吳鐵軍

（遼寧思凱科技股份有限公司，遼寧 丹東 118008）

0 引言

燃氣在工業(yè)生產(chǎn)、餐飲行業(yè)、居民生活中被廣泛的使用，而傳統(tǒng)的人工抄表方式需要定時安排工作人員到達現(xiàn)場讀取計數(shù)滾輪累計用氣信息，回公司后進行數(shù)據(jù)錄入，浪費大量的人力、物力、財力，同時不能確保數(shù)據(jù)的實時性、準確性[1]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，傳統(tǒng)人工抄表已經(jīng)逐漸被遠程抄表技術所代替。

近年來，4G通信信號的覆蓋率越來越高，通信效率上已達到很高程度，通過使用4G-DTU網(wǎng)絡通訊模塊可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和高效性[2]。與此同時燃氣作為危險性氣體在發(fā)生滲透、泄漏時，如果是在封閉環(huán)境里發(fā)生聚集使其到達爆炸極限，一旦接觸到電火花就會產(chǎn)生爆炸，給工廠人員的生命、財產(chǎn)安全形成巨大威脅。因此，抄表通信需要采用隔離式安全柵，即保證安全又可以兼容不同廠家燃氣流量計的通信接口[3]?；谝陨蟽牲c考慮，本文設計一種基于4G-DTU的多通道無線數(shù)據(jù)采集器，一方面根據(jù)采集間隔、上傳間隔將燃氣流量計的數(shù)據(jù)進行封裝上報，另一方面在上報過程中接收監(jiān)控管理平臺的閥門控制、調(diào)價、參數(shù)設置等命令，實現(xiàn)對燃氣流量計的遠程實時監(jiān)控[4]。

1 系統(tǒng)總體架構

數(shù)據(jù)監(jiān)控管理系統(tǒng)由多臺流量計、數(shù)據(jù)采集器、移動4G網(wǎng)絡、監(jiān)控管理平臺組成，系統(tǒng)總體架構如圖1。

圖1 系統(tǒng)總體架構Fig.1 Overall system architecture

燃氣流量計通常有RS232、RS485、RS422通信接口，無線數(shù)據(jù)采集器通過合理使用隔離式安全柵采集燃氣流量計的實時數(shù)據(jù)（標況累計量、工況累計量、標況流速、工況流速、壓力、溫度、報警狀態(tài)字），將采集好的儀表數(shù)據(jù)進行存儲、分析、計算、整理，按照燃氣公司統(tǒng)一的上傳通信協(xié)議打包后，在通過DTU連網(wǎng)附著上4G網(wǎng)絡，采用TCP協(xié)議方式將采集的實時數(shù)據(jù)上報至監(jiān)控管理平臺。

2 技術指標和功能設計

技術指標見表1。

表1 技術指標Table 1 Technical indicators

無線數(shù)據(jù)采集器功能如下：

1）定時采集功能：可通過管理平臺設置采集儀表的時間間隔來采集所連接儀表的數(shù)據(jù)，采集時間間隔可設置為5min～65535min。

2）數(shù)據(jù)存儲功能：采集器可存儲采集的儀表數(shù)據(jù)，小時用量數(shù)據(jù)、日用量數(shù)據(jù)?？纱鎯σ粔K儀表最近的16376條5min一次的數(shù)據(jù)，小時數(shù)據(jù)、天日用量數(shù)據(jù)。

3）數(shù)據(jù)整理功能：對采集的數(shù)據(jù)進行標準格式整理，并計算出每塊表的小時用量、日用量。對溫度、壓力、標況流速、標況累計量、工況累計量、工況流速、小時量、日用量等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成標準BCD碼。

4）數(shù)據(jù)傳輸功能：對采集的數(shù)據(jù)可進行被動和主動上傳。

5）時鐘校準功能：監(jiān)控管理平臺對采集器可進行時鐘校準。

6）參數(shù)設置功能：監(jiān)控管理平臺可對采集器的采集時間間隔、上傳條數(shù)、統(tǒng)計時刻、上傳時間間隔進行設置。

7）數(shù)據(jù)顯示功能：采集器采用可顯示漢字的點陣液晶，對要顯示的數(shù)據(jù)進行漢字和符號顯示，方便用戶觀察。

8）外電掉電后，備電源保持基本工作功能：外電不在時，后備電池可維持采集器采集數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)的功能，保持數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

9）掉電報警功能：采集器外電不在時采集器會發(fā)送數(shù)據(jù)通知監(jiān)控管理平臺采集器出現(xiàn)異常情況。

10）儀表切換功能：由于某些原因需要更換現(xiàn)場測量儀表，可通過按鍵修改抄表通信協(xié)議、表地址等功能。

3 系統(tǒng)硬件設計

無線數(shù)據(jù)采集器由隔離式安全柵、主控板、4G-DTU通信模塊、電源模塊構成，硬件總體設計如圖2。

圖2 硬件總體設計Fig.2 Overall hardware design

燃氣流量計和無線數(shù)據(jù)采集器一般安裝在燃氣調(diào)壓站里，而燃氣屬于易燃易爆性氣體，對采集器的安裝位置、外接電源的布線、防爆等有比較高的要求。因此，安裝無線數(shù)據(jù)采集器時的電源要用金屬管保護后與電源模塊接入端相連。無線數(shù)據(jù)采集器設計使用24VDC、1.5A作為整機電源。電源模塊設計成一路將直接為隔離式安全柵和4G-DTU通信模塊供電，一路設計成經(jīng)BUCK電路降壓，將24V轉(zhuǎn)換為5V，為主控制板提供電源，一路設計成經(jīng)過充放電控制電路控制電池，防止電池出現(xiàn)過充過放現(xiàn)象。抄表通過合理選用不同型號的隔離式安全柵來適應不同電源接口（9V、12V、24V）、不同通信接口（RS232、RS485、RS422）的燃氣流量計。

3.1 主控制板

主控制板由國產(chǎn)FM33LG048微處理器、數(shù)據(jù)存儲器、液晶、按鍵、RS232、RS485、繼電器、電池充放電控制電路構成。該處理器是一款基于ARM Cortex-M0+內(nèi)核32位的微控制器，可在電壓為1.65V～5.5V、-40℃～+85℃環(huán)境下工作，最高主頻64Mhz，8個串口，6個定時器，充足的256KB Flash空間可實現(xiàn)系統(tǒng)遠程升級。數(shù)據(jù)存儲器采用美國RAMTRON公司的FMV02鐵電存儲器，該存儲器讀寫次數(shù)超過10億次，10年以上的數(shù)據(jù)保存時間，存儲容量為256K位，用于存儲采集器重要設置參數(shù)。采用美國ATMEL公司的45DB081D FLASH存儲器，具有8M存儲量，用于存儲大量燃氣流量計的數(shù)據(jù)。液晶顯示采用深圳瑞特電子有限公司的RT12864--S寬溫點陣液晶顯示模塊，可以顯示漢字和英文字母，方便察看和維護。電池充放電控制模塊采取外電在時對電池浮充電，外電不在時自動切換到電池供電。當電池電壓低于正常工作電壓時，自動啟動保護功能，斷開電池工作。主控制板設計如圖3，數(shù)據(jù)采集時，微處理器控制3個繼電器的通斷，將RS485依次和隔離式安全柵的輸RS485口導通，達到一個RS485可以抄多個燃氣流量計，防止處理器串口占用過多。數(shù)據(jù)上傳時，微處理器通過R232和4G-DTU通信，DTU以透傳方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的打包上報、接收監(jiān)控管理平臺的命令并執(zhí)行。通過按鍵和液晶顯示設備條碼號、抄表返回數(shù)據(jù)、抄表協(xié)議、設備狀態(tài)等信息。

圖3 主控板電路設計Fig.3 Circuit design of main control board

3.2 4G-DTU通信模塊

H7710-DTU產(chǎn)品支持RS232、RS485、RS422、TTL 4種通用串口中的至少1種接口，工作電壓+5V DC～+36V DC，工作電流1.5A。本文選用RS232、24V電源和無線數(shù)據(jù)采集器相連。合理地選擇DTU的配置參數(shù)是該產(chǎn)品應用的關鍵[5-7]。DTU的配置參數(shù)如圖4，將RS232串口調(diào)試工具、24V電源與DTU用導線相連接，取一張開通4G功能的SIM卡放入DTU的插槽中，打開DTU專用工具軟件，點擊圖片左上方COM6后，選擇對應的波特率，一般使用的是串口參數(shù)（57600，8，N，1），DTU上電后自動連接讀取DTU的版本信息；對“常用參數(shù)”項進行設置：訪問接入點輸入移動CMIOT、聯(lián)通CMNET，DTU身份識別碼輸入對應的無線數(shù)據(jù)采集器條碼號，波特率為默認57600，通道通訊方式1選擇TCP+DDP，IP地址1輸入現(xiàn)場IP地址（根據(jù)監(jiān)控管理平臺設定），端口1輸入現(xiàn)場端口號（根據(jù)監(jiān)控管理平臺設定），點擊更多管理員登錄，對“RTU”項進行設置：RTU的最大數(shù)據(jù)包輸入1024，啟用RDP協(xié)議選擇EN，啟用DTU下行協(xié)議選擇SMS+GPRS。將RS232串口調(diào)試工具與DTU的調(diào)試串口相連，關閉DTU專用工具軟件，打開串口調(diào)試助手軟件，選擇波特率115200，DTU重新上電后，自動連接4G網(wǎng)絡。連網(wǎng)過程中，可以看到信號強度、信噪比、基站、連接ip和端口等信息，如果顯示撥號成功，證明DTU和監(jiān)控管理平臺搭建起一條可靠的TCP長連接，此時DTU將唯一身份識別碼進行封裝成注冊包上報給監(jiān)控管理平臺，平臺會搜索內(nèi)部數(shù)據(jù)庫顯示如果有該身份識別碼，則返回DTU注冊成功數(shù)據(jù)后，可進行正常的業(yè)務數(shù)據(jù)交互，如果3min時間內(nèi)無業(yè)務數(shù)據(jù)交互，DTU將啟動心跳包來維持TCP的長連接。如果顯示無法撥號成功，需要查看SIM卡是否有機卡綁定、區(qū)域限制等特殊影響。

圖4 DTU配置參數(shù)Fig.4 DTU Configuration parameters

3.3 隔離式安全柵

本文采用隔離式檢測端安全柵PHD-11DC-13H、PHD-11DC-33F、PHD-11DC-23H，功耗約2.5W。通信接口配有一路輸入、一路輸出，可實現(xiàn)在危險區(qū)輸入的RS485接口與安全區(qū)輸出的RS232、RS485、RS422接口之間，半雙工數(shù)字信號的雙向通信。電源接口配有一路輸入、一路輸出，輸入供電電壓20V DC～+35V DC，輸出為現(xiàn)場儀表提供配電電源9V、12V、24V等。

每個燃氣公司使用的測量儀表各不相同，主要有埃爾斯特流量計、天信流量計、愛拓利流量計、羅美特流量計等。埃爾斯特流量計內(nèi)部支持RS232、RS422接口通信，通信電源要求9V±10%，可以選擇使用隔離式安全柵PHD-11DC-23H進行數(shù)據(jù)通信。愛拓利流量計內(nèi)部支持RS232接口通信，通信電源要求8V±10%，可以選擇使用隔離式安全柵PHD-11DC-13H進行數(shù)據(jù)通信。天信和羅美特流量計內(nèi)部支持RS485接口通信，通信電源要求24V，可以選擇使用隔離式安全柵PHD-11DC-33F進行數(shù)據(jù)通信。

3.4 備用電源模塊

目前，防爆電源所用電池主要類型有鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池。由于鉛酸電池的循環(huán)壽命短、比能量低，相比同容量的鎳氫、鋰離子電池重量、體積大很多。而鋰離子電池雖然比能量高，但對充放電電路要求非常高。過充電時，電池電壓隨極化增大而迅速上升，會引起鋰離子電池的永久性破壞，電池內(nèi)部膨脹并產(chǎn)生大量氣體，放出大量的熱，遇明火易燃燒、易爆炸，并且電池難以承受擠壓、穿刺、高溫。當發(fā)生碰撞時，有發(fā)生爆炸的風險，安全性能有待提高。鎳氫電池比能量較高，性能穩(wěn)定、安全環(huán)保、無記憶效應，對充放電電路的要求不高，只需要充電時限制電壓、限制電流，放電時不過放即可。因此，采用鎳氫電池作為無線數(shù)據(jù)采集器的備用電源[8,9]。

根據(jù)無線數(shù)據(jù)采集器的隔爆箱大小，選擇內(nèi)置20節(jié)串聯(lián)容量13AH的鎳氫電池組，單節(jié)鎳氫電池的標稱電壓為1.25V，鎳氫電池組的電壓為25V、總容量應為325W·h，按照設計要求備用電源的工作時間不少于72h。根據(jù)主控板的電路設計，當無線數(shù)據(jù)采集器用鎳氫電池組作為供電時，絕大部分功耗集中在隔離式安全柵、4G-DTU的應用，所以主控板需要控制它們的電源，不工作時斷開電源，防止功耗過大。而每次隔離式安全柵抄表需要電壓24V、消耗平均電流16mA、耗時30s，10min采集10次耗能為：24V×16MA×30s×10=115200。每次4G-DTU上傳需要電壓24V、消耗平均電流320mA、耗時300s，10min上 傳 1次 耗 能 為：24V×320MA×300s=2304000?？?容 量 24V×13000MA×3600s=1123200000， 可 用 次數(shù) 1123200000/（115200+2304000）=464次， 可 用 時 間464×10min/60min=77h，所以鎳氫電池組給無線數(shù)據(jù)采集器供電時，最快采樣間隔1min，上傳間隔10min，可以滿足設計要求。

4 系統(tǒng)軟件設計

軟件程序流程圖如5。

圖5 軟件程序流程圖Fig.5 Software program flow chart

首先進行系統(tǒng)初始化后，通過4G-DTU注冊到4G網(wǎng)絡獲取到網(wǎng)絡時間，完成采集器內(nèi)部時間校準，通過采集、上傳間隔參數(shù)計算下一次采集、上傳的時間。當數(shù)據(jù)采集時間到時，依次控制切換繼電器通過RS485經(jīng)過隔離式安全柵獲取流量計的實時數(shù)據(jù)，不同廠家的流量計協(xié)議各不相同，對采集到的計量數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝后存儲45DB081D中。當系統(tǒng)上報的時間到時，讀取45DB081D存儲器中的實時計量數(shù)據(jù)，主動打包上報至監(jiān)控管理平臺；上報完成后，等待接收監(jiān)控管理平臺下發(fā)讀取和設置命令（如遠程閥門控制、用氣狀態(tài)監(jiān)控、階梯氣價實時調(diào)整、修改配置參數(shù)），采集器對接收到的命令進行處理并返回應答。當接收到結束數(shù)據(jù)包后，無線數(shù)據(jù)采集器退出連網(wǎng)上報流程。當外電在時，上傳間隔參數(shù)可設置最短5min，達到數(shù)據(jù)實時上報。

5 系統(tǒng)測試

單表抄收成功率是指在規(guī)定的時間內(nèi)，應用平臺接收到的儀表數(shù)據(jù)的個數(shù)與該時間內(nèi)平臺應接收到的儀表數(shù)據(jù)的總個數(shù)的百分比。機電同步率是指接收到的與儀表表觀數(shù)據(jù)相符的數(shù)據(jù)個數(shù)與接收到的數(shù)據(jù)總個數(shù)的百分比。在實驗室準備15臺模擬燃氣流量計與5臺無線數(shù)據(jù)采集器進行連接，采用AC220V供電，依次通過監(jiān)控管理平臺修改設置采集間隔1min，上傳間隔5min，通過采集器按鍵液晶輪顯查看參數(shù)是否正確，分別按抄表和上傳鍵，查看采集器工作是否正常。正常后，每天通過監(jiān)控管理平臺查看上傳個數(shù)和數(shù)據(jù)是否準確，連續(xù)測試10天，測試結果見表2。5臺無線數(shù)據(jù)采集器的單表抄收成功率均大于99%，上傳成功的數(shù)據(jù)中無計量異常數(shù)據(jù)，機電同步率100%，達到預期設計的技術要求。

表2 單表抄收成功率Table 2 Success rate of single meter reading

6 結語

本文設計的基于4G-DTU的多通道無線數(shù)據(jù)采集器，利用4G-DTU提高遠程通信速率、帶寬，增加了抄讀表的上傳成功率。通過合理地使用不同型號的隔離式安全柵，解決了不同廠家流量計電源電壓不同、通信接口不兼容、通信接口內(nèi)部芯片不匹配、現(xiàn)場表具多等問題。單個無線數(shù)據(jù)采集器可以同時連接多個燃氣流量計，大大節(jié)省燃氣公司的抄表成本。經(jīng)測試證明，該無線數(shù)據(jù)采集器抄讀計量數(shù)據(jù)實時、準確，具有很好的商業(yè)價值。