基于METER—BUS總線的數(shù)字抄表集中器設(shè)計(jì)

李學(xué)敏　楊丹紅　楊盛瓊　鄧曉光

摘要：目的：研究一種新型的數(shù)字抄表集中器，與傳統(tǒng)集中器相比，該集中器單臺(tái)能掛接更多的水表，工作更穩(wěn)定。方法：分析傳統(tǒng)集中器的工作原理，集中器中的調(diào)制解調(diào)電路決定了其掛接水表的數(shù)量，研究傳統(tǒng)集中器中的調(diào)制解調(diào)電路，總結(jié)其特點(diǎn)，結(jié)合METER-BUS總線技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)集中器做出改進(jìn)以使其能掛接更多的水表。結(jié)果：（1）利用水表測(cè)試臺(tái)分別對(duì)傳統(tǒng)集中器和新型集中器進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)新型集中器能掛接更多的水表；（2）測(cè)試分為四組，讓傳統(tǒng)集中器和新型集中器分別掛接40只、60只、80只以及100只水表，新型集中器的抄表成功率能達(dá)到98%，傳統(tǒng)集中器的抄表成功率只能達(dá)到50%。結(jié)論：通過對(duì)傳統(tǒng)集中器的調(diào)制解調(diào)電路的研究和改進(jìn)，新型集中器能掛接更多的水表，抄表成功率更高。

關(guān)鍵詞：集中器；METER-BUS；智能抄表；抄表成功率

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）10-0078-03

近年來隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，各級(jí)水電管理部門的信息化程度都有了很大的提高，同時(shí)儀表集抄的模式也有所發(fā)展，目前主要有下列三種抄表方式：1）人工抄表；2）IC卡計(jì)費(fèi)抄表；3）總線制集中抄表[1].方式1和方式2中，存在漏抄、誤抄以及閥門更換困難等問題，給抄表管理工作帶來很大障礙[2]；方式3中，總線制集中抄表可隨時(shí)抄到用戶表計(jì)信息，操作簡(jiǎn)單，可及時(shí)了解用戶用量。在總線制集中抄表系統(tǒng)中，又分為有線抄表系統(tǒng)和無線抄表系統(tǒng)，無線抄表系統(tǒng)尚處在試行階段，可靠性有待進(jìn)一步驗(yàn)證[3].目前最主要的抄表方式為有線抄表，RS-485總線技術(shù)曾經(jīng)主導(dǎo)這一領(lǐng)域的應(yīng)用，但目前已經(jīng)不能適應(yīng)大量集中抄表網(wǎng)絡(luò)的需要，主要表現(xiàn)在：RS-485的通訊設(shè)備容量少，通訊速率低，不能應(yīng)用于長(zhǎng)距離戶外通訊，不能給從設(shè)備供電，同時(shí)RS-485芯片功耗較大且布線復(fù)雜，給管理和調(diào)度帶來不必要的麻煩[4].隨著METER-BUS總線技術(shù)的出現(xiàn)，RS-485總線技術(shù)在儀表集抄領(lǐng)域逐漸被淘汰，而基于METER-BUS總線技術(shù)抄表系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于抄表集中器的帶負(fù)載能力，即單個(gè)集中器能帶儀表的數(shù)量，市面上現(xiàn)有集中器的帶負(fù)載能力有限，這也使得現(xiàn)有抄表系統(tǒng)的成本居高不下，為了克服上述缺點(diǎn)和適應(yīng)當(dāng)前信息化發(fā)展的要求，我們研發(fā)了一種新的基于METER-BUS總線技術(shù)的抄表集中器。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用METER-BUS總線拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)從系統(tǒng)構(gòu)架上分為兩部分：METER-BUS主機(jī)和METER-BUS從機(jī).系統(tǒng)框圖如圖1所示：

如圖1所示，集中器在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中起承上啟下的作用.集中器有2個(gè)通信端，一端是串口，與上位機(jī)（PC機(jī)）通信，另一端是METER-BUS總線接口，與下行的線號(hào)器或儀表通信。集中器將上位機(jī)的抄表命令轉(zhuǎn)換為METER-BUS協(xié)議命令通過調(diào)制的方式下發(fā)到儀表，然后通過電流解調(diào)的方式接收儀表的信息，將它轉(zhuǎn)換為串口電平信號(hào)上傳給上位機(jī)。系統(tǒng)中，集中器、線號(hào)器以及儀表都有自己的地址，上位機(jī)以點(diǎn)名的方式抄讀儀表的數(shù)據(jù)信息。在默認(rèn)狀態(tài)下，所有的線號(hào)器處于關(guān)閉狀態(tài)，集中器與儀表斷開連接，當(dāng)收到上位機(jī)下發(fā)的抄表命令時(shí)，集中器命令掛接即將抄讀儀表的線號(hào)器閉合，即可實(shí)現(xiàn)集中器與儀表聯(lián)通，而其他不需抄讀的儀表暫時(shí)與集中器斷開，線號(hào)器在系統(tǒng)中的作用相當(dāng)于一個(gè)開關(guān).從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中可以看出，整個(gè)抄表系統(tǒng)能掛接的儀表數(shù)取決于集中器的帶負(fù)載能力。

1.1 集中器硬件設(shè)計(jì)[5]

如圖2所示，集中器在整個(gè)抄表系統(tǒng)中主要起到數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)的作用，有兩個(gè)通信口，一個(gè)與上位機(jī)通信，另一個(gè)與下行的儀表通信.電源支持無極性轉(zhuǎn)換，方便施工安裝，集中器的CPU接收到了上位機(jī)的抄表命令后，就通過下行電壓調(diào)制將命令下發(fā)到儀表，然后通過上行解調(diào)的方式接收來自儀表的數(shù)據(jù)信息，為了防止雷擊以及增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性，與上位機(jī)之間采用高壓隔離設(shè)計(jì)，與表計(jì)之間采用繼電器隔開，只在抄表的一瞬間上電，其他時(shí)段都斷開繼電器從而斷開了集中器和儀表之間的物理連接以達(dá)到防止線上串?dāng)_.本集中器設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于上行電流解調(diào)電路的設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)集中器對(duì)比，本集中器的帶負(fù)載能力更強(qiáng)。如圖3所示，上行電流解調(diào)電路由電壓基準(zhǔn)電路、高通濾波電路、放大電路及比較器電路四部分組成.上行解調(diào)電流經(jīng)電阻采樣變成電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)包含動(dòng)態(tài)負(fù)載的交流電壓成分和靜態(tài)負(fù)載的直流電壓成分，隨著集中器掛接的負(fù)載增加，直流電壓成分也增加，當(dāng)該直流成分增加到一定值，經(jīng)過放大器放大會(huì)導(dǎo)致放大器飽和不正常工作，這也嚴(yán)重影響了集中器的帶負(fù)載能力.本集中器在此處對(duì)傳統(tǒng)集中器的解調(diào)電路進(jìn)行了改進(jìn)，將取樣電壓信號(hào)中的直流電壓成分通過高通濾波電路濾除，濾除直流電壓成分后，放大器的工作參考點(diǎn)直接為地電平，即0V，這樣交流信號(hào)經(jīng)過放大后，負(fù)半軸的信號(hào)被單電源的放大器削底，發(fā)生削底失真，本設(shè)計(jì)中采用太高放大器的工作點(diǎn)來解決此問題，即將放大器的工作點(diǎn)抬高到二分之一的電源電壓，這樣整個(gè)放大電路就可以穩(wěn)定的工作在電源的中點(diǎn)上，交流信號(hào)正好均勻地分布在電源電壓中點(diǎn)附近，提高了集中器的帶負(fù)載能力，經(jīng)放大后的信號(hào)最后與放大電路的工作點(diǎn)電壓比較就可以解調(diào)出上行電流信號(hào)里面包含的信息，即儀表的數(shù)據(jù)信息.

1.2 集中器軟件設(shè)計(jì)

集中器接收上位機(jī)抄表命令，對(duì)命令進(jìn)行解析、轉(zhuǎn)發(fā)，然后通過電流解調(diào)的方式解調(diào)下行的儀表數(shù)據(jù)，最后將儀表數(shù)據(jù)封裝上傳到抄表管理系統(tǒng).集中器軟件主要包括系統(tǒng)初始化、解析上位機(jī)命令、下發(fā)抄表命令以及循環(huán)抄表四部分，程序流程圖如圖4所示。

2 結(jié)果

2.1 系統(tǒng)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)裝置：PC機(jī)一臺(tái)，水表試驗(yàn)臺(tái)（10路，每一路掛接10只水表），線號(hào)器1只，傳統(tǒng)集中器一臺(tái)，本設(shè)計(jì)集中器一臺(tái).

實(shí)驗(yàn)一：PC機(jī)連接一臺(tái)傳統(tǒng)集中器，集中器連接一只線號(hào)器，線號(hào)器下面掛接水表試驗(yàn)臺(tái)，將水表試驗(yàn)臺(tái)中的4路即40只水表接入線號(hào)器，通過上位機(jī)集抄這40只水表，讀數(shù)正確，一次性抄表成功；將水表試驗(yàn)臺(tái)的6路即60只水表接入線號(hào)器，通過上位機(jī)集抄這60只水表，讀數(shù)正確，一次性抄表成功；將水表試驗(yàn)臺(tái)的8路即80只水表接入線號(hào)器，通過上位機(jī)對(duì)這80只水表進(jìn)行集抄，讀數(shù)正確的有50只，30只不能抄回，進(jìn)行第二次補(bǔ)抄，陸續(xù)抄回10只，其他20只無法抄回?cái)?shù)據(jù)；將水表試驗(yàn)臺(tái)的10路即100只水表接入線號(hào)器，通過上位機(jī)對(duì)這100只水表進(jìn)行集抄，讀數(shù)正確的有50只，另外的50只不能抄回，進(jìn)行第二次補(bǔ)抄，剩下的50只沒有抄回?cái)?shù)據(jù).

實(shí)驗(yàn)二：PC機(jī)連接一臺(tái)本設(shè)計(jì)集中器，集中器連接一只線號(hào)器，線號(hào)器下面掛接水表試驗(yàn)臺(tái)，將水表試驗(yàn)臺(tái)中的4路即40只水表接入線號(hào)器，通過上位機(jī)集抄這40只水表，讀數(shù)正確，一次性抄表成功；將水表試驗(yàn)臺(tái)的6路即60只水表接入線號(hào)器，通過上位機(jī)集抄這60只水表，讀數(shù)正確，一次性抄表成功；將水表試驗(yàn)臺(tái)的8路即80只水表接入線號(hào)器，通過上位機(jī)對(duì)這80只水表進(jìn)行集抄，讀數(shù)正確，一次性抄表成功；將水表試驗(yàn)臺(tái)的10路即100只水表接入線號(hào)器，通過上位機(jī)對(duì)這100只水表進(jìn)行集抄，一次性抄回98只，讀數(shù)正常，進(jìn)行第二次補(bǔ)抄，讀回剩余的2只水表，數(shù)據(jù)正確.通過以上實(shí)驗(yàn)，可以得到以下數(shù)據(jù)。

2.2 測(cè)試結(jié)果對(duì)比

3 討論

從系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，本設(shè)計(jì)的集中器每個(gè)支路能帶100只水表，一次性抄表成功率達(dá)到98%以上，相比傳統(tǒng)集中器，本設(shè)計(jì)的集中器帶負(fù)載能力增加一倍，而且通信可靠性更強(qiáng)，極大地降低了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率，提高了集中器的性價(jià)比，同時(shí)也降低了工程施工的成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊娟.自動(dòng)抄表系統(tǒng)的現(xiàn)狀及應(yīng)用[J].四川電力技術(shù)，2009，32（4）：1-2.

[2] 鄧曉光.基于ZigBee和Meter-Bus技術(shù)的自動(dòng)抄表系統(tǒng)的研究及實(shí)現(xiàn)[D].昆明：云南大學(xué)，2011.

[3] Juan Yang， The Present Situation of Automatic Meter Reading System and Its Application [J].Sichuan Electric Power Technology， 2009，1-2.

[4] 李晶.居民小區(qū)自動(dòng)抄表系統(tǒng)中集中器的研究與設(shè)計(jì)[D].沈陽：沈陽理工大學(xué)，2007.

[5] Xuemin Li， Xiaoguang Deng.Design of Meter Reading Concentrator Based on METER-BUS[C]. ICAICTE2013：772-774.