來自其它設(shè)備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。

1.2 SQL數(shù)據(jù)庫的基本介紹

SQL數(shù)據(jù)庫是基于Windows操作系統(tǒng)下的集成開發(fā)環(huán)境該環(huán)境集成了各種向?qū)Ш蜕善鞴ぞ撸故褂萌藛T增加了工作效率。建立數(shù)據(jù)庫連接、設(shè)計用戶使用的表、創(chuàng)建數(shù)據(jù)表、數(shù)據(jù)庫按用戶需要查詢、報警與故障記錄等功能能夠高效率實現(xiàn)。運用SQL數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)崟r存取所獲得的儀表數(shù)據(jù)，并能夠?qū)⒔涌诔绦虻倪\行狀態(tài)以及操作日志，以統(tǒng)一的格式存入后臺數(shù)據(jù)庫中。

2智能抄表系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1通信網(wǎng)絡(luò)的硬件

畫出整個通信硬件圖（圖3-1），用戶如果需訪問智能電表必須先通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，向WEB服務(wù)器發(fā)出一條請求指令，當(dāng)指令通過時會向服務(wù)器發(fā)出一條命令，服務(wù)器將會通過RS485通訊線對電表設(shè)備進(jìn)行訪問，用戶如何在服務(wù)器上通RS485訪問電表是我所研究的內(nèi)容。訪問電表可以使用ASCII碼傳輸模式或者RTU傳輸模式。RTU模式當(dāng)控制器設(shè)為在Modbus網(wǎng)絡(luò)上以RTU（遠(yuǎn)程終端單元）模式通信時，在消息中的每個8Bit字節(jié)包含兩個4Bit的十六進(jìn)制字符。RTU傳輸模式的主要優(yōu)點在于：在同樣的波特率下，可比ASCII方式傳送有更大的數(shù)據(jù)吞吐量。代碼系統(tǒng)：8位二進(jìn)制，十六進(jìn)制數(shù)0到9，A到F、消息中的每個8位域都是一個兩個十六進(jìn)制字符組成、每個字節(jié)的位：1個起始位、8個數(shù)據(jù)位，有效值中最小的先發(fā)送、1個奇偶校驗位，無校驗則無。1個停止位（有校驗時），2個bit（無校驗時）采用CRC（循環(huán)冗余校驗）。

2.2 智能抄表系統(tǒng)狀態(tài)

通過掌握基于RS485的ModBus網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，并以框圖建模的形式對ModBus的常用數(shù)據(jù)通信邏輯建立狀態(tài)模型（圖3-2），使設(shè)計的ModBus接口界面具有一定的協(xié)議兼容性，能夠?qū)崿F(xiàn)ModBus基本協(xié)議數(shù)據(jù)包的接收與發(fā)送。狀態(tài)圖描述：用戶進(jìn)入窗體時進(jìn)入初始化狀態(tài)程序進(jìn)行實時檢測并記錄在線電表數(shù)目，將其顯示在窗體上。檢測完畢后啟動實時查詢定時器T1（用來實時刷新查詢電表的數(shù)據(jù)變化）后，根據(jù)用戶的要求查詢指定的電表數(shù)據(jù)，查詢數(shù)據(jù)的同時數(shù)據(jù)庫將記錄每次查詢請求的操作記錄，如果所查詢的電表不在線，將會生成電表設(shè)備異常報告后進(jìn)入空閑狀態(tài)，如果查詢的電表檢測通過則機器會處理電表通訊請求并將其返回值發(fā)送回窗體，窗體接收通訊數(shù)據(jù)完畢后經(jīng)過簡單的計算生成電量數(shù)據(jù)表后在用戶界面上顯示指定電表數(shù)據(jù)，進(jìn)入空閑狀態(tài)。在空閑狀態(tài)定時器T1將根據(jù)定時的時長對采集的電表數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新，并實時存儲各電表數(shù)據(jù)將其放入數(shù)據(jù)庫中，處理完畢后進(jìn)入空閑狀態(tài)。

2.3 RTU傳輸模式狀態(tài)

RTU傳輸模式的狀態(tài)圖說明：

（1）從“初始”狀態(tài)過渡到“空閑”狀態(tài)需要經(jīng)過t3.5超時達(dá)限，這樣才能夠保證幀間延遲。

（2）沒有接收和發(fā)送報文要處理的時候?qū)M(jìn)入“空閑”狀態(tài)。

（3）在RTU模式中，當(dāng)至少3.5個字符的時間間隔沒有被傳輸激活，即判定通信鏈路為“空閑”狀態(tài)。

（4）當(dāng)通信線路處于“空閑”狀態(tài)時，在線路路上檢測到的任何傳輸?shù)淖址灰暈閹鹗肌．?dāng)通信線路處于“激活”狀態(tài)。然后，當(dāng)時間間隔t3.5之后鏈路上還沒有傳輸字符時，視為幀結(jié)束。

（5）檢測到幀結(jié)束之后，開始執(zhí)行CRC計算和使用CRC進(jìn)行校驗。分析地址字段用來判斷幀是否送往此設(shè)備。如果不是送往該設(shè)備，則丟棄這個幀。為了減少接收處理時間，在接收到地址字段而不需要等到整個幀結(jié)束，就可以分析地址字段。這樣，CRC計算和校驗只需要在幀尋址到該節(jié)點時進(jìn)行。

3、智能抄表程序流程圖

Modbus協(xié)議03（0x03）功能碼的描述：發(fā)送請求時，功能碼占一個字節(jié)、起始地址占兩個字節(jié)（0x0000到0xFFFF）、寄存器數(shù)量占兩個字節(jié)（1到125）。響應(yīng)時，功能碼占一個字節(jié)、字節(jié)數(shù)占1個字節(jié)（2*寄存器的數(shù)量）、寄存器值占寄存器數(shù)量*2字節(jié)。錯誤時異常碼1字節(jié)（01或02或03或04）。讀寄存器時，如請求發(fā)送11 03 006B 0003 7687，11為設(shè)備地址、03為功能碼、00為寄存器起始地址高位、6B為寄存器起始地址低位、00為寄存器數(shù)量高位、03為寄存器數(shù)量低位、76為CRC校驗低位、87為CRC校驗高位。響應(yīng)時返回值如為11 03 06 AE41 5652 4340 49AD。11位設(shè)備地址、03為功能碼、06為字節(jié)計數(shù)、AE為寄存器值高位、41為寄存器值低位、56為寄存器值高位、52為寄存器值低位、43為寄存器值高位、40為寄存器值低位、49為CRC校驗低位、AD為CRC校驗低位。功能碼03H中地址與數(shù)字對照：地址0000（U0、IO）低八位為電流量程、高八位乘2后為電壓量程，0001與0002為電壓量程和電流量程，0005到0007為ABC三相電壓（Ua、Ub、Uc）、000B到000D為ABC三相電流（Ia、Ib、Ic）、0012為頻率F。

結(jié)論

智能抄表系統(tǒng)在電力系統(tǒng)與電力企業(yè)中是非常重要的部分，對電力系統(tǒng)經(jīng)濟安全發(fā)展和經(jīng)濟收益都具有很大的影響。由于此次課題的設(shè)計、實現(xiàn)時間有限，對智能抄表系統(tǒng)的功能擴展做的不夠徹底。如在接口界面上遠(yuǎn)程設(shè)置電表參數(shù)（如電壓、電流變比）、ASCII碼傳輸方式及LRC校驗方式，已有基本的構(gòu)思但還未實現(xiàn)，對智能抄表的多功能有一定的影響。在以后的優(yōu)化設(shè)計中可以在一下方面進(jìn)行提高：第一，實現(xiàn)在界面上遠(yuǎn)程設(shè)置參數(shù)及ASCII碼傳輸方式及LRC校驗方式。第二，本系統(tǒng)的操作界面較少且色調(diào)較為單一。第三，數(shù)據(jù)庫功能較少，應(yīng)加入故障報警查詢功能。對智能電表的后續(xù)優(yōu)化中將對以上幾點進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 華镕.從Modbus到透明就緒——施耐德電氣工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議設(shè)計安裝和應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.6-85.

[2] 何波.C#網(wǎng)絡(luò)程序開發(fā)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.4-47.

[3] 范逸之.Visual BASIC.NET自動化系統(tǒng)監(jiān)控RS-232串行通信[M].北京清華大學(xué)出版社，2006.35-37.

[4] 丁志華.智能化小區(qū)電網(wǎng)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)設(shè)計[N].江蘇大學(xué)學(xué)報，2003-2-24（2）.

[5] 李川.智能化遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的研制[N].武漢：武漢理工大學(xué)學(xué)報（信息與管理工程版），2008-06-30（6）.

[6] Christian Nagel.Professional C# 2012and.Net4.5[M].New York：Wrox，2012.7-23.