費春國，王鵬鵬

（中國民航大學 航空自動化學院，天津 300300）

低碳經(jīng)濟已成為國際新的發(fā)展趨勢和國與國之間新的競爭手段。作為一個高度國際化行業(yè)，民航業(yè)迎來了節(jié)能減排的巨大挑戰(zhàn)。近日，《民航節(jié)能減排專項資金項目指南（2013-2014年度）》（民航法[2013]66號）文件，第一大類 （民航節(jié)能技術(shù)改造類），第五條款中明確要求：對于年旅客吞吐量300萬人次以上的機場，使用橋載設備包括400 Hz靜變電源設備和地面空調(diào)設備替代飛機輔助動力裝置（APU）運行。減少燃油消耗和碳排放污染，降低行業(yè)整體運行成本。

目前，大多數(shù)機場只使用普通電表對所安裝的橋載設備進行電能管理，僅能顯示電源與空調(diào)的用電情況，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠傳及對用電者進行自主劃分，更加難以滿足監(jiān)測與管理功能需求與后續(xù)節(jié)能效果跟蹤和數(shù)據(jù)評估要求。同時，機場所采用的安排專門人員針對每個航班通過抄表和人工計時方式，僅能統(tǒng)計航班在使用橋載設備時所消耗的電能與時間。這種方式工作效率低、增加機場人工運營成本且缺乏客觀科學管理。

為此，作為第三方，我校研發(fā)出一種針對民用機場地面電源和空調(diào)機組服務的橋載設備計量監(jiān)測與管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可監(jiān)測橋載設備使用狀態(tài)、采集航班信息和設備操作人員信息、記錄服務時間及采集底層智能電表參數(shù)（有功電量、無功電量、各項電流和電壓以及功率因數(shù)等）。

1 系統(tǒng)簡述

系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，PLC作為終端完成對智能電表數(shù)據(jù)以及開關量與模擬量采集，嵌入式工控機作為監(jiān)測節(jié)點，上位機實現(xiàn)對橋載設備計量監(jiān)測功能，管理功能則通過服務器實現(xiàn)。PLC不僅能夠在無人監(jiān)管情況下對智能電表電量參數(shù)進行自主采集，而且可通過數(shù)字輸入通道采集現(xiàn)場設備運行狀態(tài)、啟動PLC內(nèi)部計時器程序?qū)桨喾諘r間進行記錄。在整個服務沒有完全退出時，可通過數(shù)字量開關通斷實現(xiàn)計時功能啟動/暫停，使得設備服務時間計量更加精準。PLC采集的所有數(shù)據(jù)和數(shù)字量通過PPI傳輸給嵌入式工控機，然后再利用網(wǎng)線通過TCP/IP傳輸給上位機服務器。服務器再將傳輸來的數(shù)據(jù)存到數(shù)據(jù)庫中，為后期能源管理、碳排放量的折算、效果評估和收費提供有效數(shù)據(jù)信息支持。

本系統(tǒng)主要部分是現(xiàn)場智能電表的電量采集，因此，本文主要論述如何通過PLC實現(xiàn)對機場地面電源/空調(diào)機組的智能電表參數(shù)采集。針對智能電表所能支持通信協(xié)議的不同，本文設計了DL/T645通信規(guī)約與Modbus通信協(xié)議兩種情況下的智能電表數(shù)據(jù)采集程序。

圖1 橋載設備計量監(jiān)測與管理系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of measurement monitoring and management system of bridge containing

2 數(shù)據(jù)采集終端數(shù)據(jù)采集的設計與實現(xiàn)

現(xiàn)有智能電表多采用RS485作為物理層，RS485不僅數(shù)據(jù)傳輸速率高，而且接口抗干擾性能好、傳輸距離遠。PLC對智能電表進行數(shù)據(jù)采集與上位機通信過程中，設置S7-200端口PORT 0為自由口通訊狀態(tài)，實現(xiàn)不同協(xié)議下對智能電表數(shù)據(jù)采集；設置端口PORT 1為PPI通訊協(xié)議，實現(xiàn)與上位機間的數(shù)據(jù)傳輸。針對智能電表所支持的通信協(xié)議不同，下面論述DL/T645規(guī)約與Modbus協(xié)議下智能電表數(shù)據(jù)信息采集與傳輸設計及實現(xiàn)。

2.1 DL/T645通信規(guī)約下的數(shù)據(jù)采集

2.1.1 DL/T645協(xié)議字節(jié)格式與幀格式

DL/T645通信規(guī)約是電能計量領域第一部關于數(shù)據(jù)通信的技術(shù)標準[1]，也是中華人民共和國電力行業(yè)標準，適用于本地系統(tǒng)中多功能電表或其他數(shù)據(jù)終端設備進行點對點或一主多從數(shù)據(jù)交換方式。其內(nèi)容簡潔、實用，在多功能電表和民用電能表領域有著十分廣泛的應用。

DL/T645規(guī)約中，每字節(jié)含8位二進制碼，傳輸時加上1個起始位（0）、1個偶校驗位和1個停止位（1）共11位。先傳低位，后傳高位[2]。對于此傳輸格式，在S7-200中設置存儲區(qū)與之對應，如表1所示。

2.1.2 DL/T645通信規(guī)約的S7-200設計與實現(xiàn)

為使用S7-200實現(xiàn)DL/T645通信規(guī)約，并完成對智能電表的數(shù)據(jù)采集。通過賦值SMB30為51H，設置S7-200端口PORT 0工作方式為偶校驗方式、每字符包含8位數(shù)據(jù)、通信波特率2400 b/s和自由口通信模式[3]。通過將74H賦值給SMB87，完成禁止接收信息、使用信息字符開始單元SMB88、使用信息字符結(jié)束單元SMB89、使用SMW90值檢測空閑狀態(tài)、選用內(nèi)部字符定時器、選用執(zhí)行終止接收字SMW92、忽略中斷條件等設置。根據(jù)DL/T645通信規(guī)約和其幀格式，設定SMB88起始字符值為68H，設定SMB90終止字符值為16H，通過SMW90設定空閑時間、SMW92設定超時時間、SMB94設定最大接收字符個數(shù)，設定接收數(shù)據(jù)完成中斷與發(fā)送數(shù)據(jù)完成中斷事件連接與中斷使能。

表1 DL/T645通信規(guī)約幀格式與PLC存儲區(qū)對應表Tab.1 Correspondence memory table of PLC under DL/T645 communication protocol transfer format

因為現(xiàn)場采用2塊智能電表分別對2種設備進行電量計量，所以需對2塊智能電表進行地址設定后，才能實現(xiàn)PLC與電能表的通信。設定電源機組計量的智能電表地址為01H，設定空調(diào)機組計量的智能電表地址為02H。根據(jù)表1，VB107～VB111賦值0，當VB106中數(shù)據(jù)值為01H時，與電源機組智能電表通信，當VB106中數(shù)據(jù)值是02H時，與空調(diào)機組智能電表通信，注意電表地址按照逆序存儲。為使計時更加準確，通過時鐘校準程序完成與上位機間的時間校準。

初始化主要完成如下動作：復位PLC內(nèi)部各電能參數(shù)標志寄存器位，對PLC內(nèi)部服務計時存儲單元清零。DL/T645通信規(guī)約下，計量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集傳輸流程如圖2所示。

由于PLC的CPU在一個掃描周期內(nèi)取指令時，依照從左向右、從上到下依次掃描。只要滿足邏輯條件就會讀取并執(zhí)行當前指令程序，若數(shù)據(jù)發(fā)送和接收所需時間大于當前指令執(zhí)行完成所用時間 （智能電表接收采集指令并響應需要一定的時間），致使上一條指令運行結(jié)果存儲單元中數(shù)據(jù)還未發(fā)送完成，就被當前指令運行結(jié)果所覆蓋，系統(tǒng)無法實現(xiàn)所需功能。然而，在順控指令中，只有完成當前整個順序控制程序段后，才會去執(zhí)行下一順控程序段。同時，能夠?qū)崿F(xiàn)相同功能子程序調(diào)用，有效減少冗余、縮減程序占用存儲空間。所以采用順控指令對智能電表各電量的采集，各電量采集順序如圖3所示。

圖2 DL/T645協(xié)議下計量系統(tǒng)工作流程Fig.2 Work progress of metering system in DL/T645 communication protocol

圖3 電量參數(shù)順序控制采集流程Fig.3 Acquisition progress of power parameters in sequence control

利用XMT指令發(fā)送數(shù)據(jù)，RCV指令接收數(shù)據(jù)[4]，實現(xiàn)設備間信息通訊。在緩沖區(qū)最后一個字符發(fā)送或接收完成后，產(chǎn)生一個中斷信號，對應中斷事件號為中斷9和中斷23。通過特殊寄存器SMB86狀態(tài)（SM86至SM94用于 PORT 0，SM186至SM194用于PORT 1），判斷接收數(shù)據(jù)是否完成。

以電源機組智能電表電量數(shù)據(jù)采集為例，圖4詳細介紹PLC終端參數(shù)采集流程。為區(qū)分不同電能參數(shù)，設置了不同校驗碼與功能代碼，發(fā)送、接收完成中斷事件使能經(jīng)起始通信配置完成。運用FOR循環(huán)指令完成接收數(shù)據(jù)校驗，暫存單元緩存數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，再通過主程序儲存至相應參數(shù)邏輯單元中與上位機通信。

2.2 Modbus協(xié)議下的數(shù)據(jù)采集

2.2.1 Modbus協(xié)議

Modbus協(xié)議是莫迪康公司 （現(xiàn)為施耐德公司）發(fā)明的一種廣泛用于自動控制領域工業(yè)通信標準，不同生產(chǎn)廠商的控制設備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡，進行集中控制，便于后續(xù)系統(tǒng)擴展與更新。協(xié)議規(guī)定，控制器之間通信采用主從技術(shù)[5]。該協(xié)議支持RS-232、RS-422、RS-485和Ethernet等多種接口類型通信設備。Modbus協(xié)議下支持2種傳輸模式：RTU模式與ASCII模式，本系統(tǒng)選用RTU模式（11位傳輸，其中8位數(shù)據(jù)位）。

2.2.2 Modbus通信協(xié)議的S7-200設計與實現(xiàn)

Modbus RTU庫只對端口PORT 0有效，此處PLC與智能電表間通信只能選取PORT 0。Modbus通信協(xié)議下，計量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集傳輸流程如圖5所示。初始化、時鐘校準與應用主程序中電源機組與空調(diào)機組的服務計時同DL/T645規(guī)約下的實現(xiàn)大致相同，不再贅述。調(diào)用MBUS_CTRL指令[6]，完成通信主站初始化配置，設定通信波特率、偶校驗方式、從站允許響應時間。運用MBUS_MSG指令（通過對slave賦值指定通信從站）發(fā)送電表參數(shù)數(shù)據(jù)。調(diào)用CRC校驗程序，校驗傳輸數(shù)據(jù)。以電源機組智能電表中有功數(shù)據(jù)采集為例，詳細讀表流程如圖6所示。

圖5 Modbus協(xié)議下計量系統(tǒng)工作流程Fig.5 Work progress of metering system in Modbus communication protocol

圖6 Modbus協(xié)議下電源有功數(shù)據(jù)采集Fig.6 Power active data collection in Modbus communication protocol

計量系統(tǒng)，對廊橋電源機組與空調(diào)機組智能電表各電能參數(shù)、耗電量與相應服務時間等信息數(shù)據(jù)采集的組態(tài)運行畫面。

3 結(jié)語

本文所述橋載設備計量監(jiān)測與管理系統(tǒng)中電能參數(shù)計量采集與服務計時，運用S7-200作為數(shù)據(jù)采集終端，以研華公司嵌入式工控機作為上位機。針對智能電表所支持的通信協(xié)議不同，設計實現(xiàn)DL/T645規(guī)約與Modbus通信協(xié)議下智能電表參數(shù)自動采集。目前，橋載設備計量監(jiān)測與管理系統(tǒng)已在多個機場安裝使用，并取得不錯效果。

[1] 馬利人，宗建華.DL/T645-2007《多功能電能表通信協(xié)議》的技術(shù)特點和創(chuàng)新[J].電測與儀表，2009，46（3）：1-3，13.

[2] DL/T 645-1997多功能電能表通信規(guī)約[S]，2001.

[3] 胡敏.深入淺出西門子S7-200 PLC[M].2版.北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[4] 戴仙金.西門子S7-200系列PLC應用與開發(fā)[M].北京：中國水利水電出版社，2007.

[5]MODBUS Application Protocol Specification V1.1b[S].MODBUSIDA，2006.

[6] 西門子MODBUS RTU主站協(xié)議庫 （西門子標準指令庫）[S]，2007.

機器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展高峰論壇在沈陽隆重召開

8月31日，由機器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟主辦，由沈陽新松機器人自動化股份有限公司，機器人學國家重點實驗室，機器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室，沈陽國家大學科技城管委會聯(lián)合承辦的“機器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展高峰論壇”在沈陽隆重召開。

（中國機器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟網(wǎng)）