基于AM3359的多通信方式用電采集控制終端的設(shè)計與應(yīng)用

范繼寧，劉 寅，謝小敏

（重慶市電力公司，重慶 401123）

基于AM3359的多通信方式用電采集控制終端的設(shè)計與應(yīng)用

范繼寧，劉 寅，謝小敏

（重慶市電力公司，重慶 401123）

基于ARM Cortex-A8的微控制器AM3359的智能控制終端是一種具有能夠?qū)崿F(xiàn)自組網(wǎng)、多種通信方式融合、良好的人機交互功能的用電信息采集系統(tǒng)終端。介紹了該系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)和設(shè)計方案，闡述了多通信方式的實現(xiàn)和精細化控制的原理和設(shè)計方法。應(yīng)用證明，該終端可以應(yīng)用在各種工礦企業(yè)、城市建筑和路燈系統(tǒng)中，性價比高，穩(wěn)定可靠。

AM3359；用電信息采集；多通信方式；精細化控制

用電信息采集控制系統(tǒng)是一個微型系統(tǒng)，包括需求側(cè)管理終端、采集監(jiān)控模塊、通信網(wǎng)路、顯示單元等，而用電信息采集控制終端（以下簡稱“終端”）是該系統(tǒng)最重要的組成部分，終端的主要功能為企業(yè)用電信息的采集以及企業(yè)內(nèi)部有序用電的精細化管理，可以在滿足用電管理的同時，通過功能擴展支持對其他能源數(shù)據(jù)及狀態(tài)的采集及管理，如：水、汽、油的流量、壓力、溫度等參數(shù)。具有接口可擴展、現(xiàn)場安裝方便、操作和使用界面友好的特點，可根據(jù)現(xiàn)場實際需要，支持集中布置或分布式布置。

1 當(dāng)前用電信息采集控制終端應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前需求側(cè)管理系統(tǒng)多采用單一的電力負荷管理終端作為主要控制負荷、節(jié)約電能的裝置。主要根據(jù)DL/T 698—2008、DL/T 614—2007等標(biāo)準(zhǔn)要求提供相應(yīng)的功能，包括公變計量基本硬件、專變檢測基本硬件等；采用現(xiàn)場控制的方式，支持1—8路開關(guān)量輸入的采集功能，1—8路脈沖輸出的控制功能；通過RS485作為通信方式，每路RS485支持32個測量表計，內(nèi)部主要采用基于ARM9架構(gòu)的AT91SAM9260作為主控芯片，存儲容量為64 M的FLASH，數(shù)據(jù)可重復(fù)擦寫3年時間。當(dāng)前終端主要應(yīng)用于專線用戶，具有4輪控制功能。主要的不足是不能支持更多輪的精細化控制和精細化采集，無線通信和組網(wǎng)功能不足，只適合現(xiàn)場有線方式的使用，同時與企業(yè)生產(chǎn)和工作互動不足，不能很好體現(xiàn)企業(yè)工況，不能使企業(yè)生產(chǎn)者了解各工序的能耗情況。針對節(jié)能降耗的基本要求和方法，目前研制出了一種增加了企業(yè)能耗監(jiān)控和精細化采集和控制的用電信息采集控制終端。

2 新型多通信控制終端的特點

2.1 新型終端應(yīng)用體系架構(gòu)

該終端與以往的電力負荷控制終端應(yīng)用基本類似，分為2部分：一部分為用電信息控制終端,負責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，終端基于嵌入式32位RISC處理器ARM平臺上擴展方式實現(xiàn)。硬件采用AM3359處理器作為主要基礎(chǔ)，軟件采用嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)。顯示器采用7英寸以上的彩色觸摸屏，支持各種主流通信方式；另一部分為實現(xiàn)精細化控制而采用的各種采集模塊、控制模塊、傳感器等，采集各種傳感器設(shè)備（壓力傳感器、電能表、液體流量計、霍爾傳感器、頻率計等）的用電信息，根據(jù)分站用電情況，計算出各分站子系統(tǒng)的用電信息，將電耗情況上報電網(wǎng)公司的主臺軟件系統(tǒng)。圖1展示了終端系統(tǒng)的體系。根據(jù)現(xiàn)場條件，靈活選取合適的通信組件，支持集中式或分布式的組網(wǎng)方式。

圖1 終端系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

2.2 新型終端設(shè)計方案

終端采用的是AM3359作為主控芯片。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 終端系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

終端軟件架構(gòu)如圖3，分為3個層次：操作系統(tǒng)層、平臺層及應(yīng)用層，實際上，平臺層及應(yīng)用層均屬于操作系統(tǒng)的應(yīng)用，它們運行于操作系統(tǒng)之上，利用操作系統(tǒng)提供各種服務(wù)。

所有的與硬件直接相關(guān)的工作全部放在操作系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)，平臺層通過操作系統(tǒng)提供的API服務(wù)完成對設(shè)備的操作。在實際的實現(xiàn)中，將與業(yè)務(wù)相關(guān)的一些驅(qū)動或設(shè)備文件封裝起來，形成一個業(yè)務(wù)庫。

圖3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

操作系統(tǒng)利用API為負控平臺提供服務(wù)，負控平臺通過將基礎(chǔ)功能封裝利用API為應(yīng)用服務(wù)或以獨立程序的方式利用進程間通信為應(yīng)用層提供服務(wù)，這樣各層間的界面將非常清晰，也避免高耦合的情況發(fā)生。由于各層以二進制方式提供，在接口不改變的情況下，某一層內(nèi)部的修改不會影響到其他層的工作。

2.3 新型終端功能特色

新型需求側(cè)終端的主要特色是加入了更多適合企業(yè)用戶生產(chǎn)特色的功能，可以實現(xiàn)目前在用終端不能實現(xiàn)的精細化采集與控制、企業(yè)綜合能效管理、互動式的查詢與人機交互功能等。

2.3.1 分散式采集與控制

所謂分散式采集與控制是通過多路通信方式，將分散在各遠方的控制點通過映射方式靈活的在主站中加以配置。主站不需要對從設(shè)備進行管理；而主設(shè)備通過從設(shè)備的采集功能來實現(xiàn)分散式采集優(yōu)點。如圖4所示，對于本地的控制和采集節(jié)點來說，有1—2路RS485，這2個端口可以直接連接采集或控制設(shè)備，也可以通過控制和采集模塊，來延伸和擴展控制的節(jié)點數(shù)。對于控制，終端最多可以實現(xiàn)64輪，每輪的物理位置可以是在主終端上，也可以是接在主終端的控制模塊上，更可以在跟主終端對應(yīng)的從終端上。而從終端是一個功能相對簡單的小終端，通過小型無線電臺、以太網(wǎng)以及470 MHz實現(xiàn)自組網(wǎng)功能。圖4中云表示的就是從終端的組網(wǎng)方式是靈活和多樣的。從終端可以與主終端距離相距較遠，這樣有利于大型企業(yè)不同生產(chǎn)部門間的能耗統(tǒng)計和負荷統(tǒng)計與控制。從終端下也連接了數(shù)量不等的控制采集模塊，可以測量不同類型的表計數(shù)據(jù)，統(tǒng)一通過數(shù)據(jù)字典得到控制邏輯所需數(shù)據(jù)及參數(shù)，進行當(dāng)?shù)氐拈]環(huán)控制和遙控，完成告警、記錄；通過平臺提供的控制輸出驅(qū)動實現(xiàn)對閘的控制輸出；告警維護；通過擴展的規(guī)約實現(xiàn)對電、水、氣、煤等不同能源量的統(tǒng)計和控制功能。

圖4 分散式采集與控制

2.3.2 能耗統(tǒng)計與計算

能耗統(tǒng)計與計算功能主要是實現(xiàn)在線監(jiān)測整個企業(yè)的生產(chǎn)能耗動態(tài)過程，收集生產(chǎn)過程中大量分散的用電及能耗數(shù)據(jù)，提供實時及歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析、對比功能，以發(fā)現(xiàn)能源消耗過程和結(jié)構(gòu)中存在的問題，建立企業(yè)能耗評估、管理體系，提高企業(yè)能源效率水平。

能效管理的主要內(nèi)容如圖5顯示的框架。主要有5個部分組成：

圖5 能耗管理主要功能

?能耗顯示：在線監(jiān)測整個企業(yè)的生產(chǎn)能耗動態(tài)信息（電、煤、水、油、氣），現(xiàn)場運行管理人員可了解和掌握生產(chǎn)工序的實時能耗狀況、能耗變化趨勢等信息。

?能耗統(tǒng)計：終端將采集到的能耗數(shù)據(jù)與相對應(yīng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)相結(jié)合（此數(shù)據(jù)需企業(yè)錄入），進行技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)、單位產(chǎn)品綜合能耗、工序能耗的統(tǒng)計（以日、月為周期）。

?能耗對比：終端可按不同需要靈活設(shè)置對比參數(shù)，在不同時段（日、月為周期）、不同工序進行環(huán)比和同比，同時生成能耗圖表。

?班組對比：終端可按不同需要靈活設(shè)置對比參數(shù)，在不同時段下（日、月為周期），針對不同工序的班組進行環(huán)比和同比，同時生成能耗圖表。

?數(shù)據(jù)錄入可以輸入當(dāng)前所選時間的生產(chǎn)信息（總產(chǎn)值、總產(chǎn)量、總增加值）。錄入內(nèi)容可以按照時間、總產(chǎn)量、總產(chǎn)值、總增加值選擇列表。

2.3.3 人機交互與顯示

根據(jù)終端平臺的硬件資源，數(shù)據(jù)交互采用USB方式，在顯示控制板上建立和主控板上一樣的存儲方式，顯示的內(nèi)容為主頁面，分為：實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析、參數(shù)配置、終端信息、系統(tǒng)管理、調(diào)試信息、控制狀態(tài)等。設(shè)計時采用10英寸的可觸摸的液晶顯示器，與當(dāng)前的負控終端相比，屏幕更大，交互更好。如圖6所示。

圖6 實時交互的查詢測量信息

3 應(yīng)用與展望

本系統(tǒng)終端可以實現(xiàn)普通電力負荷控制管理系統(tǒng)的基本功能，并通過模塊化的設(shè)計方法實現(xiàn)功能擴展，可以合理統(tǒng)計和計算每個裝置下用電負荷的信息，根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)特點和總負荷指標(biāo)，智能判斷和調(diào)節(jié)不同生產(chǎn)單位的供需能耗。系統(tǒng)實現(xiàn)了豐富、靈活的組網(wǎng)方式，具備過程可視化以及有序用電管理功能，為實現(xiàn)企業(yè)綜合能效管理留下了豐富的接口，便于精細化管理。系統(tǒng)為有效實施用電監(jiān)控、推行階梯定價、開展負荷管理和線損分析提供了技術(shù)支撐，最終達到錯峰用電、負荷預(yù)測和節(jié)約用電成本等目的。

Design of multy?communication mode power acquisition control terminal based on the AM3359

FAN Ji?ning,LIU Yin,XIE Xiao?min
（Chongqing Electric Power Company,Chongqing 401123,China）

This paper introduces a design based on ARM Cortex?A8 micro controller AM3359 intelligent control terminals,the terminal has can realize AD hoc network,a variety of commu?nication mode fusion,good interactive function.Detailed introduc?es the system of main structure,the system hardware and software design,this paper focuses on the realization of the more communi?cation mode and fine control principle and design method.Appli?cations show that the terminal can be used in various industrial and mining enterprises,energy consumption enterprise and urban architecture and street lamp system,the cost performance is high,stable and reliable.

AM3359;electricity information collection;mu?lti?commutations;fine control

TP273；TM764

B

1009-1831（2013）01-0048-03

2012-10-26