近年來，已全面實施低壓集中抄表改造項目。工程實施過程中施工質量監管不嚴可能導致電能表串戶問題日益嚴重。串戶將導致用戶電費繳納與實際用電情況不一致，對用戶影響很大。傳統的串戶檢測方法（如簡單跳負荷開關和增加負荷）存在反復停電、耗費時間長、約定檢測時間難以及現場檢測工作管理監督難度大等問題。

在當前智能電網理念指導下，用戶串戶檢測裝置向著不停電自動檢測方向發展。裝置主要包含自動檢測裝置和管理平臺，旨在不停電情況下對表戶關系進行自動檢測，并將現場檢測結果上傳至管理平臺，自動形成報表用于分析和總結，有效減少了人力成本，同時保證了檢測結果的準確性。

本文提供了一種基于可編程邏輯控制器（pro- grammable logic controller, PLC）的串戶檢測觸控人機交互（human-machine interaction, HMI）系統實現方案，用于用戶串戶檢測裝置，可實現更為便利的用戶信息輸入、信號啟動、結果顯示及準確的數據互傳等功能。

1 智能用戶串戶檢測系統

本文所針對的新型智能用戶串戶檢測系統主要包括管理平臺和現場自動檢測裝置。現場自動檢測裝置是串戶檢測系統的主體，包括信號發生裝置和信號檢測裝置，用于采集電表信息、生成并檢測信號、串戶診斷、顯示及上傳檢測結果。管理平臺主要用于將電能表編號等信息與營銷業務應用系統中的電能表檔案信息進行自動核對匹配以及結果存檔。系統總體設計方案示意圖如圖1所示。

圖1 系統總體方案示意圖

檢測人員首先在表箱處利用掃碼槍獲取智能電能表編號，并通過信號檢測裝置將其上傳至主站管理平臺，主站管理平臺將現場發回的電能表編號與營銷業務應用系統中的電能表檔案信息進行匹配，獲取用戶信息并返回現場；接著檢測人員根據用戶信息，將信號發生裝置接入對應用戶家中任意插座，并輸入房間號進行二次核對，同時設置啟用檢測。

最后，信號檢測裝置接收到啟用檢測信號之后開始進行信號采樣，通過檢測算法判斷是否存在串戶現象，顯示結果并上傳主站，在確定未發生串戶后進行下一戶的排查工作，否則進行再次核查。

1.1 檢測裝置設計方案

檢測裝置實現方案示意圖如圖2所示，包括家中的信號發生裝置以及表箱處的信號檢測裝置。信號發生裝置包含人機交互模塊、可控負載模塊、CPU模塊、通用無線分組服務（general packet radio service, GPRS）模塊、電源模塊。信號檢測裝置由人機交互模塊、電流采樣模塊、掃碼模塊、CPU模塊、GPRS模塊、電源模塊組成。

人機交互模塊主要便于檢測人員實現查詢信息、啟動檢測、查看結果等操作；CPU模塊根據人機交互模塊下發的操作命令進行信號發生、數據采集以及串戶判斷等；可控負載在啟動檢測時通過CPU模塊控制投入與切除；GPRS模塊用于與主站之間的聯絡以及數據的上傳；電流采樣模塊在啟動檢測后通過CPU模塊控制投入采樣；電源模塊為各功能模塊供電。

圖2 檢測裝置實現方案示意圖

1.2 人機交互模塊

綜上分析，在智能串戶檢測系統中，人機交互系統起著信息輸入、信號啟動、結果顯示及進行數據互傳等與CPU模塊結合實現的作用。因此，為更好地實現人機交互模塊與CPU模塊之間功能的配合，考慮裝置的安裝、功能的實現以及數據傳遞的便捷，本文針對串戶檢測系統設計了基于PLC的觸控人機交互系統實現方案，結合PLC與觸控屏技術實現串戶檢測裝置中與CPU模塊之間的人機交互的功能界面設計、數據存儲以及數據通信。

該設計方案的優點在于：

• 1）利用以觸控屏為操作界面和以PLC為中間環節的思路，可以很好地對人機交互的通信進行設計，無需在觸控屏到CPU中間經過繁瑣的通信轉換，甚至重新制定通信規約。該人機交互方案，利用觸控屏與PLC之間通信的互通，再由PLC自帶的通信方式就能直接與CPU模塊進行報文的收發，進而進行相應的地址位的修改和數據的傳遞。
• 2）所使用的觸控屏與PLC均可以使用相對成熟的便捷組態化編程，基于模塊化的思想可以對所需功能的模塊分別進行設計，進而再進行組合，方便在線功能的調試，同時PLC還可以便于前后期其他功能的增加，具有較好的擴展性能。
• 3）對于現場裝置來說，所提供的人機交互方式可行性較高，因為PLC與觸控屏模塊是獨立的模塊，方便裝置故障排查和更換，且PLC占用空間較小，為現場裝置箱的設計帶來便捷。

2 PLC與觸控屏的應用

2.1 PLC的應用

近年來，PLC具有使用方便、通用性強、可靠性高、適應面廣、編程簡單及抗干擾能力強等一系列優點，目前已經成為工業自動化領域中最重要、應用最廣的控制設備之一。永宏（FATEK）經濟型PLC具有性價比較高、所使用通信協議覆蓋功能全面、使用簡單、通用性好的特點，在電氣控制、通信領域得到較為廣泛的使用，應用前景較好。并且，為了強化PLC的通信能力，相關廠商都在發展專用的通信模塊和軟件，協商統一的通信標準。

2.2 觸控屏的應用

作為硬件系統與人之間溝通和信息傳遞的媒介，觸控屏技術實現信息的內部形式和用戶可接受形式之間的轉換，具有使用方便、操作簡單、可視化水平高、數據傳輸快、人機交互可靠等優點[7-8]，已在廠礦、冶金、交通工業生產中得以廣泛應用。目前，越來越多的研究將觸控屏應用于電氣領域，特別是在設備監測、故障檢測等方向。

組態軟件是觸控屏技術中重要的一環，主要為觸控屏開發提供平臺，利用軟件中提供的工具，依據自身的過程數據庫，連接各種硬件設備（如PLC等），同時通過人機交互界面將采集處理的數據展現給用戶或者數據庫。

目前較為常用的組態軟件有Kinco HMIware、Easy Builder8000、WinCC flexible等，它們針對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設備驅動，可以自由連接多種硬件設備，用戶可以依據需求選擇功能模塊來完成工程的設計，極大降低了工程設計的難度，提高了開發效率。

3 人機交互系統通信協議

通信協議是人機交互系統中實現PLC與CPU模塊連接的語言約定。本文所設計人機交互系統通信實現過程示意圖如圖3所示。

其中，PLC相當于是通信橋梁：只有根據指定的協議發送報文，才能實現對PLC狀態改變、數據存儲、狀態監測等功能；而PLC返回的報文只有通過通信協議解析才能得到CPU模塊分析需要的各項數據；最終實現CPU模塊與PLC之間的數據互傳，以及將結果顯示在觸控屏上。同時，觸控屏還能下達指令給PLC向CPU模塊發送標志位信息，以實現獲取用戶信息、進行串戶檢測等功能。

圖3 人機交互系統通信實現過程

本文設計使用通信協議為FATEK通信協議。該協議中，整個通信采用主站發送和接收的方式，PLC內部無需特定梯形圖編程實現下位機通信程序。

3.1 信息格式

在FATEK通信協議中，主站發出的命令信息與PLC發出的響應信息均被分為6個數據域，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）為對應的十六進制數02H，接收方以此來判斷傳輸資料的開始；PLC站號為兩位十六進制數，永宏PLC的站號可以將其設置為1～255，即為對應的1H～FFH；指令號碼為兩位十六進制數，根據不同的指令，可以實現不同的功能。

本文資料可為0～500個ASCII字符，在命令信息中，此信息用于指定命令所要運作或存取的對象及要寫入的數值；校驗是為了保證數據傳遞過程沒有少傳、多傳、誤傳等操作，FATEK通信協議采用的校驗方式是縱向冗余校驗（LCR）；結束字符（ETX）為對應的十六進制數03H，接收方以此來判斷此次通信的結束。

3.2 通信指令

FATEK通信協議有多種指令，常用的幾種描述見表1。

表1 FATEK常用通信指令

本文設計系統主要使用了指令44、45、46、47來實現用戶信息的輸入、信號發生以及顯示結果。

4 系統設計與試驗

圖5所示是本文所設計基于PLC的串戶檢測觸控人機交互系統總體結構，主要包括3個部分，即應用層、數據層和通信層。基于模塊化的設計思想，分別對觸控屏界面、功能、PLC通信進行設計，最后進行聯合調試，在降低工程復雜度的同時，也便于功能的擴展。

圖5 人機交互系統總體結構圖

應用層主要是通過觸控屏來實現各模塊的功能，包括信息輸入、信號查詢、信息發生以及結果顯示。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；信息查詢主要實現接收并查看戶主信息（姓名、電話號碼等）功能；信號發生模塊主要是向檢測裝置發送串戶檢測指令；結果顯示實現的是接收并顯示串戶檢測狀態的結果。

數據層主要是將PLC作為中間環節，進行數據的寫入與讀取以及地址狀態位的改變。通信程序在串戶檢測裝置起動時將實時讀取PLC內部緩存器的信息，并將其傳輸給CPU模塊以便于進行串戶檢測。

通信層實現的是PLC與CPU模塊建立通信的功能，保證雙方能夠可靠通信：報文上傳時，通過通信程序解析得到數據進行分析；報文下發時，通信程序將其傳達給PLC進行數據寫入與讀取以及狀態位改變。

4.1 系統設計

綜合考慮產品的經濟性以及設計難度，本文設計人機交互系統選用步科ET070型號的觸控屏，PLC選用了永宏FBs系列FBS-10MAR2-AC，HMI組態軟件選用Kinco HMIware，PLC編程軟件選用WinProladder，通信協議選用FATEK通信協議，PLC與觸控屏之間選用RS232進口通信，PLC與CPU模塊選用RS232進行通信。

1）觸控屏界面與功能設計

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連接設置，在“HMI”選用匹配的ET070型號觸控屏，在“PLC”選項選擇匹配的FATEK FB型號PLC，在“通信連接”選擇串口通信將二者的COM0口連接。根據永宏PLC硬件參數，在觸摸屏模塊COM0串口設置通信類型、數據位、波特率、奇偶校驗位以及停止位。

圖6 Kinco HMIware主界面

觸控屏人機交互主界面的設計如圖7所示。選擇右側HMI下拉菜單，選中主菜單畫布進行設計，該界面主要布置包括“信息核對”、“開始校驗”兩大功能模塊。完成后的觸屏主界面如圖8所示。

圖7 人機交互主界面設計

圖8 完成后的觸屏主界面

信息核對模塊包含信息輸入以及戶主信息查詢，完成后的信息核對界面如圖9（a）所示。其中，房間號可以由用戶輸入或者通過掃碼槍掃入信息，CPU模塊采集到相應數據之后，通過數據庫匹配將戶主姓名縮寫以及電話號碼返回并顯示。完成后的校驗模塊界面如圖9（b）所示，主要實現信號發生以及結果顯示的功能。一旦用戶點擊“啟動負載”，即可啟動串戶檢測，待CPU模塊分析完成后將結果返回，并使得對應結果信號燈由綠轉紅。

圖9 觸控屏功能模塊分界面

在將界面及功能設置完成后，在各功能模塊屬性設置關聯的PLC緩存變量地址以及狀態地址，以實現PLC與觸控屏的數據交互。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界面與功能設計

圖10所示為WinProladder主界面，新建工程后選擇PLC對應型號即可進行編程工作。

圖10 WinProladder主界面

根據FATEK通信協議，CPU模塊向PLC發送報文時，PLC內部無需設計相應的梯形圖即可進行相應指令操作，并返回相應報文實現與人機交互系統的數據傳遞。但為了便于人機交互系統的功能擴展，在工程內設計了包含主程序區與子程序區（WRITE、READ、DETECT、RESULT）的梯形圖，如圖11所示，具體功能還可以根據后期需求進行添加。

圖11 主程序區與子程序區梯形區

設置完成后進行編譯，連接并將工程下載到PLC硬件，在工具欄選擇“PLC”→“設定”→“通信參數”，保證通信端口對應的通信類型、數據位、波特率、奇偶校驗位以及停止位等參數一致。

3）串戶檢測系統通信設計

在將硬件配置好后，需對人機交互進行通信的設計。根據2.1及2.2中FATEK通信協議的通信格式以及通信指令，結合串戶檢測系統需要的功能，設計了以下實現用戶信息輸入、信號發生以及顯示結果的指令，見表2。

其中，寫入電話號碼、讀取電話號碼、讀取房號、寫入姓名是實現CPU模塊與PLC進行數據交換的功能；寫入狀態位（包括正常、串戶、反接）、狀態位復位是實現串戶檢測結果返回并顯示在觸控屏的功能；讀取狀態位是實現觸控屏通過PLC向CPU模塊發送檢測信號的功能。

4.2 試驗與測試

圖12所示為本文設計基于PLC與觸控屏的人機交互系統硬件測試接線與上電效果圖。測試旨在通過電腦端利用串口調試工具在線向PLC發送相應的指令，模擬CPU模塊，檢測所設計各項功能的實現效果。其中，步科ET070觸控屏由24V直流電源供電，FBS-10MAR2-AC型號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USB方式連線。

1）用戶信息輸入功能測試

在觸屏主界面選擇“信息核對”，進入到子界面1，點擊“用戶名輸入”，跳出鍵盤，輸入房間號“2019”，并確認輸入，如圖13（a）所示；在調試工具中，發送“讀取房間號”命令，接收到對應的房間號信息，如圖13（b）所示。

表2 用戶串戶檢測系統通信指令

圖12 人機交互系統硬件測試接線與上電效果圖

圖13 信息輸入功能測試界面

2）用戶信息查詢功能測試

房間號輸入之后，PC端得到數據可以進行相應數據匹配，以寫入用戶姓名（縮寫）、用戶電話號碼指令發送報文的用戶信息查詢功能測試界面如圖14所示。

3）檢測信號發生功能測試

在主界面選擇“開始檢測”進入到子界面2，點擊“啟動負載”，按鈕狀態變為“啟動中”，如圖15（a）所示；調試助手發送狀態為查詢指令，得到的結果如圖15（b）所示，可見目標狀態位由0置1，監測系統可根據此標志位開始下一步串戶檢測工作。

圖14 用戶信息查詢功能測試界面

圖15 信號發生功能測試界面

4）檢測結果顯示功能測試

當CPU模塊通過算法檢測出結果時，將發送對應的指令給PLC以改變狀態位，分別如圖16（a）—圖16（c）所示，測試結果分別如圖16（d）—圖16（f）所示，可見均能有效返回結果。

圖16ab 結果顯示功能測試界面

圖16cd 結果顯示功能測試界面

圖16ef 結果顯示功能測試界面

5 結論

本文基于PLC與觸控屏設計實現串戶檢測人機交互系統，論述了人機交互環節的功能、作用和設計過程。試驗測試結果表明，該人機交互系統能夠滿足對串戶檢測系統的功能要求，實現信息輸入、信息查詢、信號發生以及結果顯示等功能，便捷地實現與主站之間的數據互傳；可為串戶檢測系統提供更好的人機交互性能，且易于功能模塊擴展，對新型智能化用戶串戶檢測裝置的研發具有實用意義和應用價值。