燃氣遠程抄表系統(tǒng)的合理實現(xiàn)

摘 要

摘要：分析現(xiàn)有燃氣表遠程集抄系統(tǒng)及其優(yōu)缺點，提出一種新型燃氣表遠程集抄系統(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)的實現(xiàn)。關(guān)鍵詞：遠程抄表；集中器；采集器
摘要：分析現(xiàn)有燃氣表遠程集抄系統(tǒng)及其優(yōu)缺點，提出一種新型燃氣表遠程集抄系統(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)的實現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：遠程抄表；集中器；采集器；無源直讀燃氣表
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)燃氣表集抄系統(tǒng)分析
   集抄系統(tǒng)最主要的功能就是在一定的時間內(nèi)(每天或每月)定時自動地將燃氣表的數(shù)據(jù)傳送給主站。這個系統(tǒng)主要由燃氣表、集抄設(shè)備、主站組成。燃氣表負責計量，集抄設(shè)備負責抄收燃氣表數(shù)據(jù)并傳給主站，主站進行數(shù)據(jù)分析、輸出報表、與營銷系統(tǒng)對接等工作。主站還要有一定判斷問題的能力，并作出相應(yīng)標記或報警。
1.1 燃氣表
    目前可用于集抄系統(tǒng)的燃氣表主要有脈沖式燃氣表和無源直讀式燃氣表兩種。脈沖式燃氣表用于集抄系統(tǒng)，必須有穩(wěn)定可靠的電源支持。集抄設(shè)備采集燃氣表的輸出脈沖，累計相加計算用氣量。外界電磁干擾、機械振動和傳感器退磁等都會使采集的信號受到影響，經(jīng)常導(dǎo)致燃氣表計數(shù)器數(shù)據(jù)和遠程抄讀的數(shù)據(jù)不一致。脈沖式燃氣表集抄系統(tǒng)在運行前需要初始化，這需要專業(yè)人員和設(shè)備才能進行。敷設(shè)通信線時采用分線制，即每戶需單獨布通信線，系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜、施工量大、調(diào)試困難、造價高。
    無源直讀式燃氣表的原理是在每一位字輪的一側(cè)設(shè)置固定的光電發(fā)射源，在與其對應(yīng)的字輪上設(shè)置反射面或接收點，利用多個(一般5個)接收點或反射面的不同位置狀態(tài)來判斷字輪轉(zhuǎn)到某個數(shù)的位置，從而確定所對應(yīng)的數(shù)據(jù)。它的電子部分平時不工作、無功耗，不受電磁干擾影響。在抄表瞬間由外部給燃氣表的電子部分供電，直接讀取表計量的實時數(shù)據(jù)，因此遠傳數(shù)據(jù)和燃氣表顯示數(shù)據(jù)絕對相等，沒有誤差。因為平時不帶電，所以整機故障率和功耗大大降低，使用壽命更長，系統(tǒng)也更穩(wěn)定。無源直讀式燃氣表集抄系統(tǒng)使用前不需要初始化。采用總線布線方式、任意的拓撲結(jié)構(gòu)。在敷設(shè)通信線時要用4芯線纜，兩根用于通信，兩根用于給燃氣表的電子部分供電。系統(tǒng)構(gòu)成簡單，施工量小，調(diào)試容易，造價低[1～3]。
1.2 集中器和通信
    集中器通過通信總線與無源直讀燃氣表直接相連。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)用在這個系統(tǒng)里不是很合適。
    無線方式?jīng)]有施工布線的工作量，但是要求燃氣表支持無線方式，那么燃氣表必須自帶電源。電池須燃氣表用戶定期更換，這就不能充分體現(xiàn)公益企業(yè)的服務(wù)理念。無線系統(tǒng)的核心問題是供電問題，是本系統(tǒng)的最大障礙。目前還沒有實際應(yīng)用的證據(jù)證明已有效地解決了無線燃氣表的供電問題。因此，無線方式的應(yīng)用并不多。CAN總線通信的可靠性、實時性都是最好的，但是它的成本也是比較高的。遠程抄表系統(tǒng)對實時性的要求并不高，而對成本卻有一定要求，因此，CAN總線通信在現(xiàn)場應(yīng)用也不多。
    與上述幾種通信方式相比，RS485和M-BUS總線用在燃氣表集抄系統(tǒng)中更合適。RS485和M-BUS總線都是采用普通雙絞線，按任意拓撲結(jié)構(gòu)，布線簡單靈活。M-BUS總線與RS485總線相比，M-BUS可以支持更長的距離和更多的節(jié)點，而且抗干擾能力比RS485強，通信速率比RS485高，但成本比RS485總線高。無論是采用RS485總線還是M-BUS總線，在敷設(shè)通信總線的時候，應(yīng)同時再敷設(shè)兩根電源線給直讀式燃氣表的電子部分供電。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相應(yīng)等級浪涌保護器來防止雷擊電磁脈沖對信息產(chǎn)品的侵害[4]。
    集中器與主站的數(shù)據(jù)傳送大多數(shù)還要通過一個通信管理器或通信適配器的設(shè)備，這個設(shè)備采用GPRS、CDMA或3G的模塊等實現(xiàn)。集中器通過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(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臺集中器管理120～160塊燃氣表[2]。
2 居民小區(qū)燃氣表集抄系統(tǒng)的實現(xiàn)
2.1 居民小區(qū)燃氣表集抄系統(tǒng)組成和通信
    居民小區(qū)燃氣表集抄系統(tǒng)見圖1。系統(tǒng)由3部分組成，即燃氣表、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遍所轄的燃氣表，這個過程需要通過采集器轉(zhuǎn)發(fā)配合完成。集中器把數(shù)據(jù)保存在儲存器中然后等待主站發(fā)命令讀取。主站每天或每月定時讀取集中器內(nèi)的數(shù)據(jù)，也可以通過集中器和采集器實時地讀取燃氣表的數(shù)據(jù)。這個系統(tǒng)中燃氣表選用無源直讀燃氣表。
 

    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。但一般主站都在燃氣公司，距離小區(qū)很遠，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。或短距離無線通信。這是因為總線方式最大的缺點就是施工量大?？偩€的敷設(shè)在一棟樓內(nèi)施工難度和施工量還不算大，但要在整個小區(qū)內(nèi)施工，無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總線的長度不可太長(一般不大于500m)，總線上節(jié)點數(shù)也有限制(RS485小于32個節(jié)點，M-BUS小于500個節(jié)點)，否則整個系統(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)燃氣表的數(shù)量安裝1臺或多臺采集器。這樣把布線這項有施工量、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，但是它最大的優(yōu)點是省去了布線的麻煩。并且隨著技術(shù)的進步，電力線載波通信采用過零點監(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，電表的實時抄表成功率基本能達到95%以上，電表日凍結(jié)(集中器每天保存每塊電表的一個數(shù)據(jù))數(shù)據(jù)成功率全部達到100%。按這個結(jié)果考慮，燃氣表集抄系統(tǒng)的應(yīng)用是滿足要求的。無線通信方式也可供選擇。無線通信方式的可靠性和穩(wěn)定性都比電力線載波通信好，但無線通信方式的造價比電力線載波通信高出很多。
   燃氣表通過RS485或M-BUS總線與采集器相連。總線在敷設(shè)時應(yīng)用4芯電纜，其中2根作為通信線，另2根給燃氣表的電子部分提供電源。布線施工時可任意拓撲結(jié)構(gòu)布線。1臺采集器下最多帶32只燃氣表。采集器可以放置在樓梯電表箱內(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。因為在同一個樓內(nèi)，距離不會太遠，用戶數(shù)量也不會很多，M-BUS的硬件實現(xiàn)比RS485接口的成本要高，所以采集器選用RS485接口。
2.2 集中器的實現(xiàn)
   集中器主要任務(wù)就是通過采集器把燃氣表的數(shù)據(jù)抄回、儲存和等待主站的命令。集中器要有日凍結(jié)或月凍結(jié)燃氣表數(shù)據(jù)的自動任務(wù)，即每天或每月1次自動輪抄1遍所帶的燃氣表，并將數(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、儲存器、日歷時鐘等模塊。集中器通過上行通信模塊接收主站命令，判斷是要采集燃氣表的歷史數(shù)據(jù)還是實時數(shù)據(jù)，如果是歷史數(shù)據(jù)，則從集中器的儲存器內(nèi)直接讀取數(shù)據(jù)并通過上行通信模塊發(fā)給主站；如果是實時數(shù)據(jù)，則集中器通過下行通信模塊經(jīng)采集器轉(zhuǎn)發(fā)給燃氣表，然后采集器再把燃氣表返回的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)回集中器，集中器再通過上行通信模塊發(fā)給主站。另外，集中器還要對保存在其內(nèi)部的數(shù)據(jù)進行分析，以確定燃氣表是否有故障，并將有故障燃氣表的信息主動上傳給主站。
    集中器的任務(wù)較多，主站抄讀實時數(shù)據(jù)時也要求集中器有一定的實時性要求，這就要求集中器中的微處理器(MCU)有較高的運算速率。集中器的通信接口較多，要求集中器至少有3個通用異步串行接口(UART)：1個UART和上行通信模塊通信，1個UART和下行通信模塊通信，另1個UART設(shè)計成RS485接口，這個RS485接口主要用于當集中器和采集器距離很近時，集中器直接通過這個RS485接口和采集器直接通信，而不需要通過下行通信模塊了。集中器內(nèi)選擇同步串行接口(SPI)的儲存器，它具有接線少、儲存量大的優(yōu)點。MCU需要有至少1個SPI接口。集中器做日凍結(jié)數(shù)據(jù)和月凍結(jié)數(shù)據(jù)時所需要的日歷時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)和計算機通信技術(shù)的發(fā)展，能實現(xiàn)這樣功能的MCU有很多。集中器設(shè)計時還要內(nèi)置防雷器件。集中器硬件框圖見圖2。
 

    集中器外殼選用國家電網(wǎng)公司企業(yè)標準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。外形見圖3?？梢钥吹?，這個外殼上面有上行通信模塊和下行通信模塊兩個小盒子，這兩個小盒子采用了可插拔設(shè)計。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)計時先規(guī)定好集中器和這兩個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)計都遵守這個協(xié)議。根據(jù)現(xiàn)場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 采集器的實現(xiàn)
    采集器的任務(wù)就是轉(zhuǎn)發(fā)集中器和燃氣表之間的通信數(shù)據(jù)，并在抄讀燃氣表的時候短暫地給燃氣表的電子部分供電。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，但采集器只要在軟件上做些改進就能極大地彌補這一缺點，例如能短時間地儲存燃氣表的數(shù)據(jù)。這樣當給集中器返回的燃氣表數(shù)據(jù)因信道不穩(wěn)定而丟失時，集中器再次下發(fā)抄這塊表的數(shù)據(jù)時，采集器就不用再去抄燃氣表了，而是很快地直接返回采集器儲存的數(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，儲存容量不需要太大，采集器MCU要有至少3個UART，還要有給燃氣表供電單元。采集器的硬件框圖見圖4。MCU的1個UART和上行通信模塊相連，2個UART設(shè)計成RS485總線。這2個RS485接口，1個是和燃氣表通信用，1個保留和集中器通信。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MCU控制1個繼電器給直讀式燃氣表的電子部分供電。
 

    采集器外殼選用國家電網(wǎng)公司企業(yè)標準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，其外形見圖5。
 

   外殼上有1個上行通信模塊的小盒子，這個小盒子也采用可插拔的設(shè)計，它的作用是和集中器進行通信。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。給燃氣表供電的電源線和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準化。
3 結(jié)語
    本套燃氣表集抄系統(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)備上實現(xiàn)通信單元的模塊化，通信規(guī)約的標準化，集抄設(shè)備的統(tǒng)一化。遠程抄表系統(tǒng)應(yīng)該用適合的技術(shù)，做適合的應(yīng)用，最終達到優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。就目前的技術(shù)來看，本方案是一套比較合理解決居民小區(qū)用戶的燃氣表、水表、熱表等不帶電計量設(shè)備的遠程集中抄表方案。而且，電表的集抄也能很容易地加到這個系統(tǒng)里，最終可以構(gòu)建成四表集中統(tǒng)一管理的綜合自動遠程抄表系統(tǒng)。
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(本文作者：董佩 陜西省燃氣設(shè)計院 陜西西安 710043)