交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院 剛紅潤 陳書雪 閆 磊
綠色公路能耗數(shù)據(jù)采集控制器設(shè)計(jì)
交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院 剛紅潤 陳書雪 閆 磊
在綠色公路建設(shè)過程和運(yùn)營管理過程中,需要對其中的能耗占比較大的項(xiàng)目,如橋梁、隧道建設(shè)(柴油、汽油用量),收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)運(yùn)營管理(用電量)開展相應(yīng)的節(jié)能減排工作,采取措施降低消耗。因此,需要對關(guān)鍵能源消耗實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,以達(dá)到隨時(shí)掌握實(shí)際情況,采取相應(yīng)措施降低排放量的目的。本文設(shè)計(jì)一種通用設(shè)備,配合不同種類的智能傳感器采集不同種類的能源消耗量,并通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)中心。
綠色公路;能源監(jiān)測;節(jié)能減排;交通信息化
綠色公路按照三低一高(低能耗、低排放、低污染和高效率)的核心價(jià)值理念。在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營、養(yǎng)護(hù)等階段中,將綠色低碳理念貫穿于整個(gè)過程中,把降低能耗及排放納入核心建設(shè)目標(biāo),運(yùn)用全壽命周期理論進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃設(shè)計(jì),在建設(shè)施工過程中采取新材料、新工藝、新方法、新能源,在運(yùn)營養(yǎng)護(hù)階段采用節(jié)能減排措施,達(dá)到綠色低碳的目標(biāo)。而如何衡量節(jié)能減排效果,大部分都采取后期數(shù)據(jù)填報(bào),定性分析的辦法,這種方法有如下問題:
(1)數(shù)據(jù)為后期填報(bào),具有一定的滯后性。
(2)不同消耗主體不同種類能源消耗,使的數(shù)據(jù)匯總難度較大。
(3)對沒有及時(shí)上報(bào)或不具備上報(bào)條件的能源消耗只能采用定性分析的手段,導(dǎo)致結(jié)論說服力不足。
針對以上問題,開發(fā)了能耗監(jiān)測管理系統(tǒng),而各種能耗數(shù)據(jù)如何自動(dòng)匯集到管理系統(tǒng)中,是隨之出現(xiàn)的問題。
隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,各種智能傳感器應(yīng)用于能源消耗測量中。本文設(shè)計(jì)一種通用采集控制設(shè)備能采集不同種類的傳感器的數(shù)字信號,并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)中。
能耗監(jiān)測采集控制器的邏輯功能圖如圖1所示:
圖1 邏輯功能圖
采集控制器主要分為通信單元、采集單元和協(xié)議單元三個(gè)部分。幾個(gè)單元的主要作用如下。
適配不同種類的傳感器接口,接收智能傳感器發(fā)送的數(shù)字信號原始數(shù)據(jù)。
電能量采集單元是一種脈沖計(jì)數(shù)模塊,通過對電能表的脈沖輸出進(jìn)行計(jì)數(shù),實(shí)現(xiàn)電能量采集功能。燃?xì)饬坎杉瘑卧且唤M模擬量輸入采集模塊,通過對燃?xì)鉁u輪流量計(jì)的輸出信號進(jìn)行分析處理,得到實(shí)時(shí)燃?xì)饬髁恐?。油量采集單?水量采集是一組模擬量輸入采集模塊,通過對柴油渦輪流量計(jì)的輸出信號進(jìn)行分析處理,得到實(shí)時(shí)柴油流量值。
協(xié)議單元存儲(chǔ)采集單元相關(guān)協(xié)議并提供設(shè)置接口,同時(shí)解析采集單元傳入的數(shù)字信號原始數(shù)據(jù),根據(jù)不同類型的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的單位或進(jìn)制換算,并組裝成專用協(xié)議包。
其中,電能表通信規(guī)約處理單元實(shí)現(xiàn)DL/T 645-1997《多功能電能表通信規(guī)約》,對電能表的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。ModBus通信規(guī)約處理單元實(shí)現(xiàn)柴油流量計(jì)和燃?xì)饬髁坑?jì)的通信接口協(xié)議,對流量計(jì)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。
接收由協(xié)議單元封裝好的專用協(xié)議包,根據(jù)設(shè)置調(diào)用不同的通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。
本設(shè)備配置的通信模塊為RS485、RS232、以太網(wǎng)通信模塊和GPRS通信模塊。其中RS485和RS232模塊使用在近距離通信場景中,使用數(shù)據(jù)線直接與上位機(jī)相連傳輸數(shù)據(jù);以太網(wǎng)通信模塊使用的遠(yuǎn)距離通信場景中,使用固定以太網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)中心;GPRS無線通信模塊使用在遠(yuǎn)距離且沒有固定網(wǎng)絡(luò)的場景中,通過移動(dòng)運(yùn)營商的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)中心。
以GPRS無線通信為例,說明一下數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。能耗監(jiān)測采集設(shè)備與數(shù)據(jù)中心服務(wù)器之間通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信,采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP以太網(wǎng)協(xié)議,完成整個(gè)數(shù)據(jù)通信交換過程。
一般幀格式的定義如下。
說明:多字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸時(shí),高位在前,低位在后。
以電量數(shù)據(jù)上傳為例,經(jīng)協(xié)議單元轉(zhuǎn)換,封包格式如下:
序號域長度Byte值說明0 Head 2 0xA8EB通信協(xié)議標(biāo)識1 Length 2需計(jì)算發(fā)送數(shù)據(jù)長度(Byte),不包含Length 2 Frame Type 1 0x80設(shè)備向上位機(jī)發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)3 Command Flag 1 0x40電量數(shù)據(jù)上傳4 Content N具體的內(nèi)容包括:設(shè)備邏輯編號:4字節(jié)。鐵塔的經(jīng)緯度:8字節(jié)經(jīng)度:4字節(jié),精確到0.001度維度:4字節(jié),精確到0.001度設(shè)備當(dāng)前狀態(tài):1字節(jié)0:數(shù)據(jù)有效,狀態(tài)正常;非0:表示數(shù)據(jù)無效,具體的錯(cuò)誤類型如下:1:通信超時(shí)2:幀長度錯(cuò)誤3:校驗(yàn)不正確4:地址不正確5:命令號不正確6:數(shù)據(jù)長度不正確電表有功功率KWh:4字節(jié)精確到2位小數(shù)電表無功功率KWh:4字節(jié)精確到2位小數(shù)5 XOR 1異或值
以搭載GPRS模塊的采集控制器為例,與能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)配合的設(shè)備部署圖如圖2所示:
圖2 設(shè)備部署圖
1)系統(tǒng)通過控制采集器采集柴油消耗量、電能消耗量、天然氣消耗量數(shù)據(jù),通過GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò),傳輸?shù)奖O(jiān)測中心;
2)采集控制器可以通過485通信接口,獲取柴油流量計(jì)的計(jì)量數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后,通過GPRS通信模塊,將總量數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心;
3)現(xiàn)場采集控制器可以通過485通信接口,獲取天然氣流量計(jì)的計(jì)量數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后,通過GPRS通信模塊,將總量數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心;
4)現(xiàn)場采集控制器可以通過485通信接口,獲取電能表的計(jì)量數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后,通過GPRS通信模塊,將總量數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心;
5)傳感器支持電池供電方式,當(dāng)市電丟失時(shí),能繼續(xù)保持?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)量功能,當(dāng)市電恢復(fù)后,采集控制器立刻讀取計(jì)量數(shù)據(jù)上傳,保證掉電不影響系統(tǒng)監(jiān)測功能;
6)GPRS無線通信支持掉線自動(dòng)重連功能,避免無線信號不穩(wěn)定造成系統(tǒng)通信故障;
本文設(shè)計(jì)了一種新型的能耗數(shù)據(jù)采集控制器,能采集不同種類的能源消耗數(shù)量,并采用專用協(xié)議,根據(jù)不同應(yīng)用場景采用不同傳輸方式,將能耗數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。給綠色公路施工和運(yùn)營期的占比較大的能耗項(xiàng)目進(jìn)行節(jié)能減排方案制定提供數(shù)據(jù)支撐,為能耗數(shù)據(jù)可視化提供了底層硬件保證。
[1]剛紅潤.綠色公路建設(shè)期能耗監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子世界,2016,10.
[2]貴州盤興高速公路創(chuàng)建綠色公路實(shí)施方案(2015-2017年).