近年來,已全面實(shí)施低壓集中抄表改造項(xiàng)目。工程實(shí)施過程中施工質(zhì)量監(jiān)管不嚴(yán)可能導(dǎo)致電能表串戶問題日益嚴(yán)重。串戶將導(dǎo)致用戶電費(fèi)繳納與實(shí)際用電情況不一致,對(duì)用戶影響很大。傳統(tǒng)的串戶檢測(cè)方法(如簡(jiǎn)單跳負(fù)荷開關(guān)和增加負(fù)荷)存在反復(fù)停電、耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、約定檢測(cè)時(shí)間難以及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作管理監(jiān)督難度大等問題。
在當(dāng)前智能電網(wǎng)理念指導(dǎo)下,用戶串戶檢測(cè)裝置向著不停電自動(dòng)檢測(cè)方向發(fā)展。裝置主要包含自動(dòng)檢測(cè)裝置和管理平臺(tái),旨在不停電情況下對(duì)表戶關(guān)系進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè),并將現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果上傳至管理平臺(tái),自動(dòng)形成報(bào)表用于分析和總結(jié),有效減少了人力成本,同時(shí)保證了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。
本文提供了一種基于可編程邏輯控制器(pro- grammable logic controller, PLC)的串戶檢測(cè)觸控人機(jī)交互(human-machine interaction, HMI)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案,用于用戶串戶檢測(cè)裝置,可實(shí)現(xiàn)更為便利的用戶信息輸入、信號(hào)啟動(dòng)、結(jié)果顯示及準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)互傳等功能。
本文所針對(duì)的新型智能用戶串戶檢測(cè)系統(tǒng)主要包括管理平臺(tái)和現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)檢測(cè)裝置?,F(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)檢測(cè)裝置是串戶檢測(cè)系統(tǒng)的主體,包括信號(hào)發(fā)生裝置和信號(hào)檢測(cè)裝置,用于采集電表信息、生成并檢測(cè)信號(hào)、串戶診斷、顯示及上傳檢測(cè)結(jié)果。管理平臺(tái)主要用于將電能表編號(hào)等信息與營銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)中的電能表檔案信息進(jìn)行自動(dòng)核對(duì)匹配以及結(jié)果存檔。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案示意圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)總體方案示意圖
檢測(cè)人員首先在表箱處利用掃碼槍獲取智能電能表編號(hào),并通過信號(hào)檢測(cè)裝置將其上傳至主站管理平臺(tái),主站管理平臺(tái)將現(xiàn)場(chǎng)發(fā)回的電能表編號(hào)與營銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)中的電能表檔案信息進(jìn)行匹配,獲取用戶信息并返回現(xiàn)場(chǎng);接著檢測(cè)人員根據(jù)用戶信息,將信號(hào)發(fā)生裝置接入對(duì)應(yīng)用戶家中任意插座,并輸入房間號(hào)進(jìn)行二次核對(duì),同時(shí)設(shè)置啟用檢測(cè)。
最后,信號(hào)檢測(cè)裝置接收到啟用檢測(cè)信號(hào)之后開始進(jìn)行信號(hào)采樣,通過檢測(cè)算法判斷是否存在串戶現(xiàn)象,顯示結(jié)果并上傳主站,在確定未發(fā)生串戶后進(jìn)行下一戶的排查工作,否則進(jìn)行再次核查。
1.1 檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)方案
檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)方案示意圖如圖2所示,包括家中的信號(hào)發(fā)生裝置以及表箱處的信號(hào)檢測(cè)裝置。信號(hào)發(fā)生裝置包含人機(jī)交互模塊、可控負(fù)載模塊、CPU模塊、通用無線分組服務(wù)(general packet radio service, GPRS)模塊、電源模塊。信號(hào)檢測(cè)裝置由人機(jī)交互模塊、電流采樣模塊、掃碼模塊、CPU模塊、GPRS模塊、電源模塊組成。
人機(jī)交互模塊主要便于檢測(cè)人員實(shí)現(xiàn)查詢信息、啟動(dòng)檢測(cè)、查看結(jié)果等操作;CPU模塊根據(jù)人機(jī)交互模塊下發(fā)的操作命令進(jìn)行信號(hào)發(fā)生、數(shù)據(jù)采集以及串戶判斷等;可控負(fù)載在啟動(dòng)檢測(cè)時(shí)通過CPU模塊控制投入與切除;GPRS模塊用于與主站之間的聯(lián)絡(luò)以及數(shù)據(jù)的上傳;電流采樣模塊在啟動(dòng)檢測(cè)后通過CPU模塊控制投入采樣;電源模塊為各功能模塊供電。
圖2 檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)方案示意圖
1.2 人機(jī)交互模塊
綜上分析,在智能串戶檢測(cè)系統(tǒng)中,人機(jī)交互系統(tǒng)起著信息輸入、信號(hào)啟動(dòng)、結(jié)果顯示及進(jìn)行數(shù)據(jù)互傳等與CPU模塊結(jié)合實(shí)現(xiàn)的作用。因此,為更好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互模塊與CPU模塊之間功能的配合,考慮裝置的安裝、功能的實(shí)現(xiàn)以及數(shù)據(jù)傳遞的便捷,本文針對(duì)串戶檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于PLC的觸控人機(jī)交互系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案,結(jié)合PLC與觸控屏技術(shù)實(shí)現(xiàn)串戶檢測(cè)裝置中與CPU模塊之間的人機(jī)交互的功能界面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)通信。
該設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)在于:
2.1 PLC的應(yīng)用
近年來,PLC具有使用方便、通用性強(qiáng)、可靠性高、適應(yīng)面廣、編程簡(jiǎn)單及抗干擾能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn),目前已經(jīng)成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中最重要、應(yīng)用最廣的控制設(shè)備之一。永宏(FATEK)經(jīng)濟(jì)型PLC具有性價(jià)比較高、所使用通信協(xié)議覆蓋功能全面、使用簡(jiǎn)單、通用性好的特點(diǎn),在電氣控制、通信領(lǐng)域得到較為廣泛的使用,應(yīng)用前景較好。并且,為了強(qiáng)化PLC的通信能力,相關(guān)廠商都在發(fā)展專用的通信模塊和軟件,協(xié)商統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)。
2.2 觸控屏的應(yīng)用
作為硬件系統(tǒng)與人之間溝通和信息傳遞的媒介,觸控屏技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息的內(nèi)部形式和用戶可接受形式之間的轉(zhuǎn)換,具有使用方便、操作簡(jiǎn)單、可視化水平高、數(shù)據(jù)傳輸快、人機(jī)交互可靠等優(yōu)點(diǎn)[7-8],已在廠礦、冶金、交通工業(yè)生產(chǎn)中得以廣泛應(yīng)用。目前,越來越多的研究將觸控屏應(yīng)用于電氣領(lǐng)域,特別是在設(shè)備監(jiān)測(cè)、故障檢測(cè)等方向。
組態(tài)軟件是觸控屏技術(shù)中重要的一環(huán),主要為觸控屏開發(fā)提供平臺(tái),利用軟件中提供的工具,依據(jù)自身的過程數(shù)據(jù)庫,連接各種硬件設(shè)備(如PLC等),同時(shí)通過人機(jī)交互界面將采集處理的數(shù)據(jù)展現(xiàn)給用戶或者數(shù)據(jù)庫。
目前較為常用的組態(tài)軟件有Kinco HMIware、Easy Builder8000、WinCC flexible等,它們針對(duì)的硬件類型略有不同,但基本上都提供了常用組件庫以及相關(guān)設(shè)備驅(qū)動(dòng),可以自由連接多種硬件設(shè)備,用戶可以依據(jù)需求選擇功能模塊來完成工程的設(shè)計(jì),極大降低了工程設(shè)計(jì)的難度,提高了開發(fā)效率。
通信協(xié)議是人機(jī)交互系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)PLC與CPU模塊連接的語言約定。本文所設(shè)計(jì)人機(jī)交互系統(tǒng)通信實(shí)現(xiàn)過程示意圖如圖3所示。
其中,PLC相當(dāng)于是通信橋梁:只有根據(jù)指定的協(xié)議發(fā)送報(bào)文,才能實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC狀態(tài)改變、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能;而PLC返回的報(bào)文只有通過通信協(xié)議解析才能得到CPU模塊分析需要的各項(xiàng)數(shù)據(jù);最終實(shí)現(xiàn)CPU模塊與PLC之間的數(shù)據(jù)互傳,以及將結(jié)果顯示在觸控屏上。同時(shí),觸控屏還能下達(dá)指令給PLC向CPU模塊發(fā)送標(biāo)志位信息,以實(shí)現(xiàn)獲取用戶信息、進(jìn)行串戶檢測(cè)等功能。
圖3 人機(jī)交互系統(tǒng)通信實(shí)現(xiàn)過程
本文設(shè)計(jì)使用通信協(xié)議為FATEK通信協(xié)議。該協(xié)議中,整個(gè)通信采用主站發(fā)送和接收的方式,PLC內(nèi)部無需特定梯形圖編程實(shí)現(xiàn)下位機(jī)通信程序。
3.1 信息格式
在FATEK通信協(xié)議中,主站發(fā)出的命令信息與PLC發(fā)出的響應(yīng)信息均被分為6個(gè)數(shù)據(jù)域,其通信信息格式如圖4所示。
圖4 FATEK通信信息格式
圖4中,起始字符(STX)為對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)02H,接收方以此來判斷傳輸資料的開始;PLC站號(hào)為兩位十六進(jìn)制數(shù),永宏P(guān)LC的站號(hào)可以將其設(shè)置為1~255,即為對(duì)應(yīng)的1H~FFH;指令號(hào)碼為兩位十六進(jìn)制數(shù),根據(jù)不同的指令,可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。
本文資料可為0~500個(gè)ASCII字符,在命令信息中,此信息用于指定命令所要運(yùn)作或存取的對(duì)象及要寫入的數(shù)值;校驗(yàn)是為了保證數(shù)據(jù)傳遞過程沒有少傳、多傳、誤傳等操作,F(xiàn)ATEK通信協(xié)議采用的校驗(yàn)方式是縱向冗余校驗(yàn)(LCR);結(jié)束字符(ETX)為對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)03H,接收方以此來判斷此次通信的結(jié)束。
3.2 通信指令
FATEK通信協(xié)議有多種指令,常用的幾種描述見表1。
表1 FATEK常用通信指令
本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要使用了指令44、45、46、47來實(shí)現(xiàn)用戶信息的輸入、信號(hào)發(fā)生以及顯示結(jié)果。
圖5所示是本文所設(shè)計(jì)基于PLC的串戶檢測(cè)觸控人機(jī)交互系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu),主要包括3個(gè)部分,即應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層和通信層。基于模塊化的設(shè)計(jì)思想,分別對(duì)觸控屏界面、功能、PLC通信進(jìn)行設(shè)計(jì),最后進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試,在降低工程復(fù)雜度的同時(shí),也便于功能的擴(kuò)展。
圖5 人機(jī)交互系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖
應(yīng)用層主要是通過觸控屏來實(shí)現(xiàn)各模塊的功能,包括信息輸入、信號(hào)查詢、信息發(fā)生以及結(jié)果顯示。其中,信息輸入模塊主要是可以通過人為或者利用掃碼槍輸入用戶房間號(hào);信息查詢主要實(shí)現(xiàn)接收并查看戶主信息(姓名、電話號(hào)碼等)功能;信號(hào)發(fā)生模塊主要是向檢測(cè)裝置發(fā)送串戶檢測(cè)指令;結(jié)果顯示實(shí)現(xiàn)的是接收并顯示串戶檢測(cè)狀態(tài)的結(jié)果。
數(shù)據(jù)層主要是將PLC作為中間環(huán)節(jié),進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入與讀取以及地址狀態(tài)位的改變。通信程序在串戶檢測(cè)裝置起動(dòng)時(shí)將實(shí)時(shí)讀取PLC內(nèi)部緩存器的信息,并將其傳輸給CPU模塊以便于進(jìn)行串戶檢測(cè)。
通信層實(shí)現(xiàn)的是PLC與CPU模塊建立通信的功能,保證雙方能夠可靠通信:報(bào)文上傳時(shí),通過通信程序解析得到數(shù)據(jù)進(jìn)行分析;報(bào)文下發(fā)時(shí),通信程序?qū)⑵鋫鬟_(dá)給PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入與讀取以及狀態(tài)位改變。
綜合考慮產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性以及設(shè)計(jì)難度,本文設(shè)計(jì)人機(jī)交互系統(tǒng)選用步科ET070型號(hào)的觸控屏,PLC選用了永宏FBs系列FBS-10MAR2-AC,HMI組態(tài)軟件選用Kinco HMIware,PLC編程軟件選用WinProladder,通信協(xié)議選用FATEK通信協(xié)議,PLC與觸控屏之間選用RS232進(jìn)口通信,PLC與CPU模塊選用RS232進(jìn)行通信。
1)觸控屏界面與功能設(shè)計(jì)
圖6所示為Kinco HMIware主界面,新建工程即可開始編程工作。首先是觸控屏與PLC連接設(shè)置,在“HMI”選用匹配的ET070型號(hào)觸控屏,在“PLC”選項(xiàng)選擇匹配的FATEK FB型號(hào)PLC,在“通信連接”選擇串口通信將二者的COM0口連接。根據(jù)永宏P(guān)LC硬件參數(shù),在觸摸屏模塊COM0串口設(shè)置通信類型、數(shù)據(jù)位、波特率、奇偶校驗(yàn)位以及停止位。
圖6 Kinco HMIware主界面
觸控屏人機(jī)交互主界面的設(shè)計(jì)如圖7所示。選擇右側(cè)HMI下拉菜單,選中主菜單畫布進(jìn)行設(shè)計(jì),該界面主要布置包括“信息核對(duì)”、“開始校驗(yàn)”兩大功能模塊。完成后的觸屏主界面如圖8所示。
圖7 人機(jī)交互主界面設(shè)計(jì)
圖8 完成后的觸屏主界面
信息核對(duì)模塊包含信息輸入以及戶主信息查詢,完成后的信息核對(duì)界面如圖9(a)所示。其中,房間號(hào)可以由用戶輸入或者通過掃碼槍掃入信息,CPU模塊采集到相應(yīng)數(shù)據(jù)之后,通過數(shù)據(jù)庫匹配將戶主姓名縮寫以及電話號(hào)碼返回并顯示。完成后的校驗(yàn)?zāi)K界面如圖9(b)所示,主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生以及結(jié)果顯示的功能。一旦用戶點(diǎn)擊“啟動(dòng)負(fù)載”,即可啟動(dòng)串戶檢測(cè),待CPU模塊分析完成后將結(jié)果返回,并使得對(duì)應(yīng)結(jié)果信號(hào)燈由綠轉(zhuǎn)紅。
圖9 觸控屏功能模塊分界面
在將界面及功能設(shè)置完成后,在各功能模塊屬性設(shè)置關(guān)聯(lián)的PLC緩存變量地址以及狀態(tài)地址,以實(shí)現(xiàn)PLC與觸控屏的數(shù)據(jù)交互。編譯完成之后,離線模擬觸控屏的使用狀況,將工程下載到ET070觸控屏即可。
2)PLC界面與功能設(shè)計(jì)
圖10所示為WinProladder主界面,新建工程后選擇PLC對(duì)應(yīng)型號(hào)即可進(jìn)行編程工作。
圖10 WinProladder主界面
根據(jù)FATEK通信協(xié)議,CPU模塊向PLC發(fā)送報(bào)文時(shí),PLC內(nèi)部無需設(shè)計(jì)相應(yīng)的梯形圖即可進(jìn)行相應(yīng)指令操作,并返回相應(yīng)報(bào)文實(shí)現(xiàn)與人機(jī)交互系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞。但為了便于人機(jī)交互系統(tǒng)的功能擴(kuò)展,在工程內(nèi)設(shè)計(jì)了包含主程序區(qū)與子程序區(qū)(WRITE、READ、DETECT、RESULT)的梯形圖,如圖11所示,具體功能還可以根據(jù)后期需求進(jìn)行添加。
圖11 主程序區(qū)與子程序區(qū)梯形區(qū)
設(shè)置完成后進(jìn)行編譯,連接并將工程下載到PLC硬件,在工具欄選擇“PLC”→“設(shè)定”→“通信參數(shù)”,保證通信端口對(duì)應(yīng)的通信類型、數(shù)據(jù)位、波特率、奇偶校驗(yàn)位以及停止位等參數(shù)一致。
3)串戶檢測(cè)系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)
在將硬件配置好后,需對(duì)人機(jī)交互進(jìn)行通信的設(shè)計(jì)。根據(jù)2.1及2.2中FATEK通信協(xié)議的通信格式以及通信指令,結(jié)合串戶檢測(cè)系統(tǒng)需要的功能,設(shè)計(jì)了以下實(shí)現(xiàn)用戶信息輸入、信號(hào)發(fā)生以及顯示結(jié)果的指令,見表2。
其中,寫入電話號(hào)碼、讀取電話號(hào)碼、讀取房號(hào)、寫入姓名是實(shí)現(xiàn)CPU模塊與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的功能;寫入狀態(tài)位(包括正常、串戶、反接)、狀態(tài)位復(fù)位是實(shí)現(xiàn)串戶檢測(cè)結(jié)果返回并顯示在觸控屏的功能;讀取狀態(tài)位是實(shí)現(xiàn)觸控屏通過PLC向CPU模塊發(fā)送檢測(cè)信號(hào)的功能。
4.2 試驗(yàn)與測(cè)試
圖12所示為本文設(shè)計(jì)基于PLC與觸控屏的人機(jī)交互系統(tǒng)硬件測(cè)試接線與上電效果圖。測(cè)試旨在通過電腦端利用串口調(diào)試工具在線向PLC發(fā)送相應(yīng)的指令,模擬CPU模塊,檢測(cè)所設(shè)計(jì)各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)效果。其中,步科ET070觸控屏由24V直流電源供電,F(xiàn)BS-10MAR2-AC型號(hào)PLC直接由交流電供電,且PLC與觸控屏之間用RS232連接,PLC與電腦用RS232轉(zhuǎn)USB方式連線。
1)用戶信息輸入功能測(cè)試
在觸屏主界面選擇“信息核對(duì)”,進(jìn)入到子界面1,點(diǎn)擊“用戶名輸入”,跳出鍵盤,輸入房間號(hào)“2019”,并確認(rèn)輸入,如圖13(a)所示;在調(diào)試工具中,發(fā)送“讀取房間號(hào)”命令,接收到對(duì)應(yīng)的房間號(hào)信息,如圖13(b)所示。
表2 用戶串戶檢測(cè)系統(tǒng)通信指令
圖12 人機(jī)交互系統(tǒng)硬件測(cè)試接線與上電效果圖
圖13 信息輸入功能測(cè)試界面
2)用戶信息查詢功能測(cè)試
房間號(hào)輸入之后,PC端得到數(shù)據(jù)可以進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)匹配,以寫入用戶姓名(縮寫)、用戶電話號(hào)碼指令發(fā)送報(bào)文的用戶信息查詢功能測(cè)試界面如圖14所示。
3)檢測(cè)信號(hào)發(fā)生功能測(cè)試
在主界面選擇“開始檢測(cè)”進(jìn)入到子界面2,點(diǎn)擊“啟動(dòng)負(fù)載”,按鈕狀態(tài)變?yōu)椤皢?dòng)中”,如圖15(a)所示;調(diào)試助手發(fā)送狀態(tài)為查詢指令,得到的結(jié)果如圖15(b)所示,可見目標(biāo)狀態(tài)位由0置1,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可根據(jù)此標(biāo)志位開始下一步串戶檢測(cè)工作。
圖14 用戶信息查詢功能測(cè)試界面
圖15 信號(hào)發(fā)生功能測(cè)試界面
4)檢測(cè)結(jié)果顯示功能測(cè)試
當(dāng)CPU模塊通過算法檢測(cè)出結(jié)果時(shí),將發(fā)送對(duì)應(yīng)的指令給PLC以改變狀態(tài)位,分別如圖16(a)—圖16(c)所示,測(cè)試結(jié)果分別如圖16(d)—圖16(f)所示,可見均能有效返回結(jié)果。
圖16ab 結(jié)果顯示功能測(cè)試界面
圖16cd 結(jié)果顯示功能測(cè)試界面
圖16ef 結(jié)果顯示功能測(cè)試界面
本文基于PLC與觸控屏設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)串戶檢測(cè)人機(jī)交互系統(tǒng),論述了人機(jī)交互環(huán)節(jié)的功能、作用和設(shè)計(jì)過程。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明,該人機(jī)交互系統(tǒng)能夠滿足對(duì)串戶檢測(cè)系統(tǒng)的功能要求,實(shí)現(xiàn)信息輸入、信息查詢、信號(hào)發(fā)生以及結(jié)果顯示等功能,便捷地實(shí)現(xiàn)與主站之間的數(shù)據(jù)互傳;可為串戶檢測(cè)系統(tǒng)提供更好的人機(jī)交互性能,且易于功能模塊擴(kuò)展,對(duì)新型智能化用戶串戶檢測(cè)裝置的研發(fā)具有實(shí)用意義和應(yīng)用價(jià)值。