基于modbus的電力儀表監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于MODBUS的電力儀表監(jiān)控系統(tǒng)，包括：下位機(jī)儀表和監(jiān)控主機(jī)；其中下位機(jī)儀表又包括采樣板、顯示主板和電源板；監(jiān)控主機(jī)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(fā)電路；下位機(jī)儀表中的485通訊轉(zhuǎn)換板與RS-485收發(fā)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(shù)、頻率、有功電度、無功電度等基本電參數(shù)。還具有很強的擴(kuò)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(jìn)行組網(wǎng)管理。用戶可以方便的對繼電器輸出進(jìn)行編程，實現(xiàn)自動控制。
【專利說明】基于MODBUS的電力儀表監(jiān)控系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及電力監(jiān)控的【技術(shù)領(lǐng)域】，具體說是一種基于MODBUS的電力儀表監(jiān)控系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)現(xiàn)場中出現(xiàn)了各種各樣的工業(yè)儀表。工業(yè)儀表的產(chǎn)生和應(yīng)用，不僅提高了工廠的生產(chǎn)效率，更影響著整個國家的工業(yè)化進(jìn)程，從一定程度上講，工業(yè)儀表的發(fā)展從側(cè)面反映了現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展程度。
[0003]電力產(chǎn)業(yè)是基礎(chǔ)能源行業(yè)中最重要的一個分支，它不僅與人們的日常生活息息相關(guān)，而且與國家的社會穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)安全密切相關(guān)，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有舉足輕重的地位。隨著各種家用電器及各種工業(yè)用電設(shè)備的急劇增加，電網(wǎng)的整體規(guī)模也越來越大，電網(wǎng)中的用電單元與用電結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，對整個電網(wǎng)的管理要求也越來越高。隨著電力電子行業(yè)的不斷發(fā)展，不管是國家電網(wǎng)管理部門還是用電客戶，都對電力網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)提出了更為嚴(yán)格的要求，這就需要電力儀表承擔(dān)更加重要的任務(wù)。比如，為引導(dǎo)客戶合理安排用電時間，避開用電高峰期，減小整個電網(wǎng)的尖峰負(fù)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(jìn)行分時分段計量；為了對某個用電設(shè)備或者用電單元的用電信息實時監(jiān)控、遠(yuǎn)程操作，需要電力儀表具有遠(yuǎn)程通信的功能；又如，希望電力儀表系統(tǒng)有電費自動結(jié)算及遠(yuǎn)程抄表功能，以節(jié)省人力成本，并避免高壓系統(tǒng)下人工抄表的不安全性等。同時，隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)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(shù)據(jù)的可靠傳輸顯得非常重要。
[0004]普通的電力儀表結(jié)構(gòu)簡單，功能單一，要想擴(kuò)展其功能并提高其準(zhǔn)確度已經(jīng)不可能。另一方面，單片機(jī)技術(shù)、總線技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已日漸成熟，為多功能儀表及其監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展提供了有利條件。
[0005]最早交流電的測量普遍采用的是感應(yīng)式機(jī)械儀表，其主要是通過機(jī)械原理來測量電量數(shù)據(jù)。由于自身原理及結(jié)構(gòu)的限制，感應(yīng)式機(jī)械儀表反應(yīng)遲鈍，精度低，穩(wěn)定性差，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，這種儀表遠(yuǎn)不能滿足人們的需求，因此模擬電子儀表應(yīng)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(zhuǎn)動來指示電量數(shù)據(jù)，如實驗室內(nèi)的老式電壓表、壓力表、電流表、功率表等都屬于模擬電子儀表，這類儀表相對于機(jī)械式儀表有了很大改進(jìn)，但是仍然存在諸多問題，如重復(fù)校準(zhǔn)、零點漂移、讀數(shù)困難、電路老化對精確度影響大等。
[0007]數(shù)字儀表的產(chǎn)生很大程度上解決了以上問題，它主要是通過A/D采樣電路將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將數(shù)字信號以數(shù)值的形式顯示出來。數(shù)字電子儀表響應(yīng)速度較快，精度較高，數(shù)據(jù)讀取清晰直觀，消除了人為讀數(shù)帶來的誤差。
[0008]當(dāng)前，國內(nèi)智能儀表正處于迅猛發(fā)展階段，但儀表綜合管理監(jiān)控系統(tǒng)還處于研發(fā)和簡單應(yīng)用階段，很多中小規(guī)模應(yīng)用場合只有儀表，沒有綜合管理監(jiān)控系統(tǒng)。
[0009]實用新型內(nèi)容
[0010]本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種基于MODBUS的電力儀表監(jiān)控系統(tǒng)。
[0011]本實用新型為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是:
[0012]本實用新型的基于MODBUS的電力儀表監(jiān)控系統(tǒng)，包括:下位機(jī)儀表和監(jiān)控主機(jī)；其中下位機(jī)儀表又包括采樣板、顯示主板和電源板，采樣板中的電壓采樣電路和電流采樣電路分別與計量芯片相連，顯示主板中的鐵電存儲器、按鍵輸入電路、數(shù)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(guān)電源與485通訊轉(zhuǎn)換板相連，計量芯片通過SPI總線與下位微處理器相連，開關(guān)電源與下位微處理器通過供電電路相連，485通訊轉(zhuǎn)換板與下位微處理器數(shù)據(jù)連接；監(jiān)控主機(jī)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(fā)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(fā)電路分別相連接；485通訊轉(zhuǎn)換板與RS-485收發(fā)電路通過485總線相連。
[0013]本實用新型還可以采用以下技術(shù)措施:
[0014]所述的采樣板中的計量芯片的型號為ATT7022B。
[0015]所述的下位微處理器的芯片型號為Atmega32。
[0016]所述的鐵電存儲器的芯片型號為FM25040。
[0017]所述的數(shù)碼管顯示電路中采用三個四聯(lián)TM1640芯片。
[0018]所述的LED控制電路的芯片型號為74HC595。
[0019]所述的485通訊轉(zhuǎn)換板采用MAX485作為主驅(qū)動芯片，用兩個高速光耦6N137傳輸信號并進(jìn)行電氣隔離，同時采用B0505進(jìn)行外部電源隔離。
[0020]所述的監(jiān)控主機(jī)中微處理器的芯片型號為PIC24架構(gòu)。
[0021]所述的監(jiān)控主機(jī)中還設(shè)置有與微處理器相連接的熱敏打印機(jī)和語音輸出。
[0022]所述的語音輸出包括WT588D-20SS語音芯片、25Pxx存儲器和揚聲器。
[0023]本實用新型具有的優(yōu)點和積極效果是:
[0024]本實用新型的基于MODBUS的電力儀表監(jiān)控系統(tǒng)中，通過下位機(jī)儀表的檢測三相電參量及存儲累積電能，并把采集到的電量數(shù)據(jù)通過RS-485總線傳送給監(jiān)控主機(jī)，監(jiān)控主機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理并執(zhí)行最后的輸出功能。本實用新型是集監(jiān)控報警、故障提示、分時計費、遠(yuǎn)程抄表、電費打印為一體的綜合監(jiān)控管理設(shè)備，使電力監(jiān)控中的人機(jī)交互更加方便，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(shù)、頻率、有功電度、無功電度等基本電參數(shù)。還具有很強的擴(kuò)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(jìn)行組網(wǎng)管理。用戶可以方便的對繼電器輸出進(jìn)行編程，實現(xiàn)自動控制。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1是本實用新型的基于MODBUS的電力儀表監(jiān)控系統(tǒng)的示意圖；
[0026]圖2是本實用新型的基于MODBUS的電力儀表監(jiān)控系統(tǒng)中下位機(jī)儀表的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖3是本實用新型的基于MODBUS的電力儀表監(jiān)控系統(tǒng)中監(jiān)控主機(jī)的結(jié)構(gòu)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(jìn)行詳細(xì)的說明。
[0029]如圖1至圖3所示，本實用新型的基于MODBUS的電力儀表監(jiān)控系統(tǒng)，包括:下位機(jī)儀表和監(jiān)控主機(jī)；其中下位機(jī)儀表又包括采樣板、顯示主板和電源板,采樣板中的電壓采樣電路和電流采樣電路分別與計量芯片相連，顯示主板中的鐵電存儲器、按鍵輸入電路、數(shù)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(guān)電源與485通訊轉(zhuǎn)換板相連，計量芯片通過SPI總線與下位微處理器相連，開關(guān)電源與下位微處理器通過供電電路相連，485通訊轉(zhuǎn)換板與下位微處理器數(shù)據(jù)連接；監(jiān)控主機(jī)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(fā)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(fā)電路分別相連接；485通訊轉(zhuǎn)換板與RS-485收發(fā)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(jī)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(shù)據(jù)集散中心，接線端子在采樣板或電源板上，但需要處理的數(shù)據(jù)必須傳送給下位微處理器，通信數(shù)據(jù)、電能脈沖、顯示控制等數(shù)據(jù)也全部由下位微處理器發(fā)出。顯示主板除了微控制器及其外圍電路以外，還有數(shù)碼管顯示驅(qū)動電路、LED控制電路、按鍵輸入電路、鐵電存儲器以及采樣板和電源板接口電路。三個四聯(lián)數(shù)碼管顯示驅(qū)動電路用TM1640芯片驅(qū)動，6個LED控制電路用74HC595驅(qū)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(fā)。
[0031]采樣板以電能計量芯片ATT7022為核心，搭載外圍電路，電能芯片晶振采用24.576M晶振。ATT7022適合的晶振范圍是1M?25Mhz，由于ATT7022內(nèi)部集成了數(shù)字濾波器，為了提高其測量精度，本設(shè)計選用24.576Mhz的晶振。采樣板上另一部分主要的硬件電路是前端電壓電流輸入預(yù)處理電路，預(yù)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(yīng)的轉(zhuǎn)化，使之變成弱電信號才能輸入到電能芯片，預(yù)處理電路就是實現(xiàn)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(dāng)，既要使小信號不至于檢測不到，又要保證大信號不超出電能芯片的輸入上限，以免燒壞電能芯片。除了前端預(yù)處理電路以外，采樣板上還有電能輸出模塊和接口模塊。
[0032]雙排插針將采樣板與顯示主板相連。采樣板留有10個外部接線端子,是采樣輸入端口，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-,由于端子數(shù)量的限制，電能脈沖輸出端口被設(shè)置在電源板上。
[0033]電源板主要由三部分組成，220V交流轉(zhuǎn)5V直流開關(guān)電源、485通訊模塊以及接口電路。485通訊轉(zhuǎn)換板是一塊獨立的小板插接在電源板上，該通訊部分采用MAX485作為主驅(qū)動芯片，用兩個高速光耦6N137傳輸信號并進(jìn)行電氣隔離，同時采用B0505進(jìn)行外部電源隔離，充分保證了總線通信的穩(wěn)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 供電端口，AP、AO是有功電能脈沖輸出端口，一般用作有功功率的校驗，有時也用作有功電能計量；RP、R0是無功電能脈沖輸出端口，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(jī)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(jī)是3.3V供電，其余如鐵電存儲器，I2C存儲器、時鐘芯片等都是5V供電，因此主板上加入了電源轉(zhuǎn)換，本實用新型中采用的是三端穩(wěn)壓器AS1117-3.3進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，AS1117-3.3的輸出電壓精度高，誤差可達(dá)1%，電壓線性度為0.2%，最大輸入電流為1A，本設(shè)計主板引入5V電源，直接為存儲器、時鐘芯片等供電，三端穩(wěn)壓器輸出3.3V為單片機(jī)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打印機(jī)接口。
[0035]顯示板作為人機(jī)交互界面在前臺應(yīng)用，提供輸入和輸出。輸入部分，本設(shè)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(shè)計采用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(shè)計共用了 10個LED燈，其中4個綠色的用來指示正常狀態(tài)，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(jī)I/O口直接控制，其余8個用74HC164串并轉(zhuǎn)換芯片驅(qū)動。液晶顯示屏可以為觸摸屏，從而將輸入部分和顯示屏相結(jié)合。
[0036]電源板以模擬電路為主，主要包括主備電自動轉(zhuǎn)換電路，電池充電電路，過流保護(hù)電路等,此外還有主電檢測和備電檢測電路。
[0037]監(jiān)控主機(jī)中還設(shè)置有與微處理器相連接的熱敏打印機(jī)和語音輸出。
[0038]語音輸出包括WT588D-20SS語音芯片、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，并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，并非用以限定本實用新型，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本實用新型技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)然會利用揭示的技術(shù)內(nèi)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(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本實用新型的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬于本實用新型技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于MODBUS的電力儀表監(jiān)控系統(tǒng),其特征在于,包括:下位機(jī)儀表和監(jiān)控主機(jī)；其中下位機(jī)儀表又包括采樣板、顯示主板和電源板,采樣板中的電壓采樣電路和電流采樣電路分別與計量芯片相連，顯示主板中的鐵電存儲器、按鍵輸入電路、數(shù)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(guān)電源與485通訊轉(zhuǎn)換板相連，計量芯片通過SPI總線與下位微處理器相連，開關(guān)電源與下位微處理器通過供電電路相連，485通訊轉(zhuǎn)換板與下位微處理器數(shù)據(jù)連接；監(jiān)控主機(jī)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(fā)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(fā)電路分別相連接；485通訊轉(zhuǎn)換板與RS-485收發(fā)電路通過485總線相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MODBUS的電力儀表監(jiān)控系統(tǒng),其特征在于:米樣板中的計量芯片的型號為ATT7022B。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于MODBUS的電力儀表監(jiān)控系統(tǒng),其特征在于:下位微處理器的芯片型號為Atmega32。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于MODBUS的電力儀表監(jiān)控系統(tǒng),其特征在于:鐵電存儲器的芯片型號為FM25040。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于MODBUS的電力儀表監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于:數(shù)碼管顯示電路中采用三個四聯(lián)TM1640芯片。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于MODBUS的電力儀表監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于:LED控制電路的芯片型號為74HC595。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于MODBUS的電力儀表監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于:485通訊轉(zhuǎn)換板采用MAX485作為主驅(qū)動芯片，用兩個高速光耦6N137傳輸信號并進(jìn)行電氣隔離，同時采用B0505進(jìn)行外部電源隔離。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的基于MODBUS的電力儀表監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于:監(jiān)控主機(jī)中微處理器的芯片型號為PIC24架構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于MODBUS的電力儀表監(jiān)控系統(tǒng),其特征在于:監(jiān)控主機(jī)中還設(shè)置有與微處理器相連接的熱敏打印機(jī)和語音輸出。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于MODBUS的電力儀表監(jiān)控系統(tǒng),其特征在于:語音輸出包括WT588D-20SS語音芯片、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(yōu)先權(quán)日:2014年10月21日
【發(fā)明者】趙士同 申請人:天津金豹科技發(fā)展有限公司