基于MODBUS施耐德PM800系列仪表的使用Word文档格式.docx
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（1）适用于进线及重要出线回路，对电能质量监控要求较高的场合。
（2）完全具有PM810MG和PM820MG的功能。
（3）带有故障录波的功能，能记录趋势曲线和波形捕捉，800kb内存。
4.选择配置模块：
（1）适用于PM800系列。
（2）PM8M22：
2个数字输入，2个继电器输出。
（3）PM8M26：
6个数字输入，2个继电器输出（带有DC24V电源）。
（4）PM8M2222：
2个数字输入，2个继电器输出，2个模拟量输入，2个模拟量输出。
1.2PM800国外发展现状
在微机应用初期电力系统的参数采集普遍采用直流采样法，软件流程设计简单的计算方法简单方便。
但直流采样法的精度比较低，而测量精度直接受整流电路的精度和稳定性的影响，整流电路参数调整困难且受波形因素影响较大。
用直流采样法测量电压和电流是通过测量它们的平均值来求出有效值的误差会给计算结果带来误差。
针对这种情况，对本测试仪进行设计时采用了交流采样，交流采样是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样，再用一定的数值算法求得被测量的值。
测量精确度高，容易整流电路参数调整，受波形因素影响小等[3]。
1.3PM800国内发展现状
国内智能电力仪表的功能、精度、性能稳定性将进一步提高。
未来，国内智能电力仪表功能将逐步从简单、低端功能朝多元化、高端功能转变，以满足终端客户系统建设需求[4]。
精度、性能稳定性和外观设计水平也将进一步提升。
从主流厂商的产品来看，如施耐德PM800系列，其电压电流的测量精度可以达到0.075%，而国内同类产品一般在0.2%。
高精度对应着更高的防电磁干扰设计、更精确的核心计量元件的选用，对厂商的研发和制造能力有着更高的要求。
目前，国内主流厂商已经开始逐渐接近以施耐德为代表的领先表计水平；
性能稳定性方面，智能电力仪表属于工业耐用品，非人为原因一般不宜损坏[5]。
国内厂家一般提供2年质保，个别厂家可以提供10年的质保，不同厂家产品的性能稳定性还是存在一定的差异。
智能电力仪表的功能、精度、性能稳定性将进一步提高。
未来，国内智能电力仪表功能将逐步从简单、低端功能朝多元化、高端功能转变，以满足终端客户系统建设需求。
从主流厂商的产品来看，如施耐德PM800系列，其电压电流的测量精度可以达到0.075%，而国内外同类产品一般在0.2%。
本测试仪采用了交流采样原理达到了测量精确度高，受波形因素影响小等优点，采用具有12位分辨率的AD574作为模数转换器件可准确地对电力电量参数进行采集，可实现对电力电量参数较高的检测精度[6]。
1.4PM800系列仪表主要性能指标
表1-1性能指标表
电气特性
PM810MG
PM820MG
PM850MG
测量精度
电压和电流精度
0.1%
电能和功率精度
1%
0.5%
频率精度
0.1HZ
每个周波的采样数
128
数据记录及储存
最大/最小瞬时值
有
报警
趋势/预测
无
存储空间
80KB
800KB
I/O特性
控制电源
AC110-415±
10%，功耗11VA；
DC125-250+20%，功耗6W
输入电压特性
0-600VAC（直接L-L）；
0-3.2MVAC（带外部电压互感器）
输入电流特性
初级：
5A-327KA；
次级；
1A或5A
数字输入
DC24V，最大5mA负载
数字输出
静态或继电器输出，AC6-220V或DC3-250V，最大1005mA
通讯接口
标准RS485接口，2线制，MODBUSRTU协议
通讯速率
9600,19200,38400波特可设定
机械特性
重量
0.6kg
IP防护等级
IP52（前面显示器）；
IP30（测量仪表）
尺寸
外形96×
96mm开孔92×
92mm
1.5PM800系列仪表的特点及应用
1.5.1PM800系列仪表的特点
易读的背投式大显示屏：
抗反光的白色背投式显示屏上，可以同时显示多个值。
易操作：
具有自导菜单的直观导向，方便使用。
谐波分析：
监测单次谐波的幅值和相角，有助于排除系统故障。
内存：
存储在非易性内存中的重要信息，用于检查帐单和排除故障。
能量标准为IEC606870.5S级或IEC610361级：
用于分计量和成本分配[12]。
1.5.2PM800系列仪表的应用
主要应用范围盘面仪表。
分计量/成本分配/帐单检查。
电气设备的远程监测。
基本电能质量监测。
如图1-1所示。
图1-1电力监控系统流程图
第2章RS232/RS485串口与MODBUS协议介绍
2.1RS232/RS485串口介绍
2.1.1RS232串口介绍
RS-232-C是美国电子工业协会EIA（ElectronicIndustryAssociation）制定的一种串行物理接口标准。
RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。
RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。
在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。
RS-232-C标准规定的数据传输速率为50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400波特。
RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；
若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。
传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的RS232（9针）接口通信
接口标准编辑串行通信接口标准经过使用和发展，目前已经有几种。
但都是在RS-232标准的基础上经过改进而形成的。
所以，以RS-232C为主来讨论。
RS-232C标准是美国EIA（电子工业联合会）与BELL等公司一起开发的1969年公布的通信协议。
它适合于数据传输速率在0～20000b/s范围内的通信。
这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电气特性都作了明确规定。
由于通信设备厂商都生产与RS-232C制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。
在讨论RS-232C接口标准的内容之前，先说明两点：
首先，RS-232-C标准最初是远程通信连接数据终端设备DTE（DataTerminalEquipment）与数据通信设备DCE（DataCommunicateEquipment）而制定的。
因此这个标准的制定，并未考虑计算机系统的应用要求。
但目前它又广泛地被借来用于计算机（更准确的说，是计算机接口）与终端或外设之间的近端连接标准。
显然，这个标准的有些规定和计算机系统是不一致的，甚至是相矛盾的。
有了对这种背景的了解，我们对RS-232C标准与计算机不兼容的地方就不难理解了。
其次，RS-232C标准中所提到的“发送”和“接收”，都是站在DTE立场上，而不是站在DCE的立场来定义的。
由于在计算机系统中，往往是CPU和I/O设备之间传送信息，两者都是DTE，因此双方都能发送和接收。
协议标准编辑RS-232C标准（协议）的全称是EIA-RS-232C标准，其中EIA（ElectronicIndustryAssociation）代表美国电子工业协会，RS（recommendedstandard）代表推荐标准，232是标识号，C代表RS232的最新一次修改（1969），在这之前，有RS232B、RS232A。
它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。
常用物理标准还有EIARS-422A、EIARS-423A、EIARS-485。
这里只介绍EIARS-232C（简称232，RS232）。
例如，目前在IBMPC机上的COM1、COM2接口，就是RS-232C接口。
在通信速率低于20kb/s时，RS-232C所直接连接的最大物理距离为15m（50英尺）。
在工程当中经常会用到232口，一般是圆头8针与D型9针两种串口。
在一定的条件下，必须要自己制作一个相应的"
圆头或者是D型的"
232串口。
RS232C串口通信接线方法（三线制）首先，串口传输数据只要有接收数据针脚和发送针脚就能实现：
同一个串口的接收脚和发送脚直接用线相连，两个串口相连或一个串口和多个串口相连同一个串口的接收脚和发送脚直接用线相连对9针串口和25针串口，均是2与3直接相连；
两个不同串口（不论是同一台计算机的两个串口或分别是不同计算机的串口）
DB9-DB9
2-3,3-2,5-5
DB25-DB25
2-3,3-2,7-7
DB9-DB25
2-3,3-2,5-7
上面是对微机标准串行口而言的，还有许多非标准设备，如接收GPS数据或电子罗盘数据，只要记住一个原则：
接收数据针脚（或线）与发送数据针脚（或线）相连，彼此交叉，信号地对应相接。
8针圆形串口接线：
2"
逻辑地"
，4"
TXD"
7"
RXD"
。
9针D型串口：
，3"
，5"
缺点编辑接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。
传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps；
因此在CPLD开发板中，综合程序波特率只能采用19200，也是这个原因。
接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。
传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在15米左右。
2.1.2RS485串口介绍
智能仪表是随着80年代初单片机技术的成熟而发展起来的，现在世界仪表市场基本被智能仪表所垄断。
究其原因就是企业信息化的需要，企业在仪表选型时其中的一个必要条件就是要具有联网通信接口。
最初是数据模拟信号输出简单过程量，后来仪表接口是RS232接口，这种接口可以实现点对点的通信方式，但这种方式不能实现联网功能。
随后出现的RS485解决了这个问题。
下面我们就简单介绍一下RS485。
接口编辑RS485采用差分信号负逻辑，-2V～-6V表示“0”，+2V～+6V表示“1”。
RS485有两线制和四线制两种接线，四线制只能实现点对点的通信方式，现很少采用，现在多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线式拓扑结构在同一总线上最多可以挂接32个结点。
在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。
很多情况下，连接RS485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。
而忽略了信号地的连接，这种连接方法在许多场合是能正常工作的，但却埋下了很大的隐患，这有二个原因：
第一个原因共模干扰问题：
RS-485接口采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。
但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围，RS-485收发器共模电压范围为-7～+12V，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。
当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。
第二个原因EMI问题：
发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道（信号地），就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。
由于PC机默认的只带有RS232接口，有两种方法可以得到PC上位机的RS485电路：
a通过RS232/RS485转换电路将PC机串口RS232信号转换成RS485信号，对于情况比较复杂的工业环境最好是选用防浪涌带隔离栅的产品。
b通过PCI多串口卡，可以直接选用输出信号为RS485类型的扩展卡。
电缆编辑在低速、短距离、无干扰的场合可以采用普通的双绞线，反之，在高速、长线传输时，则必须采用阻抗匹配（一般为120Ω）的RS485专用电缆（STP-120Ω（forRS485&
CAN）onepair18AWG），而在干扰恶劣的环境下还应采用铠装型双绞屏蔽电缆（ASTP-120Ω（forRS485&
CAN）onepair18AWG）。
在使用RS485接口时，对于特定的传输线路，从RS485接口到负载其数据信号传输所允许的最大电缆长度与信号传输的波特率成反比，这个长度数据主要是受信号失真及噪声等因素所影响。
理论上，通信速率在100Kpbs及以下时，RS485的最长传输距离可达1200米，但在实际应用中传输的距离也因芯片及电缆的传输特性而所差异。
在传输过程中可以采用增加中继的方法对信号进行放大，最多可以加八个中继，也就是说理论上RS485的最大传输距离可以达到9.6公里。
如果真需要长距离传输，可以采用光纤为传播介质，收发两端各加一个光电转换器，多模光纤的传输距离是5~10公里，而采用单模光纤可达50公里的传播距离。
布网编辑在RS485组网过程中另一个需要注意的问题是终端负载电阻问题，在设备少距离短的情况下不加终端负载电阻整个网络能很好的工作但随着距离的增加性能将降低。
理论上，在每个接收数据信号的中点进行采样时，只要反射信号在开始采样时衰减到足够低就可以不考虑匹配。
但这在实际上难以掌握，美国MAXIM公司有篇文章提到一条经验性的原则可以用来判断在什么样的数据速率和电缆长度时需要进行匹配：
当信号的转换时间（上升或下降时间）超过电信号沿总线单向传输所需时间的3倍以上时就可以不加匹配。
一般终端匹配采用终端电阻方法，RS-485应在总线电缆的开始和末端都并接终端电阻。
终接电阻在RS-485网络中取120Ω。
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100～120Ω。
这种匹配方法简单有效，但有一个缺点，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。
另外一种比较省电的匹配方式是RC匹配。
利用一只电容C隔断直流成分可以节省大部分功率。
但电容C的取值是个难点，需要在功耗和匹配质量间进行折衷。
还有一种采用二极管的匹配方法，这种方案虽未实现真正的“匹配”，但它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。
2.2RS232串口与RS485串口的区别
1、由于RS232接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点：
（1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。
（2）传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps；
因此在“南方的老树51CPLD开发板”中，综合程序波特率只能采用19200，也是这个原因。
（3）接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。
（4）传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在50米左右。
2、针对RS232接口的不足，于是就不断出现了一些新的接口标准，RS-485就是其中之一，它具有以下特点：
（1）RS-485的电气特性：
逻辑“1”以两线间的电压差为+（2—6）V表示；
逻辑“0”以两线间的电压差为-（2—6）V表示。
接口信号电平比RS-232降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。
（2）RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。
（3）RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。
（4）RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达
3000米，另外RS-232接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。
而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。
即具有多站能力，这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。
因为RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线（我们一般叫AB线），所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。
RS232/RS485转换电路，由于有的设备是232接口的，有的是485接口的，如果有一台232接口的设备与一台485接口的设备通信，那就需要一个转换器，把232接口的设备的232信号转换成485信号，然后再与485接口的设备通信，这个转换器就是RS232/RS485转换电路。
如果是两台232接口的设备要进行远距离的通信，那只要加上两个RS232/RS485转换电路就可以了。
以上的RS232/RS485转换电路上采用从计算机串口偷电技术，市场上称之为“无源RS232/RS485转换电路”，而“有源RS232/RS485转换电路”，电路原理图与上图差不多，只是电源部分改点而已。
2.3Modbus通讯协议
2.3.1Modbus协议简介
Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。
通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。
它已经成为一通用工业标准。
有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。
此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。
它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。
它制定了消息域格局和内容的公共格式。
当在一Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。
如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。
在其它网络上，包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。
这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。
（1）在Modbus网络上转输标准的Modbus口是使用一RS-232C兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。
控制器能直接或经由Modem组网。
控制器通信使用主—从技术，即仅一设备（主设备）能初始化传输（查询）。
其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。
典型的主设备：
主机和可编程仪表。
典型的从设备：
可编程控制器。
主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。
如果单独通信，从设备返回一消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。
Modbus协议建立了主设备查询的格式：
设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据、一错误检测域。
从设备回应消息也由Modbus协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据、和一错误检测域。
如果在消息接收过程中发生一错误，或从设备不能执行其命令，从设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去[7]。
（2）在其它类型网络上转输在其它网络上，控制器使用对等技术通信，故任何控制都能初始和其它控制器的通信。
这样在单独的通信过程中，控制器既可作为主设备也可作为从设备。
提供的多个内部通道可允许同时发生的传输进程。
在消息位，Modbus协议仍提供了主—从原则，尽管网络通信方法是“对等”。
如果一控制器发送一消息，它只是作为主设备，并期望从从设备得到回应。
同样，当控制器接收到一消息，它将建立一从设备回应格式并返回给发送的控制器[11]。
（3）查询—回应周期，如图2-1所示。
图2-1主—从查询—回应周期表
查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能。
数据段包含了从设备要执行功能的任何附加信息。
例如功能代码03是要求从设备读保持寄存器并返回它们的内容。
数据段必须包含要告之从设备的信息，从何寄存器开始读及要读的寄存器数量。
错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的方法。
如果从设备产生一正常的回应，在回应消息中的功能代码是在查询消息中的功能代码的回应。
数据段包括了从设备收集的数据，象寄存器值或状态。
如果有错误发生，功能代码将被修改以用于指出回应消息是错误的，同时数据段包含了描述此错误信息的代码。
错误检测域允许主设备确认消息内容是否可用[10]。
2.3.2Modbus的两种传输方式
控制器能设置为两种传输模式（ASCII或RTU）中的任何一种在标准的Modbus网络通信。
用户选择想要的模式，包括串口通信参数（波特率、校验方式等），在配置每个控制器的时候，在一个Modbus网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数[9]。
ASCII模式，如表2-1所示。
表2-1ASCII模式表
地址
功能代码
数量代码
数据1
...
数据n
LRC高字节
LRC低字节
回车
换行
RTU模式，如表2-2所示。
表2-2RTU模式表
数据数量
CRC高字节
CRC低字节
所选的ASCII或RTU方式仅适用于标准的Modbus网络，它定义了在这些网络上连续传输的消息段的每一位，以及决定怎样将信息打包成消息域和如何解码。
在其它网络上（象MAP和ModbusPlus）Modbus消息被转成与串行传输无关的帧。
（1）ASCII模式当控制器设为在Modbus网络上以ASCII（美国标准信息交换代码）模式通信，在消息中的每个8Bit字节都作为两个ASCII字符发送。
这种方式的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误。
代码系统
•十六进制，ASCII字符0...9，A...F
•消息中的每个ASCII字符都是一个十六进制字符组成每个字节的位
•1个起始位
•7个数据位，最小的有效位先发送
•1个奇偶校验位，无校验则无
•1个停止位（有校验时），2个Bit（无校验时）错误检测域
•LRC（纵向冗长检测）
（2）RTU模式当控制器设为在Modbus网络上以RTU（远程终端单元）模式通信，在消息中的每个8Bit字节包含两个4Bit的十六进制字
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