基于多种总线的远程抄表系统采集器的设计与应用.doc

基于多种总线的远程抄表系统采集器的设计与应用Design and application of data collection based multibus in romote date acquisition system(山东省莱芜钢铁集团有限公司自动化部检测中心 271104) 孙亚蕾 孙式伟摘 要工业远程自动抄表系统近年来逐渐替代人工抄表方式，莱钢能源数据远程采集系统可将分布在各生产计量采集点的水、电、气等二次仪表的测量信号，通过有线专网方式传输，经由具有采集存储处理数据功能的采集器，将各种不同协议的数据转化为统一协议的数据格式和计算机工作站进行数据通讯，并最终将测量数据通过莱钢骨干网上传到系统服务器，从而实现了对能源数据的实时监控,远程控制和平衡分析。在整个数据采集过程中无需人工参与，采用远程抄表模式。数据采集器的主要功能是定时采集包括电、水、表的测量数据，将采集数据存储，并在上位机提出申请时，将所有上位机需要的数据上传。数据采集器传输处理数据的准确与可靠性直接影响到系统的可靠性。论文主要介绍了莱钢能源数据远程采集系统中数据采集器硬件的设计、软件的设计以及在系统中的工作方式，包括采集方式和上传网络工作方式。关键词：远程抄表系统 数据采集 网络上传ABSTRACT. In these years, automatic romote date acquisition system replace manual data acquisition method gradually .Laigang energy measure information system collect such as measure signals of water, electricity, and gas , transfer data of different protocol to unitive data format and transmit with upper computer site through data collection which have data saving function. after this , the data transmit to system server by laigang backbone network . The energy system realize to real-time monitor, remote control and analyse balance. It need no people in the data acquisition process. The main function of data collection is acquisition measure data in regular time, then store the data in RAM，when upper computer ask for data, system transmit all the needed data to it. the speed and reliability of data collection lead to the reliability of system.The thesis main introduce data collection in hardware design,software design and working method in laigang energy measure information system, involve of acquisition method and up transmit method.Keywords: romote data acquisition system data acquisition data transmission through network1 概述工业远程自动抄表是指利用微电子和计算机网络、传感等技术自动读取和处理表计数据，将工业现场的水、电、气等能源信息加以综合处理的系统。自动抄表技术使各管理部门都能看到所有的实时计量数据，实现了对能源数据的实时监控,远程控制和平衡分析，有利于企业合理调度能源、为公司有效的调度生产提供保障，为公司领导提供决策依据。现在最常见的远程自动抄表系统是采用分线制集中抄表方式，即由采集器定时顺序采集来自多路分线连接的水、电、气表信号并进行数据处理、存储。各采集器之间采用总线制连接，最后连接至管理计算机。其典型特点是各类表计通过分类总线连接至采集器。系统一般分为四层次结构；现场采集器、服务器（区域管理器）、通信控制器、管理器中心，部分产品还会附带一个掌抄器。莱钢能源数据远程采集系统利用自动抄表技术，对莱钢各二级厂矿的水、电、风、气（汽）、油及煤、焦炭等进出厂大宗原材料和成品等厂际计量数据和部分主要生产工艺参数进行集中管理，实现总厂和二级厂矿能源管理数据的共享。它是以全厂实时数据采集为基础的、以实时数据库系统为核心的集实时监控、生产管理、技术管理等于一体的计算机网络化的生产监控系统。该系统实现了将公司各主要生产工序的动力量消耗的数据及重要的工艺参数（如流量、压力、温度、差压、密度、频率等）实时传送至公司总调、动力部调、热电煤（气）调及自动化部（计控处）等，为公司领导提供决策依据，为公司调度系统统一调控、平衡全公司动力能源的分配、降低能源放散、提高能源利用率提供了准确、实时、及时的信息。 莱钢能源网络系统拓扑结构从功能上分为以下四个部分：数据测量层、数据采集层、数据管理层和数据共享层中。测量层的任务是将现场的各参数的模拟量诸如流量、差压、温度、压力、频率等及水电量等计量数据采集并转换成适宜本系统传输的数字信号，以便送到网络总线并送到采集计算机。此层要求智能二次仪表有RS485通讯输出接口，并遵循MODBUS通讯协议，数据测量层是数据采集层的基础，也是整个能源网络系统的基础。该层采样能源数据的可靠性及稳定性直接决定了整个能源网络的数据来源的可靠性和稳定性。为此自主研发产品硬件及通讯协议均具有自主创新性的数据采集产品：LGF数据采集器。数据采集器的主要功能是收集所属各水电计量表的数据并进行处理，然后按照上位机的要求，将数据由数据转接器经通信介质传输至管理中心，并具有组网功能，能够与多个水电表之间点对点或点对多点的信号联络和数据传输。数据采集器传输处理数据的准确与可靠性直接影响到系统的可靠性。2 仪表总体设计21 使用环境与设计目标LGF数据采集器主要用于对具有RS-485发讯功能的水、电表数据的远程采集与远程传输。LGF数据采集器可与具有RS-485发讯功能的水、电表挂接，主要完成功能包括远程采集所需水电表的计量数据并存储，并可与上位管理机实现多种接口的通信，在上位机需要时将存储数据上传。采集器采集数据通讯性能指标电表需符合DL/T6451997多功能电能表通信规约电力行业标准以及水表符合CJ/T-2002市政户用计量仪表信号传输技术条件城镇建设行业标准。不符合上述通讯规约标准的水电表可根据具体情况增加通讯协议。采集器上传数据通讯性能指标符合MODBUS协议。22 数据采集器总体设计方案根据网络实施方案，确定了数据采集器完成网络传输需要采用的几种传输方式：采用专线通讯的RS-485网络方案，以太网传输方案以及无线红外传输方案。RS-485采用平衡发送和差分接收方式来实现通信，传输线通常使用双绞线差分传输，因此有极强的抗共模干扰的能力，接收灵敏度也相当高。由于性能优异、结构简单、组网容易，RS-485总线标准在工业自动化中远程控制中得到了越来越广泛的应用，是目前国内自动抄表系统采用较多的一种通信方式，其数据传输速度较快，可靠、稳定，通信质量较高。采集器对水电计量仪表的采集以及对上位管理机的数据传输均采用这种网络传输方式。以太网传输方式要求每台采集器均具有以太网络数据接口，可就近连接交换机，使连接在局域网络中的采集器具有上网功能，与其他上网设备共用局域网实现网络数据共享。近年来，以太网技术发展非常迅速，它具有通信速率高，开放性好，应用广泛及价格低廉等优点，且它几乎支持所有流行的网络协议，故在商业系统以及工业控制领域中被广泛采用。以太网服务器和以太网子模块构成局域以太网数据采集系统。以太网子模块读取计量信息，通过局域网传输至以太网服务器。以太网服务器能够实时控制子模块，存储数据，并通过广域以太网与数据管理中心通信，从而实现自动抄表。无线红外传输方式实现了计量数据的无线上传，在红外可视距离内能非接触的读取仪表数据，操作简单方便，实现较可靠，且成本较低，在有线通讯方式无法工作的情况下，提供了一种无线解决方案。采集器在系统中的组网结构拓扑图如图1所示：图1 采集器系统网络拓扑图虽然多功能电能表生产符合DL/T6451997多功能电能表通信规约电力行业标准，水表符合CJ/T-2002市政户用计量仪表信号传输技术条件城镇建设行业标准。但因为各个水电表生产厂家对标准的理解不同，并且标准中预留了自定义的空间，所以要使该采集器涵盖所有现场所用水电表的协议，就需要对现场所用水电表的情况十分了解。所以方案确定之初 ，首先详细阅读了相关资料，本着“软硬件模块化设计”的原则，反复推敲，最终确定了产品方案如下：采集器负责采集水电表的数据，并在上位机提出申请时，将所有数据上传。挂接在通讯总线上的每台采集器都有自己独立的设备号，使其他具有不同通讯协议的仪表共用总线成为可能。另外，采集器还具有对所属电能表自由编址，采集周期时间长短可设定，上传、采集速率可设定等功能。根据采集器完成的功能，将系统结构分为三部分，第一部分完成数据采集、参数设定与显示功能，第二部分完成数据存储功能，第三部分完成对上位机的传输功能。采集器有以下功能特点：1、 产品要完成的功能将系统结构分为三大部份：数据采集、传输与数据存储。软硬件设计围绕这三部分进行。系统模块化设计，各部分功能独立运作，资源共享。2、 采集地址自由编址，采集周期长度可修改，上位传输、采集通讯波特率可选择，以上参数均可在人机界面由按键和LED完成。3、 数据存储单元采用大容量32K高速双端静态RAM，满足CPU双端运作和系统可扩展的需要4、 输出接口采用三种通讯接口，满足各种组网的要求。产品系统框图如图2所示:人机交互单元数 据存 储单 元主C P U从C P U RS485/水电 RS-485 以太/ 上位表 无线红外 机参数存储单元供电单元 图2 产品系统框图3 仪表软硬件设计31 数据采集器的硬件设计数据采集器采用模块化功能设计，采用三大部分构成主要功能，第一部分完成数据采集、人机交互功能，第二部分完成数据存储功能，第三部分完成对上位机的传输功能。各部分功能分别是：数据采集部分采用RS-485接口电路接收RS-485总线上的水、电计量信号，进行光电隔离后将其转换成内部逻辑电平，然后送往主中央处理单元对接收到的信息进行存储、分析。数据存储部分接收主中央处理单元整理过的数据并存储在大容量静态数据存储器，以备上位传输部分调用所需数据。上位传输部分接收上位机的通讯命令，从数据存储器中调用所需数据，送入从中央处理单元进行链路层协议转换，通过逻辑电路以及不同的通讯接口电路进行物理层协议转换，然后以RS-485总线/以太接口/无线红外接口方式输出。人机交互部分包括一个LED显示窗和三个触摸按键。LED显示窗用于显示参数和水电量数据。三个触摸按键用于完成参数查询以及参数设定。工作时，数据采集单元接收RS-485总线上的水电计量信号，进行光电隔离后将其转换成内部逻辑电平，送往主中央处理单元。主中央处理单元对接收到的信息进行存贮、分析等，然后送往数据存储单元存储，待上位机需要数据通讯时，从中央处理单元接收上位机命令，从数据存储单元取出需要数据，进行链路层协议转换，通过逻辑电路以及不同的接口电路进行物理层协议转换，然后以RS-485总线/以太接口/无线红外接口方式输出。311 器件选择（1）中央处理控制器的选择考虑到系统结构的复杂性，一个中央处理控制器难以完成如此庞大的数据吞吐量和采集、传输两部分功能的协调，利用两个处理器分别独立执行两个任务需要的处理能力，远远小于使用一个处理器所需的处理能力。例如：当该系统面对的可能是几乎不占用处理器时间但要求处理器必须进行立即响应的高速事件，比如对上位机的数据传输，也有可能面对的是不经常发生但需要占用处理器大量时间的消息层中断请求，比如，对水电表的数据采集。如果选择单处理器来执行上述任务，就要求所使用的处理器具有足够快的处理速度，既不会因为中断服务占用处理器时间而影响到处理器对其他高速时间的响应，同时也不会因对高速事件快速相应而影响中断服务的执行。如果选择多处理器来解决上述问题，则解决方案之一是：使用一个单片微处理器来处理高速事件，同时选择另一个高性能处理器完成消息处理任务。综合来讲：使用两个处理器的成本要比使用一个高速处理器的开销小得多。因此决定采用两个独立的中央处理控制器将功能分解，主CPU完成大部分的数据采集、数据处理存储功能，以及参数设定显示等辅助功能，从CPU主要完成在需要时将数据传送至上位机。（2）存储器件的选择由于系统数据存储量大，数据存储单元是系统中的关键部件，在详细考察了该类存储器器件后，决定采用IDT公司推出的异步高速双端口静态RAMIDT7007, 它有两套独立的地址线、数据线和控制信号线，允许两个控制器件中的数据通过共同连接的存储器来进行通信，这两个控制器可以是CPU和磁盘控制器，也可以是两个CPU。该双端口RAM允许两个控制器同时读取任何存储单元（包括同时读同一地址单元），但不允许同时写或一读一写同一地址单元。该器件存储容量达到32k*8b位，功能完善，易于软件编程和控制，同时速度较快，非常适于双 CPU共享内存。（3）接口芯片的选择数据采集器的主要功能是数据通讯。所以通讯接口电路的设计对整个仪表的设计起到关键的作用。RS-485因硬件设计简单、控制方便、成本低廉等优点广泛应用于工厂自动化、工业控制、小区监控、水利自动报测等领域。但RS-485总线在抗干扰、自适应、通信效率等方面仍存在缺陷，一些细节的处理不当常会导致通信失败甚至系统瘫痪等故障，因此提高RS-485总线的运行可靠性至关重要。在某些工业控制领域，由于现场情况十分复杂，各个节点之间存在很高的共模电压。虽然RS-485接口采用的是差分传输方式，具有一定的抗共模干扰的能力，但当共模电压超过RS-485接收器的极限接收电压，即大于+12V或小于7V时，接收器就再也无法正常工作了，严重时甚至会烧毁芯片和仪器设备。 解决此类问题的方法是通过DC-DC将系统电源和RS-485收发器的电源隔离，并通过光耦将信号隔离，彻底消除共模电压的影响。在RS-485通讯接口电路的设计上，接口芯片的选择尤为重要。数据采集器采用差分数据线收发器芯片SN75LBC184。SN75LBC184差分数据线收发器兼容商业标准，片内A、B引脚接有高能量瞬变干扰保护装置，这种结构能承受峰值为400W（典型值）的过压瞬变（如雷电、静电放电和交流电故障），从而显著地提高了器件抗过压瞬变的可靠性。普通的RS-485收发器很容易被过压瞬变损坏，如果要有效地加以保护，一般需外加包括隔离变压器在内的保护器件。若使用SN75LBC184，可直接与传输线相接而不需要任何外加保护元件，从而简化了电路设计。其余部件尽量采用功能完善的通用器件，如显示控制芯片采用整合了数码管显示驱动和键盘扫描控制以及P监控的多功能外围芯片CH451,使用证明，该器件占用的资源少，传输速度较快，外围器件要求也较少，较好的实现了系统匹配。312可靠性设计考虑数据传输的可靠性和抗干扰能力，在系统软硬件设计上采用了各种抗干扰措施：硬件上，RS-485接口芯片采用的是SN75LBC184集成电路。这是具有瞬变高压抑制功能的芯片，能抗雷击、静电放电，避免因交流电故障引起的非正常高压脉冲冲击。软件编制时充分考虑非正常状态的检测与处理，通讯数据校验采用16位的CRCCCITT标准（国际电报电话咨询委员会推荐），该标准可以检测出所有的单位错、双位错、奇位数错及小于等于16位的突发错，大于17位的突发错检错率为999984，检错率大大高于一般的奇偶校验。在复位电路设计上采用了WATCHDOG看门狗电路，结合软件完成系统复位设计，当系统发生不明原因死机时，WATCHDOG(系统运行监控时钟)将对系统主CPU复位，主CPU复位后，通过SYSREST系统复位控制线，对整台仪表进行初始化复位、运行参数重装，从而保证了系统可靠运行。32 数据采集器的软件设计软件编制上的技术难点主要在两个通讯协议的处理上。网络协议是保证通讯畅通的关键，在一定程度上也影响着网络通讯的可靠性，即它必须能够抵抗实际运作环境的干扰。另外通讯只是整个系统中的一个部分，系统还必须完成数据采集和控制的功能。这就要求通讯占用尽量少的时间，以求达到整个系统的高效率。水电表与采集器的通讯采用主-从结构半双工通讯方式.采集器主叫,水电表应答。以电能表为例，网络协议采用DL/T 6451997多功能电能表通信规约。由于各个厂家生产的电能表品种多样，该标准涵盖了所有可能涉及到的技术规范，仅数据标识就包括最大需量、数据变量、参变量等1000多项，根据用户需求，提取了标准中适合本系统的必要信息，将所需一台电能表的实时数据和实时电量共73项，200多个字节完整采集，并分块存放到数据存储单元中，保证了数据传输的有序性和可靠性。采集器与上位机之间, 采用主-从结构半双工通讯方式.上位机主叫, 采集器应答,通讯协议采用MODBUS协议经过改造自定义的3C_BUS协议。MODBUS协议是工业控制器的网络协议中的一种，由于其通用性和有较强的检错能力，它已经成为一种通用工业标准。该协议是一种独立于接口硬件的协议，因此可以在诸如RS-232或RS-485串行链路、集电极开路接口或者并行端口等多种环境下，利用该协议进行通信。即使在使用专用硬件接口的特殊情况下，利用标准接口通信协议也具有某些优势。其主要优点是，可有效提高不同处理器环境下软件开发的效率，以及便于系统升级。但其应用层定义主要是针对等的逻辑状态的，根据仪表内部存储器空间小，传输数据量大的特点，将MODBUS协议进行改造，沿用MODBUS协议物理层和链路层规定，对应用层进行重新定义，使之成为适合于电能表数据采集器的3C_BUS协议。该协议在链路层上规定：3C_BUS协议为主从式网络通讯协议，采用主机呼叫，从机应答的方式工作。通讯链路完全由主机控制。主机要与某一从机通讯时，先静止一定时间，使通讯链路空闲，然后向网上发送包含从机地址、命令、数据序列、及校验码在内的请求帧，网上所有从机都检查请求帧，地址不相符的其它从机都不响应该请求帧，地址相符的从机对接收的数据序列进行校验及命令合法性检查，校验错误从机不响应任何信息，命令或其它错误从机将发送特定的信息，若无任何错误，从机执行命令并将执行结果通知主机。主-从查询回应周期如图4所示： 图4主-从查询回应周期使用证明：3C_BUS协议各项功能的设置合理，检错能力强，使得上层软件的编程灵活；采用了“打包”传送技术，数据传送速度快。软件部分监控程序流程框图如下所示：系统初始化开中断，开定时器0有无键按下键盘处理要电表数据显示电表示值到电表长度否要水表数据显示水表示值到水表长度否 Y N N Y Y Y N图5 监控程序流程框图4 系统调试41 调试软硬件制作完成后，需对系统所有功能进行调试。硬件调试分模块调试，主要检查电源是否正常，PCB板布线是否无误，元器件工作是否正常等等。保证硬件工作正常后，结合硬件调试系统软件。软件调试分步骤进行：连接电能表与采集器之间的通讯总线。编制特定的通讯测试软件以检查通讯数据是否正常。上传部分制作了专用测试仪器及测试程序，模拟上位机接口部分功能验证上传通讯协议的正确性。分部调试完成后，将系统联调，测试系统工作是否正常，各部分功能工作是否协调。由于通讯程序运行速