施工企業(yè)大型用電設(shè)備遠(yuǎn)程抄表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

岳 海

（中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州 455000）

0 引言

為了有效率、準(zhǔn)確地采集施工現(xiàn)場(chǎng)大型用電設(shè)備電能消耗與質(zhì)量情況，需要對(duì)效率低下的人工抄表進(jìn)行改革。施工管理人員采用遠(yuǎn)程抄表方式無需配備專職人員，可以采用施工現(xiàn)場(chǎng)已布設(shè)的網(wǎng)絡(luò)線路，具有抄表準(zhǔn)確度高、省時(shí)省力等優(yōu)點(diǎn)?；谥悄茈姳砗驮贫似脚_(tái)的電能參量采集系統(tǒng)，可以將施工現(xiàn)場(chǎng)用電設(shè)備的電能參量迅速傳輸至云端平臺(tái)及現(xiàn)場(chǎng)用電施工企業(yè)管理人員所組態(tài)的人機(jī)界面[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

通常情況，電能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可分為現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)信息傳輸層和云平臺(tái)組態(tài)層。

（1）現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備層：主要用于電能等參量采集測(cè)量的各類型的儀表等，也是構(gòu)建該配電系統(tǒng)必要的基本組成元素。這些設(shè)備肩負(fù)著采集數(shù)據(jù)的重任，包括公司各系列帶網(wǎng)絡(luò)信息傳輸層功能的電力儀表。

（2）網(wǎng)絡(luò)信息傳輸層：包含企業(yè)路由器、光纖線路、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、串口服務(wù)器等設(shè)備。串口服務(wù)器主動(dòng)采集現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備層的數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。串口服務(wù)器可在網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)從中斷點(diǎn)處繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)，保證采集到的數(shù)據(jù)連續(xù)不中斷。

（3）云平臺(tái)組態(tài)層：又稱為組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，是指在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境。云平臺(tái)組態(tài)層實(shí)際上也是一種通過靈活的組態(tài)方式，為施工企業(yè)管理人員提供快速構(gòu)建施工企業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 智能電表回路設(shè)計(jì)

智能電表是基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備，可幫助施工企業(yè)管理人員了解每臺(tái)用電設(shè)備消耗的電能。智能電表將收到的數(shù)據(jù)合并、存儲(chǔ)和分析。智能電表有一個(gè)智能的實(shí)時(shí)儀表板可用于查看平均性能和維護(hù)警報(bào)。智能電表為施工企業(yè)管理人員的運(yùn)營(yíng)支出帶來了透明度和清晰度。施工企業(yè)管理人員可以知道電費(fèi)消耗的原因。此外，它們還具有通信功能，允許施工企業(yè)管理人員遠(yuǎn)程查看和讀取數(shù)據(jù)。施工企業(yè)管理人員可以訪問有關(guān)電能參量的歷史信息[2]。

電表自帶RS485 接口，利用RS485 傳輸線將多臺(tái)電表直接與單串口服務(wù)器連接起來，建立數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，可應(yīng)用于集中安裝場(chǎng)所等。RS485 電表不用增加通信模塊組件，單價(jià)較低。且采用有線傳輸相較于無線傳輸更穩(wěn)定。

CPM-12A 三相智能電表電路如圖1 所示，工作流程如圖2所示。

圖1 三相智能電表電路

圖2 智能電表工作流程

2.2 單串口服務(wù)器

單串口服務(wù)器已實(shí)現(xiàn)模塊化，一個(gè)單串口服務(wù)器可抄讀256 臺(tái)電表，各電表通過RS485 與單串口服務(wù)器連接，單串口服務(wù)器通過有線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳至云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了電表聯(lián)網(wǎng)。

單串口服務(wù)器上自帶以太網(wǎng)接口，可以將傳統(tǒng)的RS485 設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)。單串口服務(wù)器是一種實(shí)現(xiàn)RJ45 網(wǎng)口與RS485接口之間直接的數(shù)據(jù)透明傳輸?shù)脑O(shè)備，內(nèi)部集成了TCP/IP 協(xié)議棧，可以輕松完成嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)功能。串口服務(wù)器是一種帶有CPU、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和TCP/IP 協(xié)議的微型計(jì)算機(jī)，它在串口和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)。使用串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)服務(wù)器通過互聯(lián)網(wǎng)從遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)訪問、管理和配置設(shè)備，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理和遠(yuǎn)程控制。

信號(hào)采集和傳輸?shù)墓ぷ鳎喈?dāng)于一個(gè)修路的工作。通過這條路運(yùn)輸什么、獲取什么，都是根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，搭配不同的抄表系統(tǒng)完成的。例如在施工現(xiàn)場(chǎng)，存在傳統(tǒng)人工電力計(jì)量方式效率低，造成電能參數(shù)數(shù)據(jù)不全面、不準(zhǔn)確、不完整，因而無法進(jìn)行電能參數(shù)分析與診斷，造成用電管理不到位、用電浪費(fèi)現(xiàn)象，就適合搭配電能參數(shù)管理，幫助施工企業(yè)實(shí)現(xiàn)能源實(shí)時(shí)監(jiān)控和協(xié)調(diào)控制。

串口服務(wù)器遠(yuǎn)程控制特點(diǎn)：支持遠(yuǎn)程Internet 監(jiān)控，支持客戶端遠(yuǎn)程配置串口服務(wù)器參數(shù)，施工企業(yè)管理人員可以遠(yuǎn)程修改串口參數(shù)、設(shè)備名稱、設(shè)備IP 等。施工企業(yè)管理人員在無需了解串口的校驗(yàn)碼、波特率等參數(shù)的情況下，串口服務(wù)器能夠自動(dòng)設(shè)別波特率、校驗(yàn)碼。支持?jǐn)嗑W(wǎng)續(xù)傳：串口服務(wù)器可在網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)從中斷點(diǎn)處繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)，保證采集到的數(shù)據(jù)連續(xù)不中斷。

單串口服務(wù)器整體框架如圖3 所示。

2.3 系統(tǒng)硬件接線系統(tǒng)

通信協(xié)議采用RS485 串口通信協(xié)議。有線網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)線和光纖組網(wǎng)，采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳送至云平臺(tái)進(jìn)行保存和可視化管理。

RS485 通信線一般可以使用帶屏蔽層的雙絞線。使用RS485 傳輸線，線長(zhǎng)與波特率成反比。

RS485 理論傳輸距離可達(dá)1200 m，但在實(shí)際應(yīng)用中，傳輸距離不到1200 m，具體距離取決于周圍環(huán)境。但是在長(zhǎng)距離傳輸過程中，使用單模光纖可支持更長(zhǎng)傳輸距離，要求在千兆速率的以太網(wǎng)中，單模光纖都可支持超過5000 m 的傳輸距離。通過串口服務(wù)器RJ45 網(wǎng)口與RS485 接口之間轉(zhuǎn)換，可以滿足施工企業(yè)傳輸距離要求。

系統(tǒng)硬件接線系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)硬件接線

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 單串口服務(wù)器設(shè)置

串口服務(wù)器內(nèi)置有Web 服務(wù)器，使用瀏覽器來訪問它。通過Web 來訪問串口服務(wù)器時(shí)，串口服務(wù)器和PC 的IP 地址必須在同一個(gè)網(wǎng)段中。

單串口服務(wù)器獲取IP 的方式設(shè)置為固定靜止IP，校驗(yàn)/數(shù)據(jù)停止位修改為NONE、8、1，串口波特率設(shè)置為9600，和智能電表的校驗(yàn)/數(shù)據(jù)停止位、串口波特率保持一致。設(shè)置透?jìng)黝愋秃湍繕?biāo)云平臺(tái)IP[3]。

3.2 智能電表設(shè)置

三相智能電表安裝完成后。RS485 群組設(shè)置中，每個(gè)智能電表需要設(shè)置不同的站號(hào)。RS485 群組設(shè)置流程如圖5 所示。

圖5 RS485 群組設(shè)置流程

4 云端平臺(tái)設(shè)計(jì)

4.1 云端平臺(tái)配置

根據(jù)需要采集的智能電表參量，在云平臺(tái)錄入寄存器地址，設(shè)置數(shù)值類型，讀寫方式。

4.2 云端平臺(tái)功能

云平臺(tái)自動(dòng)抄表：根據(jù)施工企業(yè)管理人員需求，可按分/時(shí)/日/月進(jìn)行自動(dòng)抄讀數(shù)據(jù)。為施工企業(yè)管理人員監(jiān)控提供數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)用電可視化，免去人工抄表及財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)核對(duì)，極大節(jié)省了人力成本，提高電能參數(shù)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

云平臺(tái)生成綜合報(bào)表：云平臺(tái)可根據(jù)施工企業(yè)管理人員需求按不同時(shí)間段展示電量報(bào)表，實(shí)時(shí)生成電流電壓頻率、功率、功率因數(shù)及四象限無功總電能報(bào)表。所有的數(shù)據(jù)可以自動(dòng)生成折線圖、柱狀圖等，綜合對(duì)比分析各項(xiàng)數(shù)據(jù)。通過比較當(dāng)前消耗量與基準(zhǔn)量來證明實(shí)現(xiàn)的節(jié)能效果。以客觀的方式證明和驗(yàn)證節(jié)省效果。實(shí)時(shí)監(jiān)控能效措施組合，實(shí)現(xiàn)量化節(jié)約。

云平臺(tái)可以查看電能參量歷史數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)為變量的原始數(shù)據(jù)。同時(shí)可在云端設(shè)置報(bào)警規(guī)則，當(dāng)智能電表發(fā)生報(bào)警后可通過微信、短信、郵件、語音的一種或者多種方式推送給施工企業(yè)管理人員。云平臺(tái)可以根據(jù)區(qū)域、個(gè)人資料和任何選擇的參數(shù)設(shè)置警報(bào)。它會(huì)在偏離標(biāo)準(zhǔn)條件的瞬間生成警報(bào)，并立即發(fā)送電子郵件或短信[4]。

4.3 云組態(tài)

云平臺(tái)可以對(duì)電能參量進(jìn)行組態(tài)，可以通過手機(jī)訪問云組態(tài)。

物聯(lián)網(wǎng)云組態(tài)能夠讓施工企業(yè)管理人員自行設(shè)計(jì)所需要的監(jiān)控畫面，配合云端進(jìn)行顯示、配合網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。類似于傳統(tǒng)的組態(tài)軟件，可以通過拖拽圖標(biāo)來設(shè)計(jì)組態(tài)畫面，可以設(shè)計(jì)電力控制畫面?？梢蕴峁﹦?dòng)態(tài)的畫面，在相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)用數(shù)值或者圖形表示數(shù)據(jù)大小。同時(shí)提供按鈕可以在組態(tài)界面中對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。

畫面設(shè)計(jì)：拖拽組態(tài)組件，自定義想要的樣式，然后拖動(dòng)“數(shù)據(jù)位”組件綁定設(shè)備的點(diǎn)位（采集點(diǎn)），選中后點(diǎn)擊綁定數(shù)據(jù)點(diǎn)。下發(fā)按鈕：拖動(dòng)“開關(guān)”組件，然后選擇設(shè)備，再鍵入開啟與關(guān)閉指令，點(diǎn)擊保存即可。保存界面：最后再點(diǎn)擊藍(lán)色保存按鈕保存組態(tài)編輯，然后返回列表選擇需要置頂?shù)慕M態(tài)，即可完成操作。卓嵐云中左側(cè)樹狀的“組態(tài)”名稱的頁(yè)面會(huì)展示置頂?shù)慕M態(tài)頁(yè)面。

5 結(jié)束語

針對(duì)抄表難、管理難的問題，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)施工企業(yè)大型用電設(shè)備遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，通過硬件、軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了智能電表參量的遠(yuǎn)程終端顯示。可以通過PC 主機(jī)登錄云平臺(tái)獲取歷史數(shù)據(jù)，也可以通過手機(jī)實(shí)時(shí)訪問云平臺(tái)組態(tài)界面，獲得實(shí)時(shí)電能參數(shù)。