徐 艷,熊昱凱,常雨芳，汪 露，譚 野

(武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430070)

0 引 言

在電力系統(tǒng)中，用戶使用電能的情況由智能電力網(wǎng)絡(luò)儀表來(lái)監(jiān)測(cè)，并同時(shí)將用戶的用電信息傳輸?shù)诫娏ΡO(jiān)測(cè)站,這個(gè)過(guò)程中可以采用RS-485總線[1]實(shí)現(xiàn)多從站以及長(zhǎng)距離或較長(zhǎng)距離通訊.電力監(jiān)控系統(tǒng)采用RS-485總線，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、長(zhǎng)距離通信等優(yōu)點(diǎn).同時(shí)，為了方便用戶合理、有效、均衡地利用電能，避免電力系統(tǒng)出現(xiàn)用電負(fù)荷尖峰，提高系統(tǒng)的用電負(fù)荷效率，對(duì)用戶端的電能計(jì)量裝置進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)具有重要的意義.

筆者采用RS-485串行通訊，并在總線傳輸時(shí)使用RS-485 集線器與終端阻抗匹配構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將實(shí)驗(yàn)所采用的3只智能電力網(wǎng)絡(luò)儀表DW93-1000[2]綜合測(cè)量顯示的電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、頻率、功率因數(shù)等參數(shù)，采用Modbus RTU通訊協(xié)議在上位機(jī)組態(tài)中的監(jiān)測(cè)組態(tài)畫面中完成通訊功能，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與智能電力網(wǎng)絡(luò)儀表的數(shù)據(jù)交換.

1 RS-485串行通訊

分布式工業(yè)控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，在進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊時(shí)，通常會(huì)使用串行通訊來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和交換，串行通訊常用的接口標(biāo)準(zhǔn)有RS-232串口標(biāo)準(zhǔn)和RS-485串口標(biāo)準(zhǔn)2種.

在低速率串行通訊時(shí)增加通訊距離的單端標(biāo)準(zhǔn)稱為RS-232串口標(biāo)準(zhǔn).RS-232采用單端通訊，收發(fā)端的數(shù)據(jù)信號(hào)都是對(duì)地信號(hào)，因此其共模抑制能力差，而且由于雙絞線分布電容的存在，使得其傳輸距離較小，最高速率為20 kb/s，只能支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊[3].

針對(duì)RS-232串行通訊存在的問(wèn)題，提出了RS-485串口標(biāo)準(zhǔn).串口通訊的發(fā)送端將待發(fā)送的信號(hào)轉(zhuǎn)換成兩路差分信號(hào)A和B輸出，經(jīng)傳輸后再在接收端將兩路差分信號(hào)重新還原成晶體管-晶體管邏輯(Transistor Transistor Logic，以下簡(jiǎn)稱：TTL)電平信號(hào).由于采用差分形式進(jìn)行傳輸，傳輸線通常使用雙絞線，所以采用以TTL電平和差分傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行串行通訊具有極強(qiáng)的抗共模干擾的能力且總線收發(fā)器靈敏度較高.RS-485具有較長(zhǎng)的通訊距離，最高傳輸速率可達(dá)10 Mb/s.傳輸速率與距離成反比,在最小傳輸速率100 kb/s下，可以達(dá)到最大通訊距離[1].

RS-485串口通訊采用半雙工(在任意時(shí)刻，信息既可由A傳到B，又可由B傳到A，但只能在一個(gè)方向上傳輸)方式，支持多點(diǎn)數(shù)據(jù)通訊.RS-485串口總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般采用終端阻抗匹配結(jié)構(gòu)，即用一條總線將各個(gè)進(jìn)行串行通訊的節(jié)點(diǎn)串接起來(lái)，這種結(jié)構(gòu)的RS-485總線不支持環(huán)形網(wǎng)絡(luò)或星型網(wǎng)絡(luò).如果要使用星型結(jié)構(gòu)，就必須在總線傳輸?shù)慕K端使用RS-485中繼器或 RS-485集線器.

圖1介紹了一種用RS-485中繼器連接多個(gè)能進(jìn)行RS-485通訊的儀表的結(jié)構(gòu).

圖1 帶有RS-485中繼器的總線結(jié)構(gòu)Fig.1 RS-485 bus structure with repeaters

在圖1所示的總線分布結(jié)構(gòu)中，由于RS-485總線受差分信號(hào)傳輸特點(diǎn)的限制，總線長(zhǎng)度一般在1 200 m左右，而且布線覆蓋面積十分有限(一般為幾百平方米),為了拓寬傳輸距離采用了中繼器.

在圖1的基礎(chǔ)上可以采用星型結(jié)構(gòu)連接RS-485總線[4]，如圖2所示.它采用獨(dú)特的等位分差隔離技術(shù)和高效的總線分割集中技術(shù)，能有效解決工程布線中常見的地電位差異、阻抗匹配及雷擊問(wèn)題.同時(shí)，分割網(wǎng)段，提高了通信可靠性，當(dāng)雷擊或者設(shè)備故障產(chǎn)生時(shí)，出現(xiàn)問(wèn)題的網(wǎng)段將被隔離，以確保其他網(wǎng)段的正常工作.

圖2 星型結(jié)構(gòu)RS-485總線Fig.2 Star RS-485 bus structure

本研究采用圖2所示的星型結(jié)構(gòu)連接總線，使用3只智能電力網(wǎng)絡(luò)儀表DW93-1000綜合測(cè)量顯示電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、頻率、功率因數(shù).

2 RS-485總線對(duì)智能電表的監(jiān)測(cè)

筆者利用智能電力網(wǎng)絡(luò)儀表DW93-1000采集三站的電力參數(shù)，并通過(guò)RS-485與上位機(jī)監(jiān)控進(jìn)行通訊.

DW93-1000智能電力網(wǎng)絡(luò)儀表采用松野公司生產(chǎn)的具有RS-485串行通訊和標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU協(xié)議的智能電力網(wǎng)絡(luò)儀表DW93-1000.

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司研發(fā)的，基于Windows平臺(tái)的用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)“MCGS6.2”，作為上位計(jì)算機(jī)的監(jiān)控軟件，選用智能電力網(wǎng)絡(luò)儀表DW93-1000為通訊網(wǎng)絡(luò)的從站.DW93-1000智能電力網(wǎng)絡(luò)儀表和RS-485通訊總線[5]均支持Modbus RTU通訊協(xié)議，通過(guò)在上位機(jī)組態(tài)中進(jìn)行相關(guān)設(shè)置、構(gòu)建監(jiān)測(cè)組態(tài)畫面來(lái)完成通訊功能，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與DW93-1000和RS-485總線的數(shù)據(jù)交換.

具體設(shè)置方法如下：

a.在組態(tài)的設(shè)備窗口中定義串口父設(shè)備的參數(shù)，初始工作狀態(tài)：1-啟動(dòng)；最小采集周期：10 ms；串口端口號(hào)：0-COM1；通訊波特率：6-9 600 Bd；數(shù)據(jù)位：1-8位；校驗(yàn)位：0-1位(偶校驗(yàn))；停止位：0-1位；

b.每臺(tái)DW93-1000和RS-485配置唯一的設(shè)備地址，地址范圍為1～254，設(shè)備參數(shù)：初始工作狀態(tài)：1-啟動(dòng)；最小采集周期：10 ms；設(shè)備地址：1、 2、3；通訊等待時(shí)間：200 ms；

c.建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，定義通信數(shù)據(jù)的寄存器地址和數(shù)據(jù)類型：除系統(tǒng)內(nèi)建數(shù)據(jù)對(duì)象為字符型以外，其他新建數(shù)據(jù)對(duì)象均為數(shù)值型.

圖3 為RS-485通訊的組態(tài)主畫面，通過(guò)按鈕切換至數(shù)據(jù)圖4所示畫面.

圖3 RS-485通訊組態(tài)主畫面Fig.3 Main configuration of RS-485 communication

圖3中，采用星型結(jié)構(gòu)連接總線即一臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)RS-485集線器連接3只DW93-1000智能電力網(wǎng)絡(luò)儀表，將各儀表的數(shù)據(jù)以表格的形式在數(shù)據(jù)采集窗口中顯示.其中，3只DW93-1000智能電力網(wǎng)絡(luò)儀表測(cè)量三處電阻負(fù)載上的電量值，通過(guò)調(diào)壓器使各電阻上端電壓為11V，A站3只水泥電阻阻值為2.4Ω，B、C站水泥電阻阻值為10Ω.

圖4 組態(tài)的數(shù)據(jù)采集窗口Fig.4 Data acquisition configuration window

在圖4中，以表格的形式顯示A、B、C三站的A相的電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)和頻率，各項(xiàng)數(shù)據(jù)以一位小數(shù)，零個(gè)空格的形式顯示.

3 監(jiān)測(cè)分析

將A、B、C站的數(shù)據(jù)通過(guò)RS-485總線與上位機(jī)的組態(tài)進(jìn)行通訊，通訊的結(jié)果以數(shù)據(jù)表格的形式顯示，如圖5所示.

圖5 智能儀表的監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.5 Monitoring result of intelligent meters

分別采集各站電壓(U)、電流(I)、有功功率(P)、無(wú)功功率(Q)、功率因數(shù)角(φ)和頻率(F)，A站A相采集的數(shù)值分別為：UA=413.0 V,IA=3.0A,PA=160.0 W, QA=5 000 000.0 Var, φA=50 003.0°,FA= 4 248.0 Hz.分析A站A相的數(shù)據(jù)可知，上位計(jì)算機(jī)的組態(tài)軟件采集到的數(shù)據(jù)不是直接以十進(jìn)制數(shù)顯示的，而是以DW93-1000智能電力網(wǎng)絡(luò)儀表的原始編碼顯示，即所采集到的數(shù)據(jù)符合美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(Institute of Electrical and Electronics Engineers，以下簡(jiǎn)稱：IEEE)754標(biāo)準(zhǔn)，若要實(shí)時(shí)顯示各站電量需要對(duì)上位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.

IEEE 754 標(biāo)準(zhǔn)[6]是由IEEE在1985年提出的.該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定基數(shù)為2，階碼E用移碼表示，尾數(shù)M用原碼表示，根據(jù)二進(jìn)制的規(guī)格化方法，最高數(shù)字位總是1，該標(biāo)準(zhǔn)將這個(gè)1缺省存儲(chǔ)，使得尾數(shù)表示范圍比實(shí)際存儲(chǔ)的多一位.實(shí)數(shù)的IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)的浮點(diǎn)數(shù)格式有3種形式，如表1所示.

標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)數(shù)的存儲(chǔ)在尾數(shù)中隱含存儲(chǔ)著一個(gè)1，因此在計(jì)算尾數(shù)的真值時(shí)比一般形式要多一個(gè)整數(shù)1.對(duì)于階碼E的存儲(chǔ)形式是127的偏移，所以在計(jì)算其移碼時(shí)與人們熟悉的128偏移不一樣，正數(shù)的值比用128偏移求得的少1，負(fù)數(shù)的值多1，為避免計(jì)算錯(cuò)誤，方便理解，常將E當(dāng)成二進(jìn)制真值進(jìn)行存儲(chǔ).例如：將數(shù)值-0.5按IEEE 754單精度格式存儲(chǔ)，先將-0.5換成二進(jìn)制并寫成標(biāo)準(zhǔn)形式：-0.5(10進(jìn)制)= -0.1(2進(jìn)制)=-1.0×2-1(2進(jìn)制，-1是指數(shù))，這里s=1，M為全0，E-127=-1，E=126(10進(jìn)制)=01111110(2進(jìn)制)，則存儲(chǔ)形式為：1 0111 1110 0000 0000 0000 0000 0000 0000=BF000000H(16進(jìn)制).

表1 IEEE 754三種浮點(diǎn)數(shù)的格式參數(shù)

Table 1 Three kinds IEEE 754 floating-point parameters

類型位數(shù)階碼E尾數(shù)M十六進(jìn)制十進(jìn)制短實(shí)數(shù)1位8位23位0x7FH+127長(zhǎng)實(shí)數(shù)1位11位52位0x3FFH+1 023延伸雙精確度1位15位64位0x3FFFH+16 383

一個(gè)實(shí)數(shù)N在IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)中可以用

N=(-1)s×M×2E 的形式表示，其中：

s(sign)為符號(hào)位，決定實(shí)數(shù)N是正數(shù)(s=0)還是負(fù)數(shù)(s=1)，對(duì)數(shù)值“0”的符號(hào)位特殊處理；

M(significand)為有效數(shù)字，為二進(jìn)制小數(shù)，M的取值范圍為1≤M<2或0≤M<1；E(exponent)為指數(shù)，是2的冪，對(duì)浮點(diǎn)數(shù)加權(quán).

根據(jù)以上的對(duì)IEEE 754的說(shuō)明，可以將采集到的符合IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)的A站的A相各電量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理之后的值為：

A相電壓：41 300 000→1.1011E1=11.011 V，

A相電流：30 000 000→0.4650E1=4.65 A，

A相有功功率：16 000 000→1.0339=1.033 9 W，

A相無(wú)功功率:70 003 000→1.586 9=1.586 9 Var，

A相功率因數(shù):50 003 000→8.6025E-1=0.860 3，

A相頻率：42 480 000→5.0E1=50 Hz.

結(jié)合實(shí)驗(yàn)條件：A站電壓為11 V，電阻為2.4 Ω，則電流為11/2.4=4.58 A，與根據(jù)IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)處理的數(shù)據(jù)相一致，因此上位機(jī)中組態(tài)軟件中采集到的數(shù)據(jù)為各站智能電表實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，即上位計(jì)算機(jī)通過(guò)RS-485總線與所采用的3只智能電力網(wǎng)絡(luò)儀表進(jìn)行串行通訊，可以實(shí)時(shí)顯示各站的電量信息，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各站電力參數(shù)的監(jiān)測(cè).

由于采用RS-485總線，多臺(tái)儀表在一根線上實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)，使安裝和調(diào)試的費(fèi)用大大的減少，系統(tǒng)的綜合成本極大地降低.使用的通訊模式為Modbus方式，它采用RS-485接口，通訊距離為上百米到上千米，在多點(diǎn)互聯(lián)時(shí)確實(shí)方便并且成本也較低，但是在某些場(chǎng)合它卻不能滿足需要，如需要和辦公自動(dòng)化(OA)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接以及在不同工廠間通信系統(tǒng)的連接等場(chǎng)合[5]存在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)慢的問(wèn)題.

4 結(jié) 語(yǔ)

使用RS-485總線，能夠?qū)崿F(xiàn)多站聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成分布式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離通訊.同時(shí)可以對(duì)電能計(jì)量裝置進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，對(duì)電表進(jìn)行遠(yuǎn)方通訊等.筆者選用DW93-1000電表進(jìn)行RS-485總線通訊，將采集到的A、B、C三站的實(shí)時(shí)電量信息與上位計(jì)算機(jī)的組態(tài)軟件進(jìn)行串行通訊，并對(duì)符合IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)的各電量值進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明采用星型連接的RS-485總線可以實(shí)時(shí)顯示各站的電量信息，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各站電力參數(shù)的監(jiān)測(cè).

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