吴楠
天津海展会议展览有限公司 天津市300350
摘要：能源计量系统是当前智能化生产的主要应用系统，结合RS-485联合通信、软件设计，可促进系统高效管理。此协议已经较为成熟，本文综合相关文献，总结其成功的设计方法，研究目的为促进推广，扩大使用范围，使价值得到更有效发挥。
关键词：能源计量系统；RS-485；通信系统；软件设计
前言：在智能化生产时代，企业生产监控需要以高精准、高效率的系统实现，能源计量系统即为现代先进系统之一。通过此系统，可监控设备、仪表运行状态，促进自动化管理。RS-485的结构形式为主从结构，可有效抑制噪声，又因结构简单，可节约成本。可长距离传输，效率更高，稳定性强。
1设计背景
虽然RS-485拥有丰富节点，应用优势突出，但此标准仅为物理层面的通信接口标准，对电气与机械特性进行物理接口角度的约束。在通信传输时，还须涉及网络访问以及保证链路连接，这些也需要标准约束。为监控总线，必须以RS-485为基础，创建对应用层适用的通信协议。本研究预期即以RS-485为总线，创建具有分布特性的能源计量系统，为此通信标准设计上位机软件以及应用协议，进而保证能源计量可智能化应用。
2设计方法
2.1技术分析
RS-485适用能源计量系统中的中小型规模。结合能源点分布特点，应用RS-485网络，配合协议与软件可对相关设施进行智能化监控。该标准是由EIA制定，接口使用串行数据模式，利用平衡差模式实现分电路传输。接地电平差异对节点的影响被弱化。在生产消耗中，能源消耗形式包括两种，其一为电能量，其二为非电能量。生产过程中水、气应用即为后者。能源计量系统是针对非电能量加以监控计量，不仅负责核算成本，而且需要生成相关报表。除以上功能外，还需监控能量非正常消耗，并发出预警。该系统需要对能源参量与消耗进行采集管理，根据监控信息制作报表，并对能源成本进行核算，指导节能降耗。在传统管理中，上述计量工作是由人工完成，应用此系统解放人力，并精准防控能源存储至使用全周期的非必要消耗，促进成本节约。
2.2结构设计
在设计系统时，应保证运行稳定，成本收益平衡，实用性强，基于此原则应用RS-485网络实施数据通信。在系统中，首先是构建系统主站，即通过上位机实施网络宏观管理。系统从站则为现场仪表。从站的地址标识具有唯一性，故而总线与主站的数据采集指令收发一旦与该地址标识相匹配，从站即会产生响应，上位机可接收从站传输的数据，经此处理，仪表和上位机实现有效通信，计量监控能源靠此完成。
RS-485网络想要应用于工控机，必须以硬件作为连接设施。此类硬件产品种类丰富，从连接形式来看可分两类，其一应用RS-485转接器进行通信，直接与PC连接。此种连接手段应可在PC当前接口上直接连接转换器，然后再连接通信终端。其二与PCI插槽连接，使用多端口模式的串行卡。此种硬件功能丰富，部分通信参数具有可调节优势，例如其通信手段可选择半双工模式也可选用双工模式，通信速率也具有可调性。此外，此种硬件对静电、雷击以及干扰等具有防御功能。应用缺陷是成本高，使用复杂，在使用前必须先行安全驱动。
本次设计选用双接口通信板卡，将其与RS-485总线相连，可预防浪涌或者过电压。不仅如此，在板卡上为终端电阻预留空间，可使现场布线更易进行。常规现场仪表具有RS-485接口，连接总线时无需配备额外设施。经过此种设计，上位机使用工控机，下位机使用现场仪表，以RS-485通信网络即构建完成。
2.3通信协议
为系统应用层设计通信协议时，需要从RS-485和非电能量两个方向予以设计。
协议应具有科学性和严密性，以保证RS-485总线可将现场数据向上位机精准传输。应用RS-485总线进行字节格式的数据传输时，可选用不同数据格式，选用11位传输时使用奇偶检验位，选用10位传输时则无检验位。为保证高效传输数据，在非电量通信模式创建协议时选择10位数据，联合CRC检验进行校验码管理，更加稳定精准，配合数据同步发送。根据行业规定，选用11位数据格式进行电能量通信协议设计。
在为非电能量体系设计通信协议时，选择异步串行通信模式，波特率参数设置为9600bps。选择10位数据设计的字节格式，即除了起始位和停止位之外，数据位为8位二进制码。在设计帧格式时，其格式设置为“@（对应通讯命令起始符）——DE（对应仪表设备号）——帧命令（对应操作指令）——帧数据（根据传输能源参数、仪表种类设计操作指令数据长度）——CRC（对应校验字节值、异常，不包含@内字节）——CR（对应结束符，可解读为ASCⅡ码形式下0DH）”模式。数据传输方面，以ASCⅡ码描述传输格式。应用形式为浮点数（4字节）、定点数（2字节），进行数据格式应用设计。定点数字节中，低字节、高字节中分别设有高低4位。上下位机传输通信所用定点数即帧数据采用上述格式传输。浮点数设计时，对4个字节的设计思路为分别设计高低各4位。在此设计中，第1字节中描述正数的形式为“阶符=0”或“数符=0”，描述负数时记为“阶符+1”或“数符=1”，同时以其余3个字节对小数部分加以描述。浮点描述的最低限值为“-1×232”，最高限值为“1×232”。因协议具有通用特点，以4字节描述浮点数，当需要描述的浮点数＞4字节时，以“4×n”的字节模式予以传输，即以4个字节为单元，分设n个单元传输，最终获取实际数据[1]。
为电能量设计的通信协议采用RS-485异步串行通信模式，以1200bps为波特率参数，设计字节格式时选择11位数据，内含8位二进制码，并以0描述起始位，以1描述停止位，另包含偶检验1位。在设计帧格式时模式为“起始符（设计为68H）——地址域（区间为A0~A5，包括十进制12位数，规格为2位BCD码×6字节，地址排序先低后高）——控制码（即描述读写数据的C，控制后续数据存在与否）——数据长度L（描述数据域所拥有的字节数，当其赋值为0时数据域不存在）——数据域DATA（内含数据及其表示，控制码功能变化时结构同步变化结构）——校验码CS（包含256、字节模，起止范围是‘帧起始符——校验码’）——结束符16H（描述帧信息传输完毕，赋值为00010110B）”。数据传输设计为，在传输起始端即发送方，根据字节加33H，然后在接收方减33H字节，字节传输顺序为由低至高，接收方则对应参量格式接收信息[2]。
2.4软件设计
计量能源量是该系统核心任务，在设计软件时重点控制数据采集环节。监控系统应保证实时采集数据，采集过程稳定，采集结果精准。本设计以VB6.0编写采集软件，选择MSComml控件管理串口操作，RS-485协议管理上机位，能源数据通过中断方式接收。上位机中断数据读取指令时，对设备号和DE匹配度加以判断，匹配时可中断，不匹配可放弃。检验之前判断，如判断无误，对数据进行接收和解析，上位机可接收其传输的数据。
结论：设计以RS-485为基础的能源计量系统时，应为应用层创建与其匹配的通信协议，以保证准确采集系统数据，然后为上、下位机规划通信软件。此设计在能源计量系统中使用时，适用于分模式的系统，应用优势显著，经应用测试显示实用性较强。
参考文献：
[1]张海龙,刘宣,李然等.支持能源计量一体化的通信模拟测试系统设计[J].测试技术学报,2019,33(05):428-433.
[2]熊霞,陶晓峰,高鲁鑫等.综合能源一体化采集系统的多任务自适应实时调度方法[J].电测与仪表,2019,56(20):108-114+136.