智能儀表數據采集系統的應用

苗青，閆素杰，宋揚

（濟鋼集團有限公司自動化信息技術公司，山東濟南 250101）

信息化建設

智能儀表數據采集系統的應用

苗青，閆素杰，宋揚

（濟鋼集團有限公司自動化信息技術公司，山東濟南 250101）

濟鋼信息化的智能儀表采集系統選用Mox公司的MoxRTU采集網關，采用MoxIDE和MoxGRAF作為系統軟件，通過485通訊，應用平衡發送和差分接收的方式進行數據讀取。系統的每個串口采用兩根信號可連接儀表480塊，對標準Modbus通訊和非標準自由口通訊協議儀表都可實時讀取。該系統具有通用性強、成本低、采集范圍廣的特點,系統投用后，運行穩定，數據精確，采集數據刷新率達到秒級，節省了人力、物力，是濟鋼信息化的有力數據支撐。

智能儀表；數據采集；數據傳輸；通訊協議

企業能源中心的建設、企業生產信息化、企業總調度平臺的建立以及遠程集中抄表等，這些系統使企業管理高效化、資源分配合理化，也標志著工業生產已經進入數字化、透明化階段，而不論什么系統都離不開工業生產基礎數據的實時采集［1-2］。本文介紹一種簡捷、高效的智能儀表數據采集系統，可實現現場各種智能儀表的數據讀取，性能穩定、精確、實時性好。

1 采集系統構成

1.1 系統硬件

系統選用Mox602-5423-000-0000RTU采集網關，該網關可選擇多種通信協議，如DNP 3.0或IEC60870協議、Modbus等，方便與上位軟件集成以實現數據采集、分析和管理功能。通過其485及232接口實現對儀表的系統編程、數據采集、現場監控等功能，包括瞬時流量、正向總量、反向總量、凈總量、流量百分比、電流、頻率、報警等。

1.2 系統軟件

系統采用Mox產品兩個主要軟件包MoxIDE軟件和MoxGRAF軟件。MoxIDE提供了一個獨立環境，可以完成對RTU網關通訊信息的配置，可通過以太網口與遠程RTU設備通訊。MoxGRAF提供了一個符合IEC61131-3標準的程序開發平臺，包含直觀的圖表和文本編輯器在內的6種自動化編程語言，MoxGRAF提供直觀的程序調試工具。

1.3 系統連接

采集系統由24 V電源、智能儀表、Mox公司的Mox602-5423-000-0000RTU采集網關、工業交換機組成。其連接如圖1所示。智能儀表按協議、地理位置分組，儀表之間采用并聯接入RTU的四個485及2個232串口，每個串口連接儀表可增至120個；儀表連接線采用雙絞屏蔽線，同時雙絞屏蔽線的兩端都接地，以減少現場干擾；注意485接線的A、B線序正確性，232傳輸的儀表可以直接接入232串口，但由于232的數據傳輸距離一般在200 m內，所以在實際生產中采用232/485轉換器將儀表數據轉換為485方式接入RTU。在通訊速度快（＞9 600 bps）或通訊距離較遠（＞700 m）的情況下連接終端電阻120 Ω減少反射干擾。在RTU采集網關內進行程序設計，對智能儀表的數據報文分包解析、輪詢讀取、公式轉換、誤碼篩檢等，完成儀表數據應答式讀取；RTU再將采集的數據通過TCP/IP協議經光纖接入數據庫，完成數據的采集，系統可現場調試，也可遠程連接操作［3-4］。

圖1 系統硬件連接

2 數據通訊

2.1 儀表通訊協議

目前，工業生產中的智能儀表有標準或非標的數據通訊協議，歸納起來分為3類：

第1類是具有HART協議的智能儀表，如各種國產和進口壓力、差壓、液位變送器等，它是現場總線的一種過度性協議。主要用于現場儀表的校驗，數據的讀取一般不采用。第2類是具有標準的Modbus、Modbus RTU協議的智能儀表，如各種電磁流量計、顯示儀、積算儀等。第3類是具有非標準自由口通訊協議的智能儀表，這種儀表類別較多，根據用戶的不同需求，生產廠商將設計通訊芯片嵌入儀表中，并把協議標準提供給用戶，供用戶自行設計采集程序，如各種檢測流量計、指示儀、報警儀、稱重儀等。

2.2 數據傳輸

本系統主要采用485兩線制接線方式，應用平衡發送和差分接收的通信手段，因此系統具有抑制共模干擾的能力，加上光纖總線收發器具有高靈敏度，能檢測低至200 mV的電壓，所以系統采集范圍可以遍布千米以外。此外，系統采用485連網構成分布式系統可省掉許多信號線。系統每個串口可同時并聯120個儀表，一個RTU可以同時掛接480節點。通信網絡采用主從通信方式，即一個主機帶多個從機。每個串口的儀表設定唯一的表地址。RTU的4個485串口通過485接線按程序輪訓讀取每塊儀表的數據，將數據存儲在制定的寄存器中，按程序的數據格式將數據賦給指定的變量。在此，要在MoxIDE軟件中對通訊端口、協議進行設置。新建IDE項目，根據智能儀表的通訊協議對RTU串口進行設置包括：通訊方式、波特率，校驗位，停止位，數據位，通訊協議。RTU采集的數據通過TCP/ IP協議經交換機傳輸到數據庫，在此需在IDE中填寫RTU型號、設置好RTU的IP地址。在DNP3 Slave中填寫IP地址，以太網通訊協議設為TCP/IP，填寫對應的通訊端口號。同時在GRAF程序中插入NETwork，選擇網絡類型ETCP，填寫此RTU的IP地址。最后在GRAF軟件的Mox Modbus address map中綁定唯一的Map地址以便數據的上位顯示。

3 程序設計

3.1 程序流程

在MoxGRAF軟件中，根據儀表通訊協議建立數據讀取功能塊，其參數包括：使能端、端口號、表地址、數據傳輸格式、指令、表號起始地址、本地寄存器起始地址、本次通訊數據的總字節數、本次通訊數據的總字節數、重試次數、超時時間、命令執行狀態、波特率、數據位、校驗位、停止位。根據485通訊特點及儀表的通訊協議，編制了標準Modbus通訊儀表數據讀取流程和非標準自由口通訊儀表數據讀取流程。通過流程動態設置讀取功能塊的參數來完成數據讀取，最后將所得數據依次賦值給變量。

兩流程基本相同，以標準Modbus通訊儀表為例進行說明，其流程如圖2所示。初始化變量：包括使能數據讀取功能塊，設置RTU串口號。設置數據存儲格式為遠程2個寄存器的數據存放在一個本地變量中。設置數據計算格式為高位寄存器的數據乘10 000加低位寄存器。儀表的表地址設為1，功能塊的讀數端口初始化。設定儀表的數據起始地址為40001（與所讀取的儀表的地址對應），本地RTU的起始地址為40001（一般與儀表數據的地址相統一），本次通訊的總字節數為20個字節（與所讀取的儀表數據的長度有關）。

圖2 標準Modbus通訊協議端口數據采集流程

設定故障計數器，并賦初值為0（用來設定以外情況下儀表重新讀取的次數）。向總線發送數據讀取命令：命令端口值改為1，功能塊開始讀數據。存儲數據：把所讀的數據放在本地即RTU終端的寄存器里，然后本地RTU寄存器的地址向下偏移20個字節。判斷儀表的表地址是否小于所串儀表的數量：此處與串口所串儀表的數量有關，例如，本端口共連接20臺儀表，如果超過21的時候，就要返回到1表。是否要重啟：在大量的數據讀取過程中，為避免莫明奇妙的出現串口死機問題，如果發現串口狀態有錯，則程序會重新打開功能塊的讀數端口，復位計時器對本串口的儀表從第一塊開始從新讀取。

3.2 報文解析

非標的智能儀表由于其協議為生產廠家規定，嵌入在儀表內的協議不標準，必須對其報文數據進行一對一的解析和處理，為此，系統設計了非標準自由口協議儀表數據報文解析程序。瞬時量賦值一般讀取儀表的瞬時量、累積量；當讀取錯誤時，為從上位機看得明顯，賦值-8 888.0；對于累積量，則需要保持上一次讀數的準確值；最后將解包的值返回主程序，放入指定寄存器變量賦給對應變量。

4 結語

智能儀表數據采集系統在濟鋼的能源中心調度平臺、信息化管理系統等進行了廣泛應用，系統運行穩定，數據精確，數據刷新率達到秒級，實現了企業大部分智能儀表數據的自動采集，提高了企業管理水平，降低了操作人員的勞動強度。此采集系統具有成本低、采集數據量大、采集范圍廣、通用性好的特點，是濟鋼信息化的有力數據支撐。

［1］沈童，賴康生.基于CAN總線的數據采集系統的設計［J］.工業控制計算機，2010（06）:47-48.

［2］毛詩柱，肖波.基于AT90CAN128的CAN總線數據采集終端設計［J］.中國科技信息，2010（12）:107-108.

［3］程百慧.PC BASED可編程控制系統在油井現場數據采集中的應用［J］.科技資訊，2010（33）:45.

［4］于濤.淺析基于GPRS的嵌入式環保數據采集系統［J］.數字技術與應用，2010（10）:105.

Application and practiceof data acquisition systemof theintelligent instruments

MIAO Qing,YAN Sujie,SONG Yang

（The Automation Information Technology Company of Jinan Iron and Steel Group Corporation,Jinan 250101,China）

MoxRTU acquisition gateway of Mox company and MoxIDE and MoxGRAF system software are adopted for data acquisition system of the intelligent instruments of Jinan Iron and Steel Group.By the 485 communication,data are collected through the methods of balance transmission and difference reception.For the standard Modbus communication and non-standard free port communication protocol instruments,data can be read by two signal lines for each serial port of the system which can be simultaneously connected 480 instruments.The system with the characteristics of strong universality,low cost,wide acquisition range,system performance is stable and data is accurate,and the second level data update can be accomplished.It is reliable data support for information and can improve the management level of the enterprises and save manpower and material resources.

intelligent instrument;data acquisition;communication protocol;data transport;program design

TP273

B

1004-4620（2014）03-0060-03

2014-02-10

苗青，女，1970年生，1993年畢業于北京科學與技術學院自動化儀表專業。現為濟鋼集團有限公司自動化信息技術公司高級工程師，從事儀表自動化技術工作。