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的用電情況，無法實現數據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)能效果跟蹤和數據評估要求。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機組服務的橋載設備計量監(jiān)測與管理系統。該系統可監(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（有功電量、無功電量、各項電流和電壓以及功率因數等）。

1 系統簡述

系統的拓撲結構如圖1所示，PLC作為終端完成對智能電表數據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，上位機實現對橋載設備計量監(jiān)測功能，管理功能則通過服務器實現。PLC不僅能夠在無人監(jiān)管情況下對智能電表電量參數進行自主采集，而且可通過數字輸入通道采集現場設備運行狀態(tài)、啟動PLC內部計時器程序對航班服務時間進行記錄。在整個服務沒有完全退出時，可通過數字量開關通斷實現計時功能啟動/暫停，使得設備服務時間計量更加精準。PLC采集的所有數據和數字量通過PPI傳輸給嵌入式工控機，然后再利用網線通過TCP/IP傳輸給上位機服務器。服務器再將傳輸來的數據存到數據庫中，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據信息支持。

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

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

2 數據采集終端數據采集的設計與實現

現有智能電表多采用RS485作為物理層，RS485不僅數據傳輸速率高，而且接口抗干擾性能好、傳輸距離遠。PLC對智能電表進行數據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)，實現不同協議下對智能電表數據采集；設置端口PORT 1為PPI通訊協議，實現與上位機間的數據傳輸。針對智能電表所支持的通信協議不同，下面論述DL/T645規(guī)約與Modbus協議下智能電表數據信息采集與傳輸設計及實現。

2.1 DL/T645通信規(guī)約下的數據采集

2.1.1 DL/T645協議字節(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據通信的技術標準[1]，也是中華人民共和國電力行業(yè)標準，適用于本地系統中多功能電表或其他數據終端設備進行點對點或一主多從數據交換方式。其內容簡潔、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

為使用S7-200實現DL/T645通信規(guī)約，并完成對智能電表的數據采集。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位數據、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、使用信息字符結束單元SMB89、使用SMW90值檢測空閑狀態(tài)、選用內部字符定時器、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，設定接收數據完成中斷與發(fā)送數據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，設定空調機組計量的智能電表地址為02H。根據表1，VB107～VB111賦值0，當VB106中數據值為01H時，與電源機組智能電表通信，當VB106中數據值是02H時，與空調機組智能電表通信，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內部各電能參數標志寄存器位，對PLC內部服務計時存儲單元清零。DL/T645通信規(guī)約下，計量系統數據采集傳輸流程如圖2所示。

由于PLC的CPU在一個掃描周期內取指令時，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，若數據發(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果存儲單元中數據還未發(fā)送完成，就被當前指令運行結果所覆蓋，系統無法實現所需功能。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，能夠實現相同功能子程序調用，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協議下計量系統工作流程Fig.2 Work progress of metering system in DL/T645 communication protocol

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

利用XMT指令發(fā)送數據，RCV指令接收數據[4]，實現設備間信息通訊。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），判斷接收數據是否完成。

以電源機組智能電表電量數據采集為例，圖4詳細介紹PLC終端參數采集流程。為區(qū)分不同電能參數，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起始通信配置完成。運用FOR循環(huán)指令完成接收數據校驗，暫存單元緩存數據轉換結果，再通過主程序儲存至相應參數邏輯單元中與上位機通信。

2.2 Modbus協議下的數據采集

2.2.1 Modbus協議

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

2.2.2 Modbus通信協議的S7-200設計與實現

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通信協議下，計量系統數據采集傳輸流程如圖5所示。初始化、時鐘校準與應用主程序中電源機組與空調機組的服務計時同DL/T645規(guī)約下的實現大致相同，不再贅述。調用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)送電表參數數據。調用CRC校驗程序，校驗傳輸數據。以電源機組智能電表中有功數據采集為例，詳細讀表流程如圖6所示。

圖5 Modbus協議下計量系統工作流程Fig.5 Work progress of metering system in Modbus communication protocol

圖6 Modbus協議下電源有功數據采集Fig.6 Power active data collection in Modbus communication protocol

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

3 結語

本文所述橋載設備計量監(jiān)測與管理系統中電能參數計量采集與服務計時，運用S7-200作為數據采集終端，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議不同，設計實現DL/T645規(guī)約與Modbus通信協議下智能電表參數自動采集。目前，橋載設備計量監(jiān)測與管理系統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議》的技術特點和創(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主站協議庫 （西門子標準指令庫）[S]，2007.

機器人產業(yè)技術發(fā)展高峰論壇在沈陽隆重召開

8月31日，由機器人產業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯盟主辦，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，機器人技術與系統國家重點實驗室，沈陽國家大學科技城管委會聯合承辦的“機器人產業(yè)技術發(fā)展高峰論壇”在沈陽隆重召開。

（中國機器人產業(yè)聯盟網）