📚 课程目录第2章 Modbus TCP 电表数据采集

2. Modbus TCP 电表数据采集

任务目标

通过以太网使用 Modbus TCP 协议连接智能电表，读取电压（寄存器地址 0x0000）、电流（0x0001）、有功功率（0x0002）三个关键电量参数，并验证读取数据的正确性。本案例使用 Modbus 从站模拟器作为电表替代设备，确保无硬件条件下可完整复现。

环境依赖

Python 3.8+
安装依赖：pip install pymodbus==3.6.9
Modbus 从站模拟器（如 Modbus Slave、diagslave 或 pymodbus 自带的模拟器），用于模拟电表寄存器数据

完整实现代码

from pymodbus.client import ModbusTcpClient
import time

# 电表 Modbus 寄存器地址映射（以某型号电表为例）
REG_ADDRS = {
    "voltage": 0x0000,      # 电压 (V)，放大10倍存储
    "current": 0x0001,      # 电流 (A)，放大100倍存储
    "power":   0x0002       # 有功功率 (W)，放大10倍存储
}

# 各参数的数据缩放系数（根据电表说明书设定）
SCALE_FACTORS = {
    "voltage": 10.0,
    "current": 100.0,
    "power":   10.0
}

def read_meter_data(host: str, port: int = 502, unit_id: int = 1, timeout: int = 3):
    """
    从 Modbus TCP 电表读取电压、电流、功率数据。
    返回: dict，包含三个参数的原始寄存器值和物理值。
    """
    client = ModbusTcpClient(host, port=port, timeout=timeout)
    if not client.connect():
        raise ConnectionError(f"无法连接 Modbus TCP 设备 {host}:{port}")

    result = {}
    try:
        for param, addr in REG_ADDRS.items():
            # 读取保持寄存器（功能码 0x03），每个参数占1个寄存器
            rr = client.read_holding_registers(address=addr, count=1, slave=unit_id)
            if rr.isError():
                raise RuntimeError(f"读取 {param} 失败: {rr}")

            raw_value = rr.registers[0]
            physical_value = raw_value / SCALE_FACTORS[param]
            result[param] = {
                "raw": raw_value,
                "value": round(physical_value, 2)
            }
    finally:
        client.close()

    return result

if __name__ == "__main__":
    # 从站模拟器地址（根据实际环境修改）
    METER_HOST = "127.0.0.1"
    METER_PORT = 5020   # 模拟器监听端口

    # 连续读取3次，间隔1秒，验证数据稳定性
    for i in range(3):
        try:
            data = read_meter_data(METER_HOST, METER_PORT)
            print(f"第 {i+1} 次读取:")
            print(f"  电压: {data['voltage']['value']} V (原始值: {data['voltage']['raw']})")
            print(f"  电流: {data['current']['value']} A (原始值: {data['current']['raw']})")
            print(f"  功率: {data['power']['value']} W (原始值: {data['power']['raw']})")
        except Exception as e:
            print(f"读取失败: {e}")
        time.sleep(1)

运行与验证

启动从站模拟器：在本地启动 Modbus TCP 从站模拟器，监听端口 5020，从站地址（Unit ID）设为 1。在模拟器中预设以下寄存器值：
地址 0x0000 = 2200（表示 220.0V）
地址 0x0001 = 500（表示 5.00A）
地址 0x0002 = 11000（表示 1100.0W）
运行脚本：python modbus_meter.py
判定通过条件：程序连续 3 次成功读取数据，且输出值与模拟器预设值一致——电压显示 220.0V、电流显示 5.0A、功率显示 1100.0W。若读取失败或数值偏差超过 0.1，则检查网络连接、寄存器地址或缩放系数配置。

常见问题

连接超时：确认模拟器已启动且端口号、IP 地址正确；检查防火墙是否放行 TCP 端口。
读取错误（Illegal Data Address）：模拟器中未在对应地址设置寄存器值，需在从站配置中添加地址 0x0000~0x0002 的保持寄存器。
数值偏差：不同型号电表的寄存器缩放系数可能不同，请以实际电表说明书为准修改 SCALE_FACTORS。