城鎮(zhèn)供熱一級網(wǎng)熱計量點的數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)架構(gòu)的研究

劉冠宇 高立亮 朱國喜 常文偉

摘? 要：簡單描述城鎮(zhèn)熱電聯(lián)供一級網(wǎng)熱計量點的主要作用和工藝流程，介紹熱計量點數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?、工業(yè)無線路由器以及物聯(lián)網(wǎng)卡在城鎮(zhèn)熱電聯(lián)供一級網(wǎng)熱計量點的應用，闡述無線傳輸系統(tǒng)架構(gòu)中工業(yè)無線路由器的選型標準、產(chǎn)品屬性、配置重點等，并以物聯(lián)網(wǎng)卡作為通信基礎，搭設后臺，根據(jù)生產(chǎn)的實際需求將熱計量點的生產(chǎn)參數(shù)展示出來，文章著重表達工業(yè)無線路由器在通信、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方面的功能應用與特點。

關鍵詞：工業(yè)無線路由器;熱量表;通信;熱計量點

中圖分類號：TN929.5? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）03-0165-05

Research on Data Wireless Transmission System Architecture of Heat Metering Point in Urban Heating Primary Network

LIU Guanyu， GAO Liliang， ZHU Guoxi， CHANG Wenwei

（Shandong Shengli Tonghai Group Dongying Tianlan Energy Saving Technology Co.， Ltd.， Dongying? 257200， China）

Abstract： This paper briefly describes the main functions and process flow of heat metering points in the primary network of urban combined heat and power （CHP）， introduces the data transmission mode of heat metering points， the application of industrial wireless router and IOT card in the primary network of urban combined heat and power （CHP）， expounds the selection standard， product attributes， configuration key points of industrial wireless router in the wireless transmission system architecture， and takes IOT card as the communication basis， setting up the background， according to the actual needs of production， the production parameters of heat metering points are displayed. This paper focuses on the function application and characteristics of industrial wireless router in communication and data conversion.

Keywords： industrial wireless router; caloric table; communication; heat metering point

0? 引? 言

熱電聯(lián)供集中供暖模式，熱源利用發(fā)電廠產(chǎn)生的余熱，經(jīng)由供熱主管線輸出熱水，在重要節(jié)點處設置分支管線，再經(jīng)由各小區(qū)或生產(chǎn)區(qū)域的換熱站進行換熱，將熱量最終送至用戶。目前我市各換熱站實現(xiàn)了站內(nèi)自控系統(tǒng)全覆蓋，并且實現(xiàn)了站內(nèi)水、熱、電的計量。

在電廠與各換熱站之間的各一級管網(wǎng)，均在合理位置設置了熱計量點，其主要功能是對其所在的一級網(wǎng)分支管線進行整體的計量，包括熱力、流量、溫度等。

熱計量點工藝流程相對簡單、設備相對較少，但其數(shù)據(jù)是生產(chǎn)指揮中心調(diào)度人員進行全網(wǎng)的平衡調(diào)節(jié)的重要基礎，利用各熱計量點的數(shù)據(jù)，調(diào)度人員可以對全市整個一級網(wǎng)按熱量分配更合理，使供熱系統(tǒng)運行更經(jīng)濟，從而能夠達到降低能耗的目的。

當前我市的熱計量點的數(shù)據(jù)主要依靠各個站點的巡站人員按時間節(jié)點進行抄表、上報，個人的讀數(shù)習慣不同，因此數(shù)據(jù)存在較大的誤差，利用人工抄表的方式同時也消耗了大量的人力、物力、財力，時效性差。因此迫切需要將每一個熱計量點的生產(chǎn)參數(shù)數(shù)據(jù)分別上傳至生產(chǎn)指揮中心，以供調(diào)度人員實時監(jiān)控。

1? 工藝流程介紹

熱計量點主要分布于電廠與各換熱站之間的各一級管網(wǎng)，如圖1所示。

熱計量點內(nèi)主要包含以下設備：供水熱量表、回水熱量表、數(shù)據(jù)遠傳系統(tǒng)等，供水熱量表安裝在供水管線的直管段中，用于測量供水管線的流量、溫度、熱量等參數(shù)，回水熱量表安裝在回水管線的直管段中，用于測量回水管線的流量、溫度、熱量等參數(shù)。熱計量點內(nèi)工藝流程如圖2所示。

2? 方案確定

熱計量點的位置多處于綠化帶中、公園角落、河道邊等人煙稀少的地方，并且周圍空曠，我市的熱計量點采用板房搭建，由于其所選址位置的特殊性，也導致了房屋內(nèi)無法接入正常的220 V交流市電，并且房屋內(nèi)地下為管道井，溫度高、濕度高，對房屋內(nèi)的設施設備的選型也提出了較高的要求。

熱計量點的熱量表是通過標準的Modbus信號向外傳輸數(shù)據(jù)，485總線的通信距離可以達到1 200米。根據(jù)485總線結(jié)構(gòu)理論，在理想環(huán)境的前提下，485總線傳輸距離可以達到1 200米，但其前提條件是通信線材優(yōu)質(zhì)達標，波特率為9 600，只負載一臺485設備，才能使得通信距離達到1 200米。每處熱計量點的熱量表為2臺，并且施工使用的通信線線材阻抗不合乎標準、線徑過細、轉(zhuǎn)換器品質(zhì)不良、設備防雷保護復雜等多種因素綜合，通常485總線實際的穩(wěn)定的通信距離無法達到1 200米。

在最終確定數(shù)據(jù)遠傳的方案之前，我們考慮過如下幾個方案：

方案一：各熱計量點至生產(chǎn)指揮中心分別敷設通信線路，將數(shù)據(jù)接引至中心，該方案不可行，原因是熱計量點與生產(chǎn)指揮中心的直線距離大都數(shù)十千米，遠遠超過485總線信號的最大傳輸距離;

方案二：采用市政光纜，將數(shù)據(jù)接入生產(chǎn)指揮中心。所需設備：室外光纜熔接盒、光纖收發(fā)器、串口服務器等，但需要用到的設備基本都需要220 V交流電供電才可以正常運行，且熱計量點所處的位置大部分沒有市政光纜敷設到位;

方案三：利用無線網(wǎng)絡，協(xié)調(diào)通信公司辦理專用APN物聯(lián)網(wǎng)卡，將數(shù)據(jù)傳輸至生產(chǎn)指揮中心，在熱計量點安裝帶串口轉(zhuǎn)換功能的無線路由器，考慮到現(xiàn)場沒有220 V交流電，在其房外安裝太陽能發(fā)電裝置或風光互補發(fā)電裝置，為站內(nèi)設備提供電源;

方案四：利用無線網(wǎng)絡，協(xié)調(diào)通信公司辦理專用APN物聯(lián)網(wǎng)卡，將數(shù)據(jù)傳輸至生產(chǎn)指揮中心，現(xiàn)場安裝觸摸屏或者工控機，將熱量表的數(shù)據(jù)采集至觸摸屏或工控機，再通過普通無線路由器轉(zhuǎn)發(fā)即可，同樣利用太陽能發(fā)電裝置或風光互補發(fā)電裝置，為站內(nèi)設備提供電源;

針對以上四個實現(xiàn)方案，對比如表1所示。

通過與業(yè)主單位溝通結(jié)合，熱計量點的數(shù)據(jù)最終目的是展示在生產(chǎn)指揮中心，而熱計量點內(nèi)可不查看數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l率在每分鐘或每5分鐘更新一次就能滿足實際需求，再綜合施工難度、工期長短、費用等多種因素考慮，最終確定使用第三種方案。

在方案三的基礎上，繼續(xù)優(yōu)化了細節(jié)：

（1）無線路由器選用工業(yè)級，且要求本身攜帶RS485端口，功耗低，支持全網(wǎng)通、多頻段，并且為了保證無線路由器的信號強度和信號的穩(wěn)定性，我們?yōu)闊o線路由器選擇配備高增益的信號天線;

（2）無線路由器與熱量表通信線的接口處采用航空插頭，保證密封、耐高溫、耐振動;

（3）標準工況下，路由器的功耗按照8.1 W計算，折算電流為0.337 5 A，若電池需要保證10天即240 h以上的續(xù)航，儲能電池選用容量為100 Ah的電池;

（4）辦理物聯(lián)網(wǎng)卡，要求通信公司開通專用APN通道。

（5）由于本數(shù)據(jù)為市政重要的生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡必須要有很高的安全性，因此在生產(chǎn)指揮中心的機房內(nèi)部署防火墻硬件和軟件，防火墻可以使得在防火墻內(nèi)部的伺服主機與外界網(wǎng)絡隔絕，避免有問題的封包影響到內(nèi)部主機的安全;

最終整個數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溌啡鐖D3所示。

可以看出，工業(yè)無線路由器在傳輸?shù)逆溌分邪缪萘酥匾慕巧?，它讓傳統(tǒng)的RS485設備立即聯(lián)網(wǎng)，利用基于TCP/IP的串口數(shù)據(jù)流傳輸?shù)膶崿F(xiàn)來控制管理的設備硬件，是專為串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)設計連接的橋梁，排除了距離的限制，并且本身功耗低，符合節(jié)能環(huán)保的思想要求，下面將重點介紹本系統(tǒng)中工業(yè)無線路由器的配置設置。

3? 工業(yè)無線路由器的配置

配置無線路由器需要使用電腦，無須使用專門的應用軟件，在網(wǎng)頁即可完成操作。

為保證電腦可以正常連接到工業(yè)無線路由器，電腦設置ip為192.168.1.5，掩碼255.255.255.0，DNS設為當?shù)乜捎玫腄NS服務器或不設置，啟動瀏覽器登錄工業(yè)無線路由器，缺省ip為192.168.1.1，缺省用戶名和口令為admin，如圖4所示。

配置WAN連接類型目錄中的“連接類型”“APN”“在線保持檢測主服務器IP”“在線保持檢測副服務器IP”等參數(shù)，如圖5所示。

連接類型：根據(jù)辦理的物聯(lián)網(wǎng)卡的制式選擇相應的連接類型，本系統(tǒng)選用dhcp-4G，該方式是4G無線網(wǎng)絡模塊高速率通信網(wǎng)絡連接方式;

APN：接入點名稱，辦卡時通信商提供;

網(wǎng)絡類型選擇：有強制2G、強制3G、3G優(yōu)先、2G優(yōu)先、4G優(yōu)先等，建議選擇“Auto”即自動;

在線保持：在線保持功能用于檢測Internet鏈路是否處于有效狀態(tài)。如果設置了此項，路由器將自動檢測Internet鏈路，一旦檢測到鏈路斷開或者無效，系統(tǒng)將自動重聯(lián)，重新建立有效;

在線保持方式：選擇Ping，即發(fā)送ping包檢測鏈路;

在線保持檢測主服務器ip：響應路由器在線檢測數(shù)據(jù)包的主服務器的ip地址，該ip地址一般可在通信商查詢到;

配置網(wǎng)絡地址服務器設置（DHCP）目錄中的“DHCP類型”“起始ip地址”等參數(shù)，如圖6所示。

將防火墻的保護去掉，如圖7所示。

配置串口應用目錄的各項參數(shù)，熱計量點的數(shù)據(jù)傳輸重點使用了無線路由器的串口功能，此項配置尤為重要，每一個參數(shù)都必須配置正確，如圖8所示。

工業(yè)無線路由器的Console口在出廠時已經(jīng)配置成普通串口，因此做RS485接口使用，無線路由器內(nèi)置了串口轉(zhuǎn)TCP/IP程序。通過配置，將無線路由器的Console口作為一個串口協(xié)議轉(zhuǎn)換設備。

注意：以上每一步配置完成后，都需要將頁面遷移至最下面，找到“保存設置”按鈕并單擊，所有配置完成之后，將頁面遷移至最下面，找到“應用”按鈕并單擊，此時工業(yè)無線路由器會自動重啟，重啟完成后，即可正常使用。

4? 數(shù)據(jù)傳輸

將物聯(lián)網(wǎng)卡安裝在工業(yè)無線路由器的卡槽中，我們在向運營商辦理APN卡的時候，對方會將其ip地址段、APN名稱等提供給我們，在使用的時候，我們需將物聯(lián)網(wǎng)卡正確地安裝在卡槽中，并且保證現(xiàn)場連線正確、工業(yè)無線路由器配置正確，即可實現(xiàn)將熱計量點的溫度、流量等數(shù)據(jù)實時傳輸至遠處的生產(chǎn)指揮中心。

5? 生產(chǎn)指揮中心軟件設置

若要將現(xiàn)場的數(shù)據(jù)最終通過生產(chǎn)指揮中心的上位機監(jiān)控軟件進行展示，監(jiān)控軟件需要依據(jù)無線路由器的配置和儀表的參數(shù)進行配置，協(xié)議選用Modbus TCP協(xié)議進行通信。

首先配置連接參數(shù)，建立I/O硬件，配置好更新周期、設備地址、遠程ip以及端口號等參數(shù)，如圖9所示。

硬件通道搭建完成之后，進行數(shù)據(jù)庫的搭建，數(shù)據(jù)庫是生產(chǎn)運行調(diào)度管理的核心，生產(chǎn)指揮中心的數(shù)據(jù)庫選用一定要考慮其性能、可靠性、數(shù)據(jù)吞吐能力等多種因素，并且可以滿足采集、壓縮、存儲、加工、分析任何帶有時間特性的生產(chǎn)信息。數(shù)據(jù)庫搭建主要是描述采集點位的信息，包括屬性、數(shù)據(jù)來源地址、報警、存儲等，如圖10和圖11所示。

每個站點的數(shù)據(jù)庫里包含了供回水的瞬時流量、瞬時熱量、累積流量、累積熱量、溫度、溫差、報警信息等數(shù)據(jù)，設置每60 s保存一次歷史數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)庫搭建完成之后，在操作界面，需要顯示的地方連接相應的點名即可，對于數(shù)據(jù)的展示，可以利用不同的顏色區(qū)分不同的生產(chǎn)參數(shù)，如溫度以深藍色顯示、流量和熱量以黑色顯示、溫差以深綠色顯示、報警以紅色顯示等，在連接點名的地方，鼠標右鍵單擊，選擇“屬性”，修改顏色的字體等。

6? 結(jié)? 論

通過整個過程我們可以看出工業(yè)無線路由器在通信、信號轉(zhuǎn)換等方面的強大功能，使用起來十分方便。設備配置界面一目了然、簡單易上手，并且能夠進行在線修改和保存，保存完可以實現(xiàn)設備的自動重啟。對于類似熱力站、熱計量點等數(shù)據(jù)上傳這樣的項目，選用該通信方案完全可以實現(xiàn)所需的功能，且配置的可復制性強、通信費用較低、施工難度不大，有效節(jié)約成本和縮短工期。

近年來，我國移動通信技術(shù)發(fā)展迅速，隨著移動網(wǎng)絡的發(fā)展，依附于其平臺的應用服務也逐步升級，表現(xiàn)為涉及范圍更廣、服務針對的項目更加多元化以及使用更加便捷等，其集便捷、多元的特點已經(jīng)使其進入了我們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪小?/p>

在該項目中，使用了無線信號網(wǎng)絡將各生產(chǎn)現(xiàn)場的生產(chǎn)數(shù)據(jù)全部上傳至生產(chǎn)指揮中心，替代了傳統(tǒng)的人工抄表的模式，在減少了數(shù)據(jù)誤差的同時，提高了工作效率，節(jié)省了大量人力、物力、財力的消耗，熱計量點實現(xiàn)了無人值守，應用效果明顯。以下是費用對比：

（1）人工抄表模式：人工1人×供暖季120天×330元/天=39 600元;車輛1臺班×供暖季120天×450/臺班=54 000元，合計約93 600元/供暖季。

（2）無線傳輸模式：整體施工費約17 000元，整體設備材料費約57 690元，通信費約10 000元/年，系統(tǒng)集成、維護費55 000元，合計約139 690元。

經(jīng)過對比分析，人工抄表的模式每年的費用支出比較穩(wěn)定，而無線傳輸模式的第一年的投資較大，之后每年只需支付小部分的通信費和維護費即可，長期而言，對于業(yè)主方的投資控制而言，采用無線傳輸模式更有利于控制成本。

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作者簡介：劉冠宇（1992—），男，漢族，山東濱州人，工程師，本科，研究方向：PLC控制系統(tǒng)在各種工藝場所的搭建與應用;高立亮（1981—），男，漢族，山東東營人，技術(shù)經(jīng)理，工程師，本科，研究方向：工業(yè)自動化及信息技術(shù);朱國喜（1987—），男，漢族，山東棗莊人，工程師，本科，研究方向：工業(yè)自控系統(tǒng)應用;常文偉（1985—），女，漢族，山東臨沂人，工程師，學士學位，研究方向：油田自動化產(chǎn)品開發(fā)研究及應用。