基于虛擬串口和組態(tài)技術(shù)的電能計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)

王世營,王　偉（山東新華制藥股份有限公司,山東　淄博　255005）

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基于虛擬串口和組態(tài)技術(shù)的電能計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)

王世營,王偉
（山東新華制藥股份有限公司,山東淄博255005）

摘 要：設(shè)計(jì)了基于虛擬串口和組態(tài)技術(shù)的電能計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)。采取虛擬串口技術(shù)在采集主機(jī)上虛擬大量串口，通過組態(tài)軟件中的設(shè)備驅(qū)動(dòng)和OPC功能與電能表直接通訊，完成數(shù)據(jù)采集。應(yīng)用組態(tài)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、人機(jī)界面、報(bào)表、WEB發(fā)布等功能。

關(guān)鍵詞：電能計(jì)量；虛擬串口；串口服務(wù)器；組態(tài)技術(shù)

0　引言

電能計(jì)量是現(xiàn)代企業(yè)能源計(jì)量的一個(gè)重要部分，傳統(tǒng)的電能計(jì)量方式是依靠人工定期到現(xiàn)場讀抄數(shù)據(jù)，在實(shí)時(shí)性，準(zhǔn)確性和應(yīng)用性等方面往往不能滿足計(jì)量要求。傳統(tǒng)的電能計(jì)量方式耗費(fèi)了大量人工成本，工作效率卻非常低。

電能計(jì)量自動(dòng)化技術(shù)也稱為電能自動(dòng)抄表技術(shù)，是一種基于計(jì)算機(jī)、通信等技術(shù)的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、傳輸、處理系統(tǒng)，它是一種不需要人到達(dá)現(xiàn)場就能完成電能計(jì)量的智能化管理系統(tǒng)。它克服了傳統(tǒng)的電能計(jì)量方式存在的缺陷，對提高企業(yè)的能源管理水平和經(jīng)濟(jì)效益具有重要的意義。

1　電能計(jì)量自動(dòng)化技術(shù)的現(xiàn)狀

目前電能計(jì)量自動(dòng)化技術(shù)研究很多，但仍然存在以下問題。

（1）應(yīng)用范圍窄。應(yīng)用主要對象是電廠、供電局等供電單位，或者是一些特大型企業(yè)，適用于中小企業(yè)的電能計(jì)量系統(tǒng)的研究很少。

（2）電表通訊協(xié)議不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)采集的不便，造成技術(shù)門檻高。

（3）應(yīng)用難度大，資金門檻高。在當(dāng)前電能計(jì)量自動(dòng)化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，不算通信信道大部分都是采取電表、采集器和主站得三層布局結(jié)構(gòu)。需要專門編程、調(diào)試，投資大，施工周期長，進(jìn)而制約了其在廣大中小企業(yè)中的推廣[1,2]。

本文設(shè)計(jì)的基于虛擬串口和組態(tài)技術(shù)的電能計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)，放棄了傳統(tǒng)的布局結(jié)構(gòu)，不再采用數(shù)據(jù)采集器、集中器或者轉(zhuǎn)儲(chǔ)器，而是采取虛擬串口技術(shù)在采集主機(jī)上虛擬大量串口與電能表直接通訊，無需編程，通過簡單設(shè)置即可完成數(shù)據(jù)通訊。通過組態(tài)軟件中的設(shè)備驅(qū)動(dòng)和OPC功能完成對不同通訊協(xié)議電能表的通訊。應(yīng)用組態(tài)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、人機(jī)界面、報(bào)表、WEB發(fā)布等功能。它開發(fā)簡單、資金投入少，施工時(shí)間短，特別適用于中小企業(yè)或?qū)崟r(shí)性要求不高的積算式計(jì)量儀表的數(shù)據(jù)采集處理。

2　工作原理

系統(tǒng)主要由電表、通信網(wǎng)絡(luò)和采集主機(jī)三大部分組成。它完成電能數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理。采集系統(tǒng)采用C/S(client/sever)模式的結(jié)構(gòu)。電能表是服務(wù)器, 所有的原始數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在電能表中。主站中運(yùn)行的采集軟件為客戶, 采集軟件定時(shí)向電表發(fā)指令請求采集數(shù)據(jù)。采集軟件循環(huán)向每一個(gè)電表請求采集數(shù)據(jù), 完成對電能數(shù)據(jù)的連續(xù)采集。主站通過通信網(wǎng)絡(luò)與電能表直接通訊，中間沒有數(shù)據(jù)采集器。

3　系統(tǒng)構(gòu)成

3.1主要硬件設(shè)備

3.1.1智能電表

電表處于數(shù)據(jù)采集的最前端,是電能數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的計(jì)量元件, 其精度將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的電能計(jì)量精度。電表的通訊協(xié)議類型和電表的位置分布，決定整個(gè)電能計(jì)量系統(tǒng)的通訊方式和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)中的電表通訊協(xié)議有Modbus和DTL/645電力規(guī)約兩種類型。

3.1.2串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)器

串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)器是串口設(shè)備和以太網(wǎng)之間的橋梁，串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)器是獨(dú)立的基于IP的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可以按照需要為采集主機(jī)擴(kuò)充大量的串口，它可以在串口和以太網(wǎng)口之間進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)采用了MOXA5150型號(hào)的串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)器。有了串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)器，采集主機(jī)可以通過以太網(wǎng)來控制大量分散的串口設(shè)備，串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)器支持以太網(wǎng)直接無差錯(cuò)的訪問，通過簡單的設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)所有的控制和傳輸過程。它能讓W(xué)indows NT主站像接收標(biāo)準(zhǔn)串口的數(shù)據(jù)一樣接收來自于虛擬串口的數(shù)據(jù)。

3.2通信方案

數(shù)據(jù)傳輸通道是聯(lián)系電表和采集主機(jī)的橋梁，也是電能計(jì)量系統(tǒng)中的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)通信方案的選取要綜合考慮電表通訊協(xié)議、電表位置分布、技術(shù)水平和投資成本等因素。很多情況下，某種通訊方案被最終選用并不表示經(jīng)濟(jì)利益和技術(shù)要求的最大滿足，而只是權(quán)衡了各方面因素后的折中。

3.2.1電表與串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)器的連接方式

電表主要集中在各個(gè)低壓配電室內(nèi)，每個(gè)配電室內(nèi)有幾個(gè)至幾十個(gè)智能電表。每個(gè)配電室內(nèi)配備1到2個(gè)串口服務(wù)器即可滿足數(shù)據(jù)采集需要。串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)器與智能電表采用RS485總線連接的方式，主要基于以下三點(diǎn)：

（1）目前工業(yè)現(xiàn)場中許多設(shè)備仍然使用RS-485接口通訊，支持RS485通訊協(xié)議的儀表多。在工業(yè)現(xiàn)場RS485/MODBUS是很流行的一種布網(wǎng)方式，在低端市場RS485/MODBUS甚至是最主要的組網(wǎng)方式。另外RS485的轉(zhuǎn)換接口不僅便宜而且種類繁多。

（2）RS485總線具有良好的抗干擾性且施工簡單方便。因?yàn)镽S485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸，RS485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)只需二根連線。

（3）由于串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)器和電表都在配電室內(nèi)，通訊距離短，不需要RS485總線長距離通訊。由于平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，其最大傳輸速率為10Mb/s，這樣能使得數(shù)據(jù)以較高的速率傳輸。

3.2.2串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)器與主站的連接方式

新華制藥配電室的特點(diǎn)是分散，而且距離距采集主站比較遠(yuǎn)，單純的RS485總線無法滿足傳輸要求。由于光纖通訊的距離非常長，能滿足廠區(qū)內(nèi)電氣環(huán)境復(fù)雜下抗干擾的需要，因此在配電室內(nèi)的串口服務(wù)器和主站之間采用了以光纖為媒介的工業(yè)以太網(wǎng)相互連接。

3.2.3以太網(wǎng)與RS485總線的連接

采用串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)器作為連接以太網(wǎng)和RS485總線的橋梁實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)和RS485總線對接，即讓現(xiàn)有傳統(tǒng)的RS485串口設(shè)備，立即轉(zhuǎn)換成具備網(wǎng)絡(luò)界面的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

采集主機(jī)通過以太網(wǎng)與各個(gè)配電室的串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)器通訊，每個(gè)串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)器有一個(gè)IP地址和與之對應(yīng)的多個(gè)虛擬串口。位于各個(gè)配電室的串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)器與配電室的RS485接口的電能表采用總線型結(jié)構(gòu)連接。具有相同通訊協(xié)議的電表共用一個(gè)虛擬串口與采集主機(jī)通訊。即一個(gè)配電室的串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)器的數(shù)量由電表的通訊協(xié)議的種類數(shù)決定。在主站上的組態(tài)軟件中可以方便的使用不同的電能通訊協(xié)議和設(shè)備驅(qū)動(dòng)采集不同的通訊協(xié)議的電表數(shù)據(jù)。

采集主機(jī)與串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)器互聯(lián)，僅僅是通過以太網(wǎng)來延伸主站串口距離,無需編程和驅(qū)動(dòng)程序,通過簡單設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)兩者通訊；主站可以訪問多個(gè)同IP段下的串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)器。串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)器提供一種虛擬串口訪問方式,用戶只需要安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序,即可在主站上產(chǎn)生多個(gè)由驅(qū)動(dòng)程序仿真出來的虛擬串口，每個(gè)虛擬串口用于訪問相應(yīng)的串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)器上連接的電表。用戶只需打開由軟件中虛擬的串口即可透明訪問遠(yuǎn)端串口設(shè)備。因?yàn)樗信c串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)器有關(guān)的以太網(wǎng)控制和傳輸過程都由驅(qū)動(dòng)程序代予完成，所以串口服務(wù)器能夠輕松跨越路由器連接終端設(shè)備，而不必過問復(fù)雜的以太網(wǎng)訪問過程。

4　采集主機(jī)

4.1采集主機(jī)數(shù)據(jù)處理

采集主機(jī)是電能計(jì)量系統(tǒng)的指揮調(diào)度中心和應(yīng)用表現(xiàn)層, 配以網(wǎng)絡(luò)接口、外設(shè)及相應(yīng)的軟件構(gòu)成。主要用來采集數(shù)據(jù)并執(zhí)行相應(yīng)的通訊管理、完成數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ), 數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計(jì)分析、提供人機(jī)界面、數(shù)據(jù)查詢、輸出、電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測、電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量監(jiān)測、乃至與其他系統(tǒng)的跨平臺(tái)鏈接,為節(jié)能措施及調(diào)度提供數(shù)據(jù)。主站的開發(fā)主要是應(yīng)用軟件開發(fā)。因此中心工作站的硬件必須有一定的運(yùn)算和存儲(chǔ)能力。軟件上要求操作系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，必須具有處理大量數(shù)據(jù)的能力。本系統(tǒng)采用的是紫金橋6.5版本組態(tài)軟件。

基于組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括電量的統(tǒng)計(jì)和分析、采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢、檢索、維護(hù)和故障報(bào)警、報(bào)表統(tǒng)計(jì)和打印輸出。開發(fā)過程中,每一項(xiàng)功能作為一個(gè)單獨(dú)的子系統(tǒng), 在不同的界面中完成。以組態(tài)軟件為中心的電能數(shù)據(jù)的處理系統(tǒng)完成對數(shù)據(jù)的顯示、報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)的查詢、報(bào)表, 以及根據(jù)不同時(shí)段、不同費(fèi)率, 對不同的用戶產(chǎn)生不同的處理, 如電費(fèi)結(jié)算、電量的考核、用電的監(jiān)察以及電能數(shù)據(jù)的分析應(yīng)用等。

4.2數(shù)據(jù)發(fā)布

數(shù)據(jù)發(fā)布模式采用B/S(browser/service)結(jié)構(gòu)。B/S結(jié)構(gòu)是隨著Java 語言和Internet 技術(shù)的興起, 對C/S(client/service)結(jié)構(gòu)的一種改進(jìn)。在B/S結(jié)構(gòu)下,軟件應(yīng)用的業(yè)務(wù)邏輯完全在應(yīng)用服務(wù)器端實(shí)現(xiàn), 用戶表現(xiàn)完全在Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn), 客戶端只需要瀏覽器即可進(jìn)行業(yè)務(wù)處理,是與C/S結(jié)構(gòu)不同的網(wǎng)絡(luò)信息發(fā)布構(gòu)造技術(shù)。[3]采集主機(jī)將處理后的數(shù)據(jù)，通過組態(tài)軟件的Web發(fā)布模塊，根據(jù)各部門的需要發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)，供各個(gè)客戶機(jī)瀏覽。這時(shí)采集主機(jī)同時(shí)也是Web服務(wù)器，各部門單位的計(jì)算機(jī)為客戶, 通過局域網(wǎng)訪問主站。

5　結(jié)論

（1）整個(gè)系統(tǒng)投資少，施工快，能很快投入運(yùn)行。

（2）運(yùn)行幾年來，運(yùn)行平穩(wěn)，取得了預(yù)期設(shè)計(jì)效果。

（3）整個(gè)系統(tǒng)適用于中小規(guī)模，實(shí)時(shí)性要求不高的的場合。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：王世營（1980-），男，碩士，研究方向：數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)化、機(jī)電一體化。

DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.146