桥载设备计量监测与管理系统电量自动采集

费春国，王鹏鹏

（中国民航大学 航空自动化学院，天津 300300）

低碳经济已成为国际新的发展趋势和国与国之间新的竞争手段。作为一个高度国际化行业，民航业迎来了节能减排的巨大挑战。近日，《民航节能减排专项资金项目指南（2013-2014年度）》（民航法[2013]66号）文件，第一大类 （民航节能技术改造类），第五条款中明确要求：对于年旅客吞吐量300万人次以上的机场，使用桥载设备包括400 Hz静变电源设备和地面空调设备替代飞机辅助动力装置（APU）运行。减少燃油消耗和碳排放污染，降低行业整体运行成本。

目前，大多数机场只使用普通电表对所安装的桥载设备进行电能管理，仅能显示电源与空调的用电情况，无法实现数据远传及对用电者进行自主划分，更加难以满足监测与管理功能需求与后续节能效果跟踪和数据评估要求。同时，机场所采用的安排专门人员针对每个航班通过抄表和人工计时方式，仅能统计航班在使用桥载设备时所消耗的电能与时间。这种方式工作效率低、增加机场人工运营成本且缺乏客观科学管理。

为此，作为第三方，我校研发出一种针对民用机场地面电源和空调机组服务的桥载设备计量监测与管理系统。该系统可监测桥载设备使用状态、采集航班信息和设备操作人员信息、记录服务时间及采集底层智能电表参数（有功电量、无功电量、各项电流和电压以及功率因数等）。

1 系统简述

系统的拓扑结构如图1所示，PLC作为终端完成对智能电表数据以及开关量与模拟量采集，嵌入式工控机作为监测节点，上位机实现对桥载设备计量监测功能，管理功能则通过服务器实现。PLC不仅能够在无人监管情况下对智能电表电量参数进行自主采集，而且可通过数字输入通道采集现场设备运行状态、启动PLC内部计时器程序对航班服务时间进行记录。在整个服务没有完全退出时，可通过数字量开关通断实现计时功能启动/暂停，使得设备服务时间计量更加精准。PLC采集的所有数据和数字量通过PPI传输给嵌入式工控机，然后再利用网线通过TCP/IP传输给上位机服务器。服务器再将传输来的数据存到数据库中，为后期能源管理、碳排放量的折算、效果评估和收费提供有效数据信息支持。

本系统主要部分是现场智能电表的电量采集，因此，本文主要论述如何通过PLC实现对机场地面电源/空调机组的智能电表参数采集。针对智能电表所能支持通信协议的不同，本文设计了DL/T645通信规约与Modbus通信协议两种情况下的智能电表数据采集程序。

图1 桥载设备计量监测与管理系统拓扑结构Fig.1 Topology of measurement monitoring and management system of bridge containing

2 数据采集终端数据采集的设计与实现

现有智能电表多采用RS485作为物理层，RS485不仅数据传输速率高，而且接口抗干扰性能好、传输距离远。PLC对智能电表进行数据采集与上位机通信过程中，设置S7-200端口PORT 0为自由口通讯状态，实现不同协议下对智能电表数据采集；设置端口PORT 1为PPI通讯协议，实现与上位机间的数据传输。针对智能电表所支持的通信协议不同，下面论述DL/T645规约与Modbus协议下智能电表数据信息采集与传输设计及实现。

2.1 DL/T645通信规约下的数据采集

2.1.1 DL/T645协议字节格式与帧格式

DL/T645通信规约是电能计量领域第一部关于数据通信的技术标准[1]，也是中华人民共和国电力行业标准，适用于本地系统中多功能电表或其他数据终端设备进行点对点或一主多从数据交换方式。其内容简洁、实用，在多功能电表和民用电能表领域有着十分广泛的应用。

DL/T645规约中，每字节含8位二进制码，传输时加上1个起始位（0）、1个偶校验位和1个停止位（1）共11位。先传低位，后传高位[2]。对于此传输格式，在S7-200中设置存储区与之对应，如表1所示。

2.1.2 DL/T645通信规约的S7-200设计与实现

为使用S7-200实现DL/T645通信规约，并完成对智能电表的数据采集。通过赋值SMB30为51H，设置S7-200端口PORT 0工作方式为偶校验方式、每字符包含8位数据、通信波特率2400 b/s和自由口通信模式[3]。通过将74H赋值给SMB87，完成禁止接收信息、使用信息字符开始单元SMB88、使用信息字符结束单元SMB89、使用SMW90值检测空闲状态、选用内部字符定时器、选用执行终止接收字SMW92、忽略中断条件等设置。根据DL/T645通信规约和其帧格式，设定SMB88起始字符值为68H，设定SMB90终止字符值为16H，通过SMW90设定空闲时间、SMW92设定超时时间、SMB94设定最大接收字符个数，设定接收数据完成中断与发送数据完成中断事件连接与中断使能。

表1 DL/T645通信规约帧格式与PLC存储区对应表Tab.1 Correspondence memory table of PLC under DL/T645 communication protocol transfer format

因为现场采用2块智能电表分别对2种设备进行电量计量，所以需对2块智能电表进行地址设定后，才能实现PLC与电能表的通信。设定电源机组计量的智能电表地址为01H，设定空调机组计量的智能电表地址为02H。根据表1，VB107～VB111赋值0，当VB106中数据值为01H时，与电源机组智能电表通信，当VB106中数据值是02H时，与空调机组智能电表通信，注意电表地址按照逆序存储。为使计时更加准确，通过时钟校准程序完成与上位机间的时间校准。

初始化主要完成如下动作：复位PLC内部各电能参数标志寄存器位，对PLC内部服务计时存储单元清零。DL/T645通信规约下，计量系统数据采集传输流程如图2所示。

由于PLC的CPU在一个扫描周期内取指令时，依照从左向右、从上到下依次扫描。只要满足逻辑条件就会读取并执行当前指令程序，若数据发送和接收所需时间大于当前指令执行完成所用时间 （智能电表接收采集指令并响应需要一定的时间），致使上一条指令运行结果存储单元中数据还未发送完成，就被当前指令运行结果所覆盖，系统无法实现所需功能。然而，在顺控指令中，只有完成当前整个顺序控制程序段后，才会去执行下一顺控程序段。同时，能够实现相同功能子程序调用，有效减少冗余、缩减程序占用存储空间。所以采用顺控指令对智能电表各电量的采集，各电量采集顺序如图3所示。

图2 DL/T645协议下计量系统工作流程Fig.2 Work progress of metering system in DL/T645 communication protocol

图3 电量参数顺序控制采集流程Fig.3 Acquisition progress of power parameters in sequence control

利用XMT指令发送数据，RCV指令接收数据[4]，实现设备间信息通讯。在缓冲区最后一个字符发送或接收完成后，产生一个中断信号，对应中断事件号为中断9和中断23。通过特殊寄存器SMB86状态（SM86至SM94用于 PORT 0，SM186至SM194用于PORT 1），判断接收数据是否完成。

以电源机组智能电表电量数据采集为例，图4详细介绍PLC终端参数采集流程。为区分不同电能参数，设置了不同校验码与功能代码，发送、接收完成中断事件使能经起始通信配置完成。运用FOR循环指令完成接收数据校验，暂存单元缓存数据转换结果，再通过主程序储存至相应参数逻辑单元中与上位机通信。

2.2 Modbus协议下的数据采集

2.2.1 Modbus协议

Modbus协议是莫迪康公司 （现为施耐德公司）发明的一种广泛用于自动控制领域工业通信标准，不同生产厂商的控制设备可以连成工业网络，进行集中控制，便于后续系统扩展与更新。协议规定，控制器之间通信采用主从技术[5]。该协议支持RS-232、RS-422、RS-485和Ethernet等多种接口类型通信设备。Modbus协议下支持2种传输模式：RTU模式与ASCII模式，本系统选用RTU模式（11位传输，其中8位数据位）。

2.2.2 Modbus通信协议的S7-200设计与实现

Modbus RTU库只对端口PORT 0有效，此处PLC与智能电表间通信只能选取PORT 0。Modbus通信协议下，计量系统数据采集传输流程如图5所示。初始化、时钟校准与应用主程序中电源机组与空调机组的服务计时同DL/T645规约下的实现大致相同，不再赘述。调用MBUS_CTRL指令[6]，完成通信主站初始化配置，设定通信波特率、偶校验方式、从站允许响应时间。运用MBUS_MSG指令（通过对slave赋值指定通信从站）发送电表参数数据。调用CRC校验程序，校验传输数据。以电源机组智能电表中有功数据采集为例，详细读表流程如图6所示。

图5 Modbus协议下计量系统工作流程Fig.5 Work progress of metering system in Modbus communication protocol

图6 Modbus协议下电源有功数据采集Fig.6 Power active data collection in Modbus communication protocol

计量系统，对廊桥电源机组与空调机组智能电表各电能参数、耗电量与相应服务时间等信息数据采集的组态运行画面。

3 结语

本文所述桥载设备计量监测与管理系统中电能参数计量采集与服务计时，运用S7-200作为数据采集终端，以研华公司嵌入式工控机作为上位机。针对智能电表所支持的通信协议不同，设计实现DL/T645规约与Modbus通信协议下智能电表参数自动采集。目前，桥载设备计量监测与管理系统已在多个机场安装使用，并取得不错效果。

[1] 马利人，宗建华.DL/T645-2007《多功能电能表通信协议》的技术特点和创新[J].电测与仪表，2009，46（3）：1-3，13.

[2] DL/T 645-1997多功能电能表通信规约[S]，2001.

[3] 胡敏.深入浅出西门子S7-200 PLC[M].2版.北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[4] 戴仙金.西门子S7-200系列PLC应用与开发[M].北京：中国水利水电出版社，2007.

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

[6] 西门子MODBUS RTU主站协议库 （西门子标准指令库）[S]，2007.

机器人产业技术发展高峰论坛在沈阳隆重召开

8月31日，由机器人产业技术创新战略联盟主办，由沈阳新松机器人自动化股份有限公司，机器人学国家重点实验室，机器人技术与系统国家重点实验室，沈阳国家大学科技城管委会联合承办的“机器人产业技术发展高峰论坛”在沈阳隆重召开。

（中国机器人产业联盟网）