基於modbus的電力儀表監控系統的製作方法
2023-09-16 14:20:25 2
基於modbus的電力儀表監控系統的製作方法
【專利摘要】一種基於MODBUS的電力儀表監控系統，包括：下位機儀表和監控主機；其中下位機儀表又包括採樣板、顯示主板和電源板；監控主機中又包括液晶和LED顯示、輸入單元、微處理器、存儲器和RS-485收發電路；下位機儀表中的485通訊轉換板與RS-485收發電路通過485總線相連。本實用新型提供全方位的測量功能，如電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、頻率、有功電度、無功電度等基本電參數。還具有很強的擴展功能，如搖信輸入、可編程繼電器輸出、以及兩路RS485/MODBUS通訊，可對儀表進行組網管理。用戶可以方便的對繼電器輸出進行編程，實現自動控制。
【專利說明】基於MODBUS的電力儀表監控系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及電力監控的【技術領域】，具體說是一種基於MODBUS的電力儀表監控系統。
【背景技術】
[0002]隨著現代科學技術的發展，工業現場中出現了各種各樣的工業儀表。工業儀表的產生和應用，不僅提高了工廠的生產效率，更影響著整個國家的工業化進程，從一定程度上講，工業儀表的發展從側面反映了現代工業的發展程度。
[0003]電力產業是基礎能源行業中最重要的一個分支，它不僅與人們的日常生活息息相關，而且與國家的社會穩定和經濟安全密切相關，在國民經濟發展中佔有舉足輕重的地位。隨著各種家用電器及各種工業用電設備的急劇增加，電網的整體規模也越來越大，電網中的用電單元與用電結構越來越複雜，對整個電網的管理要求也越來越高。隨著電力電子行業的不斷發展，不管是國家電網管理部門還是用電客戶，都對電力網絡的監控系統提出了更為嚴格的要求，這就需要電力儀表承擔更加重要的任務。比如，為引導客戶合理安排用電時間，避開用電高峰期，減小整個電網的尖峰負荷，使電能得到更均衡、更有效的利用，需要對用戶的用電量進行分時分段計量；為了對某個用電設備或者用電單元的用電信息實時監控、遠程操作，需要電力儀表具有遠程通信的功能；又如，希望電力儀表系統有電費自動結算及遠程抄表功能，以節省人力成本，並避免高壓系統下人工抄表的不安全性等。同時，隨著經濟社會的發展，電量交易越來越頻繁，交易量也越來越大，供求雙方都希望自身的利益有所保障，因此，電力儀表數據的可靠傳輸顯得非常重要。
[0004]普通的電力儀表結構簡單，功能單一，要想擴展其功能並提高其準確度已經不可能。另一方面，單片機技術、總線技術及網絡技術已日漸成熟，為多功能儀表及其監控系統的發展提供了有利條件。
[0005]最早交流電的測量普遍採用的是感應式機械儀表，其主要是通過機械原理來測量電量數據。由於自身原理及結構的限制，感應式機械儀表反應遲鈍，精度低，穩定性差，隨著工業技術的發展，這種儀表遠不能滿足人們的需求，因此模擬電子儀表應運而生。
[0006]模擬電子儀表是通過基本的模擬電路帶動指針轉動來指示電量數據，如實驗室內的老式電壓表、壓力表、電流表、功率表等都屬於模擬電子儀表，這類儀表相對於機械式儀表有了很大改進，但是仍然存在諸多問題，如重複校準、零點漂移、讀數困難、電路老化對精確度影響大等。
[0007]數字儀表的產生很大程度上解決了以上問題，它主要是通過A/D採樣電路將輸入的模擬信號轉換為數位訊號，並將數位訊號以數值的形式顯示出來。數字電子儀表響應速度較快，精度較高，數據讀取清晰直觀，消除了人為讀數帶來的誤差。
[0008]當前，國內智能儀表正處於迅猛發展階段，但儀表綜合管理監控系統還處於研發和簡單應用階段，很多中小規模應用場合只有儀表，沒有綜合管理監控系統。
[0009]實用新型內容
[0010]本實用新型要解決的技術問題是提供一種基於MODBUS的電力儀表監控系統。
[0011]本實用新型為解決公知技術中存在的技術問題所採取的技術方案是:
[0012]本實用新型的基於MODBUS的電力儀表監控系統，包括:下位機儀表和監控主機；其中下位機儀表又包括採樣板、顯示主板和電源板，採樣板中的電壓採樣電路和電流採樣電路分別與計量晶片相連，顯示主板中的鐵電存儲器、按鍵輸入電路、數碼管顯示電路和LED控制電路分別與下位微處理器相連接，電源板中的開關電源與485通訊轉換板相連，計量晶片通過SPI總線與下位微處理器相連，開關電源與下位微處理器通過供電電路相連，485通訊轉換板與下位微處理器數據連接；監控主機中又包括液晶和LED顯示、輸入單元、微處理器、存儲器和RS-485收發電路，其中微處理器與液晶和LED顯示、輸入單元、存儲器、RS-485收發電路分別相連接；485通訊轉換板與RS-485收發電路通過485總線相連。
[0013]本實用新型還可以採用以下技術措施:
[0014]所述的採樣板中的計量晶片的型號為ATT7022B。
[0015]所述的下位微處理器的晶片型號為Atmega32。
[0016]所述的鐵電存儲器的晶片型號為FM25040。
[0017]所述的數碼管顯示電路中採用三個四聯TM1640晶片。
[0018]所述的LED控制電路的晶片型號為74HC595。
[0019]所述的485通訊轉換板採用MAX485作為主驅動晶片，用兩個高速光耦6N137傳輸信號並進行電氣隔離，同時採用B0505進行外部電源隔離。
[0020]所述的監控主機中微處理器的晶片型號為PIC24架構。
[0021]所述的監控主機中還設置有與微處理器相連接的熱敏印表機和語音輸出。
[0022]所述的語音輸出包括WT588D-20SS語音晶片、25Pxx存儲器和揚聲器。
[0023]本實用新型具有的優點和積極效果是:
[0024]本實用新型的基於MODBUS的電力儀表監控系統中，通過下位機儀表的檢測三相電參量及存儲累積電能，並把採集到的電量數據通過RS-485總線傳送給監控主機，監控主機對數據進行統一管理並執行最後的輸出功能。本實用新型是集監控報警、故障提示、分時計費、遠程抄表、電費列印為一體的綜合監控管理設備，使電力監控中的人機互動更加方便，也更為人性化。本實用新型提供全方位的測量功能，如電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、頻率、有功電度、無功電度等基本電參數。還具有很強的擴展功能，如搖信輸入、可編程繼電器輸出、以及兩路RS485/M0DBUS通訊，可對儀表進行組網管理。用戶可以方便的對繼電器輸出進行編程，實現自動控制。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1是本實用新型的基於MODBUS的電力儀表監控系統的示意圖；
[0026]圖2是本實用新型的基於MODBUS的電力儀表監控系統中下位機儀表的結構示意圖；
[0027]圖3是本實用新型的基於MODBUS的電力儀表監控系統中監控主機的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0028]以下參照附圖及實施例對本實用新型進行詳細的說明。
[0029]如圖1至圖3所示，本實用新型的基於MODBUS的電力儀表監控系統，包括:下位機儀表和監控主機；其中下位機儀表又包括採樣板、顯示主板和電源板,採樣板中的電壓採樣電路和電流採樣電路分別與計量晶片相連，顯示主板中的鐵電存儲器、按鍵輸入電路、數碼管顯示電路和LED控制電路分別與下位微處理器相連接，電源板中的開關電源與485通訊轉換板相連，計量晶片通過SPI總線與下位微處理器相連，開關電源與下位微處理器通過供電電路相連，485通訊轉換板與下位微處理器數據連接；監控主機中又包括液晶和LED顯示、輸入單元、微處理器、存儲器和RS-485收發電路，其中微處理器與液晶和LED顯示、輸入單元、存儲器、RS-485收發電路分別相連接；485通訊轉換板與RS-485收發電路通過485總線相連。
[0030]顯示主板以下位微處理器ATmega32單片機為核心。下位微處理器是整個多功能儀表的核心，因此顯示主板是是三塊電路板的數據集散中心，接線端子在採樣板或電源板上，但需要處理的數據必須傳送給下位微處理器，通信數據、電能脈衝、顯示控制等數據也全部由下位微處理器發出。顯示主板除了微控制器及其外圍電路以外，還有數碼管顯示驅動電路、LED控制電路、按鍵輸入電路、鐵電存儲器以及採樣板和電源板接口電路。三個四聯數碼管顯示驅動電路用TM1640晶片驅動，6個LED控制電路用74HC595驅動，鐵電存儲器為FM25040，由下位微處理器直接控制，按鍵輸入為兩排兩列，以中斷的形式觸發。
[0031]採樣板以電能計量晶片ATT7022為核心，搭載外圍電路，電能晶片晶振採用24.576M晶振。ATT7022適合的晶振範圍是1M?25Mhz，由於ATT7022內部集成了數字濾波器，為了提高其測量精度，本設計選用24.576Mhz的晶振。採樣板上另一部分主要的硬體電路是前端電壓電流輸入預處理電路，預處理電路主要由降壓電阻、精密互感器、抗混疊濾波器組成。ATT7022的電壓和電流輸入通道都有明確的限制，強電信號必須先通過相應的轉化，使之變成弱電信號才能輸入到電能晶片，預處理電路就是實現這部分功能，其中互感器起降壓和隔離的作用。電阻阻值和互感器的選擇必須適當，既要使小信號不至於檢測不到，又要保證大信號不超出電能晶片的輸入上限，以免燒壞電能晶片。除了前端預處理電路以外，採樣板上還有電能輸出模塊和接口模塊。
[0032]雙排插針將採樣板與顯示主板相連。採樣板留有10個外部接線端子,是採樣輸入埠，包括4個電壓信號輸入端子和6個電流信號輸入端子。分別為:Ua、Ub、U。、Un、Ia+、Ia_、Ib+、Ib_、I。+、Ic-,由於端子數量的限制，電能脈衝輸出埠被設置在電源板上。
[0033]電源板主要由三部分組成，220V交流轉5V直流開關電源、485通訊模塊以及接口電路。485通訊轉換板是一塊獨立的小板插接在電源板上，該通訊部分採用MAX485作為主驅動晶片，用兩個高速光耦6N137傳輸信號並進行電氣隔離，同時採用B0505進行外部電源隔離，充分保證了總線通信的穩定性與電氣安全性。電源板同樣有10個外部接線端子，分別為:L、N、G、RP、R0、AP、A0、A、B、AGND。其中 L、N、G 是 220V 供電埠，AP、AO是有功電能脈衝輸出埠，一般用作有功功率的校驗，有時也用作有功電能計量；RP、R0是無功電能脈衝輸出埠，一般用作無功功率的校驗，有時也用作無功電能計量。A、B、AGND接RS-485總線，A、B不可接反，AGND是模擬地，一般情況下可不接。
[0034]主板以PIC24單片機為微處理器，外圍有通信、存儲等各種功能電路。主板上存在兩種電源供電，5V和3.3V，PIC24單片機是3.3V供電，其餘如鐵電存儲器，I2C存儲器、時鐘晶片等都是5V供電，因此主板上加入了電源轉換，本實用新型中採用的是三端穩壓器AS1117-3.3進行電壓轉換，AS1117-3.3的輸出電壓精度高，誤差可達1%，電壓線性度為0.2%，最大輸入電流為1A，本設計主板引入5V電源，直接為存儲器、時鐘晶片等供電，三端穩壓器輸出3.3V為單片機供電，此外，通信模塊和語音模塊是兩個獨立的小板，插接在主板上。其中通信模塊即RS-485通信模塊。接口部分，主板主要有電源輸入與檢測接口，顯示與輸入單元控制接口以及印表機接口。
[0035]顯示板作為人機互動界面在前臺應用，提供輸入和輸出。輸入部分，本設計共有25個按鍵，組成5*5矩陣式鍵盤；輸出部分包括液晶屏和LED顯示，本設計採用320*240LCM點陣液晶屏，該液晶屏不僅可以顯不中英文字符，還可以顯不圖片，有很好的輸出效果；LED部分，本設計共用了 10個LED燈，其中4個綠色的用來指示正常狀態，5個黃色的用來指示故障，I個紅色的用來指示報警。10個LED燈其中兩個用單片機I/O口直接控制，其餘8個用74HC164串並轉換晶片驅動。液晶顯示屏可以為觸控螢幕，從而將輸入部分和顯示屏相結合。
[0036]電源板以模擬電路為主，主要包括主備電自動轉換電路，電池充電電路，過流保護電路等,此外還有主電檢測和備電檢測電路。
[0037]監控主機中還設置有與微處理器相連接的熱敏印表機和語音輸出。
[0038]語音輸出包括WT588D-20SS語音晶片、25Pxx存儲器和揚聲器。
[0039]以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例而已，並非對本實用新型作任何形式上的限制，雖然本實用新型已以較佳實施例公開如上，然而，並非用以限定本實用新型，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本實用新型技術方案範圍內，當然會利用揭示的技術內容作出些許更動或修飾，成為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本實用新型技術方案的內容，依據本實用新型的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬於本實用新型技術方案的範圍內。
【權利要求】
1.一種基於MODBUS的電力儀表監控系統,其特徵在於,包括:下位機儀表和監控主機；其中下位機儀表又包括採樣板、顯示主板和電源板,採樣板中的電壓採樣電路和電流採樣電路分別與計量晶片相連，顯示主板中的鐵電存儲器、按鍵輸入電路、數碼管顯示電路和LED控制電路分別與下位微處理器相連接，電源板中的開關電源與485通訊轉換板相連，計量晶片通過SPI總線與下位微處理器相連，開關電源與下位微處理器通過供電電路相連，485通訊轉換板與下位微處理器數據連接；監控主機中又包括液晶和LED顯示、輸入單元、微處理器、存儲器和RS-485收發電路，其中微處理器與液晶和LED顯示、輸入單元、存儲器、RS-485收發電路分別相連接；485通訊轉換板與RS-485收發電路通過485總線相連。
2.根據權利要求1所述的基於MODBUS的電力儀表監控系統,其特徵在於:米樣板中的計量晶片的型號為ATT7022B。
3.根據權利要求1或2所述的基於MODBUS的電力儀表監控系統,其特徵在於:下位微處理器的晶片型號為Atmega32。
4.根據權利要求3所述的基於MODBUS的電力儀表監控系統,其特徵在於:鐵電存儲器的晶片型號為FM25040。
5.根據權利要求4所述的基於MODBUS的電力儀表監控系統，其特徵在於:數碼管顯示電路中採用三個四聯TM1640晶片。
6.根據權利要求5所述的基於MODBUS的電力儀表監控系統，其特徵在於:LED控制電路的晶片型號為74HC595。
7.根據權利要求6所述的基於MODBUS的電力儀表監控系統，其特徵在於:485通訊轉換板採用MAX485作為主驅動晶片，用兩個高速光耦6N137傳輸信號並進行電氣隔離，同時採用B0505進行外部電源隔離。
8.根據權利要求1或6所述的基於MODBUS的電力儀表監控系統，其特徵在於:監控主機中微處理器的晶片型號為PIC24架構。
9.根據權利要求8所述的基於MODBUS的電力儀表監控系統,其特徵在於:監控主機中還設置有與微處理器相連接的熱敏印表機和語音輸出。
10.根據權利要求9所述的基於MODBUS的電力儀表監控系統,其特徵在於:語音輸出包括WT588D-20SS語音晶片、25Pxx存儲器和揚聲器。
【文檔編號】G08C17/00GK204101665SQ201420607461
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年10月21日 優先權日:2014年10月21日
【發明者】趙士同 申請人:天津金豹科技發展有限公司