燃?xì)膺h(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的合理實(shí)現(xiàn)

摘 要

摘要：分析現(xiàn)有燃?xì)獗磉h(yuǎn)程集抄系統(tǒng)及其優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種新型燃?xì)獗磉h(yuǎn)程集抄系統(tǒng)，探討了其組成、通信方式以及系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備(集中器和采集器)的實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程抄表；集中器；采集器
摘要：分析現(xiàn)有燃?xì)獗磉h(yuǎn)程集抄系統(tǒng)及其優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種新型燃?xì)獗磉h(yuǎn)程集抄系統(tǒng)，探討了其組成、通信方式以及系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備(集中器和采集器)的實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程抄表；集中器；采集器；無(wú)源直讀燃?xì)獗?/span>
Reasonable Realization of Gas Meter Remote Reading System
DONG Pei
Abstract：The present gas meter remote centralized reading system as well as its advantages and disadvantages are analyzed.A new gas meter remote centralized reading system is proposed，and its composition，communication mode and realization of key equipment including concentrator and acquisition unit in the system are discussed.
Key words：remote meter reading；concentrator；acquisition unit；passive direct-reading gas meter
1 現(xiàn)有居民小區(qū)燃?xì)獗砑到y(tǒng)分析
   集抄系統(tǒng)最主要的功能就是在一定的時(shí)間內(nèi)(每天或每月)定時(shí)自動(dòng)地將燃?xì)獗淼臄?shù)據(jù)傳送給主站。這個(gè)系統(tǒng)主要由燃?xì)獗?、集抄設(shè)備、主站組成。燃?xì)獗碡?fù)責(zé)計(jì)量，集抄設(shè)備負(fù)責(zé)抄收燃?xì)獗頂?shù)據(jù)并傳給主站，主站進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、輸出報(bào)表、與營(yíng)銷系統(tǒng)對(duì)接等工作。主站還要有一定判斷問(wèn)題的能力，并作出相應(yīng)標(biāo)記或報(bào)警。
1.1 燃?xì)獗?/span>
    目前可用于集抄系統(tǒng)的燃?xì)獗碇饕忻}沖式燃?xì)獗砗蜔o(wú)源直讀式燃?xì)獗韮煞N。脈沖式燃?xì)獗碛糜诩到y(tǒng)，必須有穩(wěn)定可靠的電源支持。集抄設(shè)備采集燃?xì)獗淼妮敵雒}沖，累計(jì)相加計(jì)算用氣量。外界電磁干擾、機(jī)械振動(dòng)和傳感器退磁等都會(huì)使采集的信號(hào)受到影響，經(jīng)常導(dǎo)致燃?xì)獗碛?jì)數(shù)器數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程抄讀的數(shù)據(jù)不一致。脈沖式燃?xì)獗砑到y(tǒng)在運(yùn)行前需要初始化，這需要專業(yè)人員和設(shè)備才能進(jìn)行。敷設(shè)通信線時(shí)采用分線制，即每戶需單獨(dú)布通信線，系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜、施工量大、調(diào)試?yán)щy、造價(jià)高。
    無(wú)源直讀式燃?xì)獗淼脑硎窃诿恳晃蛔州喌囊粋?cè)設(shè)置固定的光電發(fā)射源，在與其對(duì)應(yīng)的字輪上設(shè)置反射面或接收點(diǎn)，利用多個(gè)(一般5個(gè))接收點(diǎn)或反射面的不同位置狀態(tài)來(lái)判斷字輪轉(zhuǎn)到某個(gè)數(shù)的位置，從而確定所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。它的電子部分平時(shí)不工作、無(wú)功耗，不受電磁干擾影響。在抄表瞬間由外部給燃?xì)獗淼碾娮硬糠止╇姡苯幼x取表計(jì)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，因此遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)和燃?xì)獗盹@示數(shù)據(jù)絕對(duì)相等，沒(méi)有誤差。因?yàn)槠綍r(shí)不帶電，所以整機(jī)故障率和功耗大大降低，使用壽命更長(zhǎng)，系統(tǒng)也更穩(wěn)定。無(wú)源直讀式燃?xì)獗砑到y(tǒng)使用前不需要初始化。采用總線布線方式、任意的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在敷設(shè)通信線時(shí)要用4芯線纜，兩根用于通信，兩根用于給燃?xì)獗淼碾娮硬糠止╇?。系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，施工量小，調(diào)試容易，造價(jià)低[1～3]。
1.2 集中器和通信
    集中器通過(guò)通信總線與無(wú)源直讀燃?xì)獗碇苯酉噙B。通信總線方式有多種選擇，如RS485總線、M-BUS總線、CAN總線、短距離無(wú)線等通信方式。大多數(shù)集抄系統(tǒng)采用RS485總線或M-BUS總線[4]，其他幾種通信方式應(yīng)用在這個(gè)系統(tǒng)里不是很合適。
    無(wú)線方式?jīng)]有施工布線的工作量，但是要求燃?xì)獗碇С譄o(wú)線方式，那么燃?xì)獗肀仨氉詭щ娫?。電池須燃?xì)獗碛脩舳ㄆ诟鼡Q，這就不能充分體現(xiàn)公益企業(yè)的服務(wù)理念。無(wú)線系統(tǒng)的核心問(wèn)題是供電問(wèn)題，是本系統(tǒng)的最大障礙。目前還沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用的證據(jù)證明已有效地解決了無(wú)線燃?xì)獗淼墓╇妴?wèn)題。因此，無(wú)線方式的應(yīng)用并不多。CAN總線通信的可靠性、實(shí)時(shí)性都是最好的，但是它的成本也是比較高的。遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求并不高，而對(duì)成本卻有一定要求，因此，CAN總線通信在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用也不多。
    與上述幾種通信方式相比，RS485和M-BUS總線用在燃?xì)獗砑到y(tǒng)中更合適。RS485和M-BUS總線都是采用普通雙絞線，按任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，布線簡(jiǎn)單靈活。M-BUS總線與RS485總線相比，M-BUS可以支持更長(zhǎng)的距離和更多的節(jié)點(diǎn)，而且抗干擾能力比RS485強(qiáng)，通信速率比RS485高，但成本比RS485總線高。無(wú)論是采用RS485總線還是M-BUS總線，在敷設(shè)通信總線的時(shí)候，應(yīng)同時(shí)再敷設(shè)兩根電源線給直讀式燃?xì)獗淼碾娮硬糠止╇?。另外，如果總線在室外架空布線，容易遭到雷擊。因此，這種情況下，應(yīng)在每棟樓的傳輸線入口處增加一個(gè)相應(yīng)等級(jí)浪涌保護(hù)器來(lái)防止雷擊電磁脈沖對(duì)信息產(chǎn)品的侵害[4]。
    集中器與主站的數(shù)據(jù)傳送大多數(shù)還要通過(guò)一個(gè)通信管理器或通信適配器的設(shè)備，這個(gè)設(shè)備采用GPRS、CDMA或3G的模塊等實(shí)現(xiàn)。集中器通過(guò)RS232接口或RS485接口和這些設(shè)備連。如果集中器與主站距離不遠(yuǎn)(在一棟樓內(nèi))，也可采用RS485總線或局域網(wǎng)的網(wǎng)線連接。這樣可以降低成本，而且通信質(zhì)量也比較可靠。一般1臺(tái)集中器管理120～160塊燃?xì)獗?sup>[2]。
2 居民小區(qū)燃?xì)獗砑到y(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
2.1 居民小區(qū)燃?xì)獗砑到y(tǒng)組成和通信
    居民小區(qū)燃?xì)獗砑到y(tǒng)見(jiàn)圖1。系統(tǒng)由3部分組成，即燃?xì)獗?、集抄設(shè)備和主站。與傳統(tǒng)方式不同的是集抄設(shè)備不再是集中器一種設(shè)備，而是由集中器和采集器組成。集中器每天或每月輪抄1遍所轄的燃?xì)獗恚@個(gè)過(guò)程需要通過(guò)采集器轉(zhuǎn)發(fā)配合完成。集中器把數(shù)據(jù)保存在儲(chǔ)存器中然后等待主站發(fā)命令讀取。主站每天或每月定時(shí)讀取集中器內(nèi)的數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)集中器和采集器實(shí)時(shí)地讀取燃?xì)獗淼臄?shù)據(jù)。這個(gè)系統(tǒng)中燃?xì)獗磉x用無(wú)源直讀燃?xì)獗怼?/span>
 

    集中器和主站之間的通信方式可以選擇GPRS、CDMA、3G或短信的通信方式。如果距離很近，可以選擇局域網(wǎng)網(wǎng)線或RS485總線的通信方式。但一般主站都在燃?xì)夤荆嚯x小區(qū)很遠(yuǎn)，用得最多的是GPRS和CDMA的通信方式。
    集中器和采集器之間最好的通信方式是電力線載波通信一?；蚨叹嚯x無(wú)線通信。這是因?yàn)榭偩€方式最大的缺點(diǎn)就是施工量大。總線的敷設(shè)在一棟樓內(nèi)施工難度和施工量還不算大，但要在整個(gè)小區(qū)內(nèi)施工，無(wú)論是架空布置還是埋地敷設(shè)，難度和施工量都非常大。而且，RS485或M-BUS總線的長(zhǎng)度不可太長(zhǎng)(一般不大于500m)，總線上節(jié)點(diǎn)數(shù)也有限制(RS485小于32個(gè)節(jié)點(diǎn)，M-BUS小于500個(gè)節(jié)點(diǎn))，否則整個(gè)系統(tǒng)的傳輸特性發(fā)生很大變化，通信不穩(wěn)定。如果集中器和采集器之間距離很近并且布線很容易，那么RS485或M-BUS總線的通信方式也是可以考慮的。每棟樓根據(jù)燃?xì)獗淼臄?shù)量安裝1臺(tái)或多臺(tái)采集器。這樣把布線這項(xiàng)有施工量、有施工難度的工作放在一棟樓內(nèi)，避免總線在室外架空或埋地敷設(shè)，減小總線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，降低施工難度，提高通信的可靠性。電力線載波通信雖然有可靠性差、通信不穩(wěn)定、易受外界干擾等缺點(diǎn)，但是它最大的優(yōu)點(diǎn)是省去了布線的麻煩。并且隨著技術(shù)的進(jìn)步，電力線載波通信采用過(guò)零點(diǎn)監(jiān)控通信、軟件自組網(wǎng)等方式，使抄表成功率和穩(wěn)定性都大大提高。電表行業(yè)的集抄系統(tǒng)已經(jīng)大量采用了電力線載波的通信方式，電表的實(shí)時(shí)抄表成功率基本能達(dá)到95%以上，電表日凍結(jié)(集中器每天保存每塊電表的一個(gè)數(shù)據(jù))數(shù)據(jù)成功率全部達(dá)到100%。按這個(gè)結(jié)果考慮，燃?xì)獗砑到y(tǒng)的應(yīng)用是滿足要求的。無(wú)線通信方式也可供選擇。無(wú)線通信方式的可靠性和穩(wěn)定性都比電力線載波通信好，但無(wú)線通信方式的造價(jià)比電力線載波通信高出很多。
   燃?xì)獗硗ㄟ^(guò)RS485或M-BUS總線與采集器相連?？偩€在敷設(shè)時(shí)應(yīng)用4芯電纜，其中2根作為通信線，另2根給燃?xì)獗淼碾娮硬糠痔峁╇娫?。布線施工時(shí)可任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)布線。1臺(tái)采集器下最多帶32只燃?xì)獗?。采集器可以放置在樓梯電表箱?nèi)，可以從樓梯間燈借用電源，這樣采集器供電可以很容易地解決。因?yàn)樵谕粋€(gè)樓內(nèi)，距離不會(huì)太遠(yuǎn)，用戶數(shù)量也不會(huì)很多，M-BUS的硬件實(shí)現(xiàn)比RS485接口的成本要高，所以采集器選用RS485接口。
2.2 集中器的實(shí)現(xiàn)
   集中器主要任務(wù)就是通過(guò)采集器把燃?xì)獗淼臄?shù)據(jù)抄回、儲(chǔ)存和等待主站的命令。集中器要有日凍結(jié)或月凍結(jié)燃?xì)獗頂?shù)據(jù)的自動(dòng)任務(wù)，即每天或每月1次自動(dòng)輪抄1遍所帶的燃?xì)獗?，并將?shù)據(jù)保存作為歷史日凍結(jié)或月凍結(jié)數(shù)據(jù)。這樣要求集中器帶有上行通信單元、下行通信單元、儲(chǔ)存器、日歷時(shí)鐘等模塊。集中器通過(guò)上行通信模塊接收主站命令，判斷是要采集燃?xì)獗淼臍v史數(shù)據(jù)還是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如果是歷史數(shù)據(jù)，則從集中器的儲(chǔ)存器內(nèi)直接讀取數(shù)據(jù)并通過(guò)上行通信模塊發(fā)給主站；如果是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，則集中器通過(guò)下行通信模塊經(jīng)采集器轉(zhuǎn)發(fā)給燃?xì)獗?，然后采集器再把燃?xì)獗矸祷氐臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)回集中器，集中器再通過(guò)上行通信模塊發(fā)給主站。另外，集中器還要對(duì)保存在其內(nèi)部的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以確定燃?xì)獗硎欠裼泄收?，并將有故障燃?xì)獗淼男畔⒅鲃?dòng)上傳給主站。
    集中器的任務(wù)較多，主站抄讀實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)也要求集中器有一定的實(shí)時(shí)性要求，這就要求集中器中的微處理器(MCU)有較高的運(yùn)算速率。集中器的通信接口較多，要求集中器至少有3個(gè)通用異步串行接口(UART)：1個(gè)UART和上行通信模塊通信，1個(gè)UART和下行通信模塊通信，另1個(gè)UART設(shè)計(jì)成RS485接口，這個(gè)RS485接口主要用于當(dāng)集中器和采集器距離很近時(shí)，集中器直接通過(guò)這個(gè)RS485接口和采集器直接通信，而不需要通過(guò)下行通信模塊了。集中器內(nèi)選擇同步串行接口(SPI)的儲(chǔ)存器，它具有接線少、儲(chǔ)存量大的優(yōu)點(diǎn)。MCU需要有至少1個(gè)SPI接口。集中器做日凍結(jié)數(shù)據(jù)和月凍結(jié)數(shù)據(jù)時(shí)所需要的日歷時(shí)鐘大多采用兩線制串行接口(TWI)，這就需要MCU要有TWI接口。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的發(fā)展，能實(shí)現(xiàn)這樣功能的MCU有很多。集中器設(shè)計(jì)時(shí)還要內(nèi)置防雷器件。集中器硬件框圖見(jiàn)圖2。
 

    集中器外殼選用國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 375.2—2009《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)型式規(guī)范：集中器型式規(guī)范》中的集中器外殼。外形見(jiàn)圖3?？梢钥吹?，這個(gè)外殼上面有上行通信模塊和下行通信模塊兩個(gè)小盒子，這兩個(gè)小盒子采用了可插拔設(shè)計(jì)。左邊小盒子是和采集器通信的通信模塊，右邊小盒子是和主站通信的通信模塊。集中器在設(shè)計(jì)時(shí)先規(guī)定好集中器和這兩個(gè)通信模塊之間的通信協(xié)議和物理層的接口，所有通信模塊的設(shè)計(jì)都遵守這個(gè)協(xié)議。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)選擇通信方式的不同更換不同的通信模塊，這樣就大大提高產(chǎn)品的適應(yīng)能力。
 

2.3 采集器的實(shí)現(xiàn)
    采集器的任務(wù)就是轉(zhuǎn)發(fā)集中器和燃?xì)獗碇g的通信數(shù)據(jù)，并在抄讀燃?xì)獗淼臅r(shí)候短暫地給燃?xì)獗淼碾娮硬糠止╇?。采集器和集中器之間的通信采用了電力線載波通信方式。電力線載波通信有通信不穩(wěn)定、易受干擾的缺點(diǎn)，但采集器只要在軟件上做些改進(jìn)就能極大地彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，例如能短時(shí)間地儲(chǔ)存燃?xì)獗淼臄?shù)據(jù)。這樣當(dāng)給集中器返回的燃?xì)獗頂?shù)據(jù)因信道不穩(wěn)定而丟失時(shí)，集中器再次下發(fā)抄這塊表的數(shù)據(jù)時(shí)，采集器就不用再去抄燃?xì)獗砹?，而是很快地直接返回采集器?chǔ)存的數(shù)據(jù)，這樣就使抄表成功率大大提高。采集器也要求采用可更換的通信模塊，儲(chǔ)存容量不需要太大，采集器MCU要有至少3個(gè)UART，還要有給燃?xì)獗砉╇妴卧?。采集器的硬件框圖見(jiàn)圖4。MCU的1個(gè)UART和上行通信模塊相連，2個(gè)UART設(shè)計(jì)成RS485總線。這2個(gè)RS485接口，1個(gè)是和燃?xì)獗硗ㄐ庞茫?個(gè)保留和集中器通信。如果采集器和集中器距離很近，就用保留的RS485接口直接和集中器相連。同時(shí)MCU控制1個(gè)繼電器給直讀式燃?xì)獗淼碾娮硬糠止╇姟?/span>
 

    采集器外殼選用國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 375.3—2009《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)型式規(guī)范：采集器型式規(guī)范》中的外殼，其外形見(jiàn)圖5。
 

   外殼上有1個(gè)上行通信模塊的小盒子，這個(gè)小盒子也采用可插拔的設(shè)計(jì)，它的作用是和集中器進(jìn)行通信。模塊的通信方式要和集中器下行通信選擇相同的通信方式。給燃?xì)獗砉╇姷碾娫淳€和RS485總線從采集器的輔助端子輸出。采集器與上行通信模塊的通信協(xié)議和物理接口都要標(biāo)準(zhǔn)化。
3 結(jié)語(yǔ)
    本套燃?xì)獗砑到y(tǒng)在通信方式上利用現(xiàn)有的公共通信網(wǎng)絡(luò)，極大地減少了施工量，最大程度地降低了系統(tǒng)的成本。在設(shè)備上實(shí)現(xiàn)通信單元的模塊化，通信規(guī)約的標(biāo)準(zhǔn)化，集抄設(shè)備的統(tǒng)一化。遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)應(yīng)該用適合的技術(shù)，做適合的應(yīng)用，最終達(dá)到優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。就目前的技術(shù)來(lái)看，本方案是一套比較合理解決居民小區(qū)用戶的燃?xì)獗?、水表、熱表等不帶電?jì)量設(shè)備的遠(yuǎn)程集中抄表方案。而且，電表的集抄也能很容易地加到這個(gè)系統(tǒng)里，最終可以構(gòu)建成四表集中統(tǒng)一管理的綜合自動(dòng)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)。
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(本文作者：董佩 陜西省燃?xì)庠O(shè)計(jì)院 陜西西安 710043)