基于rs-485总线的能源量计量系统设计研究

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1、第六届工业仪表与自动化学术会议论文集 1 基于 RS-485 总线的能源量计量系统设计研究 基于 RS-485 总线的能源量计量系统设计研究 Research and Design of RS-485 Bus Based Energy Metering System 王文华 王志新 (上海交通大学电气工程系 上海 200030) 摘 要 基于以太网络建立 C/S 系统，采用 RS-485 总线技术，并利用组态王 6.5 工控软件和 EDA9033A 智能模块设计的能源量计量系统，能够在线监测设备工况并能采集、存贮和处理耗电量数据，还具有基于 B/S 的 web 访问功能等。文中对软硬件设计方法

2、和系统功能实现进行了分析，给出了实验结果。经原型系统实验表明，该系统能够满足设计要求。 关键词 RS-485 总线 能源量计量系统 组态王 水泥 Abstract An energy metering system, based on C/S structure and RS-485 bus technology, and adopting Kingview 6.5 and EDA9033A intelligent module, is designed. While monitoring equipment condition online, the system can acquire,

3、store and process data of power consumption. In addition, it has web access function based on B/S. The design method of software and hardware and the implementation of system functions are analyzed. Experiments of the prototype system show that it can meet requirements of the system design. Keywords

4、 RS-485 bus Energy metering system Kingview Cement 0 引言 信息和网络技术的发展为水泥等传统企业进行技术改造，实现信息化，充分利用人力、 物力资源，增产节能和增强市场竞争力奠定了基础。目前，这些企业中主要生产设备的工况 以及能源量的测量大都采用人工方式，不仅占用了太多人力资源，测量周期偏长，数据也不 是十分准确、可靠，无法满足企业的需求。现场总线控制系统具有开放性强、数字化传输数 据、多点通信、灵活、互操作性强等特点，使得设计基于总线的能源量计量系统成为可能。 1 RS-485 总线技术简介 1.1 RS-485 总线特点 通常，一般测控系统

5、采用普通的双绞线就能满足要求。但在某些特定应用场合，则要求 采用带屏蔽层的同轴电缆。由于受信号失真及噪声等因素影响，数字信号所允许的最大电缆 长度与信号传输的波特率成反比。 RS-485 的理论最大传输距离为 1200m，但受到实际应用 环境的限制，实际往往达不到。一般情况下，RS-485 最多可以挂 32 个底层模块，且在传输 过程中还可以利用中继器放大信号（最多可以加 8 个） ，这样，RS-485 的最大理论传输距离 可以达到 9.6km，可以挂 256 个底层模块。长距离传输时可以采用光缆传输，只需在发射和 接收端各增加一个光电转换器。 其中， 多模光纤的传输距离为 510km， 单模

6、光纤则为 50km。 1.2 RS-485 总线网络结构及其应用要求 利用 RS-485 布网，一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星形结构。 用一条双绞线电缆作总线，将各个节点串接起来。从总线到每个节点的引出线尽量要第六届工业仪表与自动化学术会议论文集 2 短，以便将引出线中的反射信号对总线信号的影响降到最低。随着通信距离的延长或通信速 率的提高，传输信号在各支路末端反射后与原信号叠加，其影响越来越大，信号质量也相应 下降。 确保总线阻抗连续，因为在阻抗不连续点往往会出现信号的反射。引起阻抗不连续的 因素是多方面的，包括：在不同区段采用不同电缆作总线；一段总线上有过多收发器紧靠在 一起

7、安装；或者在总线上引出过长的分支线等。因此，往往要求提供一条单一、连续的信号 通道作为总线。 终端负载电阻。在设备少、距离短的情况下，不加终端负载电阻，整个网络就能正常 工作。随着传输距离的增加，信号传输性能将降低。实际应用中，往往采用并联终端负载电 阻的方法，例如，在 RS-485 总线电缆的起始和末端分别并联终端电阻。其中，终端电阻取 值 120，相当于电缆特性阻抗的电阻，因为大多数双绞线电缆特性阻抗大约在 100200 之间。这种匹配方法简单有效，但匹配电阻要消耗较大功率，对于功耗限制比较严格的系统 不太适合。另一种匹配方式是 RC 匹配，利用一只电容 C 隔断直流成分，节省大部分功率。

8、 但电容 C 的取值是个难点，需要在功耗和匹配的质量间进行折中。也有采用二极管进行匹配 的方法，利用二极管的钳位作用能迅速削弱反射信号，达到改善信号质量的目的，节能效果 显著。 2 系统设计 系统设计基于 RS-485 总线技术，其中，上位机用组态王组态软件 6.5 进行数据分析、 显示和处理，现场采集设备选用力创科技的 EDA9033A 智能模块，采集的数据通过 RS-485 总 线传送给上位机数据采集器。图 1 所示为该系统构成示意图。 Internet打印机历史服务器数据采集器TCP/IP局域网EDA9033A 智能模块1256 n#设备1#设备Data+ Data-图 1 能源量计量系

9、统构成示意图 2.1 硬件系统 系统网络结构分为 3 层：现场设备 EDA9033A 采集各相关设备的用电数据，该模块采用 电磁隔离和光电隔离技术，用于测量三相电压、电流和功率，以及设备的有功功率及视在功 率、功率因数和设备耗电量，精度为 0.2 级；传输层为 RS-485 总线和 RS-485/232 转换器， RS-485 总线采用屏蔽双绞线，RS-485/232 转换器选用力创科技的 EDA485 系列转换器，将 RS-232 的传输距离延长至 1200m，波特率为 9600bps；数据共享层是本系统的核心，其主要 功能是分析和处理数据，实时显示相关设备的用电参数，进行历史数据统计、运算

10、和处理， 查询已出现的报警事件，web 发布，基于 Internet 访问与浏览打印等。 2.2 系统的软件构成 第六届工业仪表与自动化学术会议论文集 3 图 2 为系统软件功能示意图，包括数据采集层、数据处理层和远程浏览 3 部分。其中， 组态王作为上位机监控软件，能够对采集数据进行实时记录和历史记录等处理，同时，利用 内嵌式报表系统和丰富的函数，具有多种运算、数据转换、统计分析报表打印、制作实时报 表和历史报表，以及报警和事件系统记录等功能。 日报表月报表报警与事件安全管理实时数据历史数据ACCESS数据库Web发布报表打印Internet历史数据组态王软件图 2 系统软件功能示意图 3

11、系统功能实现 系统包括实时数据画面、历史数据查询、能源量日报表及月报表、报警和事件操作、安 全管理、数据导出等 6 个主要部。 3.1 实时数据画面 由图 3 实时显示相关设备的三相用电参数，用户可以从画面中直接读取实时数据，并可 观测数据的实时曲线变化情况。 图 3 实时数据显示画面 3.2 历史数据查询 组态王具有丰富的报表函数功能，如打印报表函数 ReportPrint()、ReportPrint2()、 ReportPrintSetup()，保存报表函数 ReportSaveAs()，查询历史数据函数 ReportSetHistData()、 ReportSetHistData2()等

12、；同时组态王定义了一种类似 C 语言的编程语言。利用这些函数编程 能够查询各相关设备用电参数的历史数据，掌握各设备的运行情况。如图 4 所示，用户可以 设定查询时间和变量，也可以按图 5 所示的历史曲线进行查询，其中，历史曲线是以全量程 百分比的形式表示的。用户也可以不作单独设置，查询近一周各设备用电参数。图 6 所示为第六届工业仪表与自动化学术会议论文集 4 相应的一周内历史数据查询程序设计流程图。 图 4 历史数据查询时间设置 图 5 历史数据曲线 时间转换变量选择正确？是 保存日报表结束否定义查询日期开始图 6 历史数据查询程序流程图 3.3 能源量日报表及月报表 利用组态王报表生成函数

13、，由底层设备采集的数据整点记录，生成日报表。日报表程序 流程如图 7 所示，部分程序清单如下： long hang;if($时=0)hang=2; if ($时=1)hang=3;if ($时=2) hang=4;if ($时=3)hang=5; if ($时=4)hang=6;if ($时=5) hang=7;if ($时=6)hang=8; if ($时=7)hang=9;if ($时=8) hang=10;if ($时=9)hang=11; if ($时=10)hang=12;if ($时=11) hang=13;if ($时=12)hang=14; if ($时=13)hang=15;

14、if ($时=14) hang=16;if ($时=15)hang=17; if ($时=16)hang=18;if ($时=17) hang=19;if ($时=18)hang=20; if ($时=19)hang=21;if ($时=20) hang=22;if ($时=21)hang=23; if ($时=22)hang=24;if ($时=23) hang=25; ReportSetCellValue(“1#设备每日整点数据报表“, hang, 2, 本站点1#设备 U a); ReportSetCellValue(“1#设备每日整点数据报表“, hang, 3, 本站点1#设备 U

15、b); 第六届工业仪表与自动化学术会议论文集 5 ReportSetCellValue(“1#设备每日整点数据报表“, hang, 4, 本站点1#设备 U c); ReportSetCellValue(“1#设备每日整点数据报表“, hang, 5, 本站点1#设备 I a); ReportSetCellValue(“1#设备每日整点数据报表“, hang, 6, 本站点1#设备 I b); ReportSetCellValue(“1#设备每日整点数据报表“, hang, 7, 本站点1#设备 I c); ReportSetCellValue(“1#设备每日整点数据报表“, hang, 8, 本站点1#设备 P); ReportSetCellValue(“1#设备每日整点数据报表“, hang, 9, 本站点1#设备 Q); ReportSetCellValue(“1#设备每日整点数据报表“, hang, 10, 本站点1#设备 cos); ReportSetCellValue(“1#设备每日整点数据报表“, hang, 11, 本站点1#设备电度数); if(本站点$时=23 开 始定义hang时+2整点时写入变量数据是否到零点?是保存日报表结 束否图 7 日报表程序设计流程图 图 8 1#设备月报表 通过对报表进行汇总，可以对设备耗电