基于虛擬串口和組態技術的電能計量自動化系統

王世營,王　偉（山東新華制藥股份有限公司,山東　淄博　255005）

?

基于虛擬串口和組態技術的電能計量自動化系統

王世營,王偉
（山東新華制藥股份有限公司,山東淄博255005）

摘 要：設計了基于虛擬串口和組態技術的電能計量自動化系統。采取虛擬串口技術在采集主機上虛擬大量串口，通過組態軟件中的設備驅動和OPC功能與電能表直接通訊，完成數據采集。應用組態技術實現數據處理、人機界面、報表、WEB發布等功能。

關鍵詞：電能計量；虛擬串口；串口服務器；組態技術

0　引言

電能計量是現代企業能源計量的一個重要部分，傳統的電能計量方式是依靠人工定期到現場讀抄數據，在實時性，準確性和應用性等方面往往不能滿足計量要求。傳統的電能計量方式耗費了大量人工成本，工作效率卻非常低。

電能計量自動化技術也稱為電能自動抄表技術，是一種基于計算機、通信等技術的數據自動采集、傳輸、處理系統，它是一種不需要人到達現場就能完成電能計量的智能化管理系統。它克服了傳統的電能計量方式存在的缺陷，對提高企業的能源管理水平和經濟效益具有重要的意義。

1　電能計量自動化技術的現狀

目前電能計量自動化技術研究很多，但仍然存在以下問題。

（1）應用范圍窄。應用主要對象是電廠、供電局等供電單位，或者是一些特大型企業，適用于中小企業的電能計量系統的研究很少。

（2）電表通訊協議不統一，數據采集的不便，造成技術門檻高。

（3）應用難度大，資金門檻高。在當前電能計量自動化的系統結構上，不算通信信道大部分都是采取電表、采集器和主站得三層布局結構。需要專門編程、調試，投資大，施工周期長，進而制約了其在廣大中小企業中的推廣[1,2]。

本文設計的基于虛擬串口和組態技術的電能計量自動化系統，放棄了傳統的布局結構，不再采用數據采集器、集中器或者轉儲器，而是采取虛擬串口技術在采集主機上虛擬大量串口與電能表直接通訊，無需編程，通過簡單設置即可完成數據通訊。通過組態軟件中的設備驅動和OPC功能完成對不同通訊協議電能表的通訊。應用組態技術實現數據處理、人機界面、報表、WEB發布等功能。它開發簡單、資金投入少，施工時間短，特別適用于中小企業或實時性要求不高的積算式計量儀表的數據采集處理。

2　工作原理

系統主要由電表、通信網絡和采集主機三大部分組成。它完成電能數據的采集、傳輸和處理。采集系統采用C/S(client/sever)模式的結構。電能表是服務器, 所有的原始數據都存儲在電能表中。主站中運行的采集軟件為客戶, 采集軟件定時向電表發指令請求采集數據。采集軟件循環向每一個電表請求采集數據, 完成對電能數據的連續采集。主站通過通信網絡與電能表直接通訊，中間沒有數據采集器。

3　系統構成

3.1主要硬件設備

3.1.1智能電表

電表處于數據采集的最前端,是電能數據采集與處理系統的計量元件, 其精度將直接影響到整個系統的電能計量精度。電表的通訊協議類型和電表的位置分布，決定整個電能計量系統的通訊方式和網絡結構。本系統中的電表通訊協議有Modbus和DTL/645電力規約兩種類型。

3.1.2串口設備聯網器

串口設備聯網器是串口設備和以太網之間的橋梁，串口設備聯網器是獨立的基于IP的網絡設備，可以按照需要為采集主機擴充大量的串口，它可以在串口和以太網口之間進行雙向數據傳輸。本系統采用了MOXA5150型號的串口設備聯網器。有了串口設備聯網器，采集主機可以通過以太網來控制大量分散的串口設備，串口設備聯網器支持以太網直接無差錯的訪問，通過簡單的設置即可實現所有的控制和傳輸過程。它能讓Windows NT主站像接收標準串口的數據一樣接收來自于虛擬串口的數據。

3.2通信方案

數據傳輸通道是聯系電表和采集主機的橋梁，也是電能計量系統中的關鍵。數據通信方案的選取要綜合考慮電表通訊協議、電表位置分布、技術水平和投資成本等因素。很多情況下，某種通訊方案被最終選用并不表示經濟利益和技術要求的最大滿足，而只是權衡了各方面因素后的折中。

3.2.1電表與串口設備聯網器的連接方式

電表主要集中在各個低壓配電室內，每個配電室內有幾個至幾十個智能電表。每個配電室內配備1到2個串口服務器即可滿足數據采集需要。串口設備聯網器與智能電表采用RS485總線連接的方式，主要基于以下三點：

（1）目前工業現場中許多設備仍然使用RS-485接口通訊，支持RS485通訊協議的儀表多。在工業現場RS485/MODBUS是很流行的一種布網方式，在低端市場RS485/MODBUS甚至是最主要的組網方式。另外RS485的轉換接口不僅便宜而且種類繁多。

（2）RS485總線具有良好的抗干擾性且施工簡單方便。因為RS485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸，RS485接口組成的半雙工網絡只需二根連線。

（3）由于串口設備聯網器和電表都在配電室內，通訊距離短，不需要RS485總線長距離通訊。由于平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，其最大傳輸速率為10Mb/s，這樣能使得數據以較高的速率傳輸。

3.2.2串口設備聯網器與主站的連接方式

新華制藥配電室的特點是分散，而且距離距采集主站比較遠，單純的RS485總線無法滿足傳輸要求。由于光纖通訊的距離非常長，能滿足廠區內電氣環境復雜下抗干擾的需要，因此在配電室內的串口服務器和主站之間采用了以光纖為媒介的工業以太網相互連接。

3.2.3以太網與RS485總線的連接

采用串口設備聯網器作為連接以太網和RS485總線的橋梁實現工業以太網和RS485總線對接，即讓現有傳統的RS485串口設備，立即轉換成具備網絡界面的網絡設備。

采集主機通過以太網與各個配電室的串口設備聯網器通訊，每個串口設備聯網器有一個IP地址和與之對應的多個虛擬串口。位于各個配電室的串口設備聯網器與配電室的RS485接口的電能表采用總線型結構連接。具有相同通訊協議的電表共用一個虛擬串口與采集主機通訊。即一個配電室的串口設備聯網器的數量由電表的通訊協議的種類數決定。在主站上的組態軟件中可以方便的使用不同的電能通訊協議和設備驅動采集不同的通訊協議的電表數據。

采集主機與串口設備聯網器互聯，僅僅是通過以太網來延伸主站串口距離,無需編程和驅動程序,通過簡單設置即可實現兩者通訊；主站可以訪問多個同IP段下的串口設備聯網器。串口設備聯網器提供一種虛擬串口訪問方式,用戶只需要安裝相應的驅動程序,即可在主站上產生多個由驅動程序仿真出來的虛擬串口，每個虛擬串口用于訪問相應的串口設備聯網器上連接的電表。用戶只需打開由軟件中虛擬的串口即可透明訪問遠端串口設備。因為所有與串口設備聯網器有關的以太網控制和傳輸過程都由驅動程序代予完成，所以串口服務器能夠輕松跨越路由器連接終端設備，而不必過問復雜的以太網訪問過程。

4　采集主機

4.1采集主機數據處理

采集主機是電能計量系統的指揮調度中心和應用表現層, 配以網絡接口、外設及相應的軟件構成。主要用來采集數據并執行相應的通訊管理、完成數據接收、存儲, 數據管理、統計分析、提供人機界面、數據查詢、輸出、電網運行參數監測、電網運行質量監測、乃至與其他系統的跨平臺鏈接,為節能措施及調度提供數據。主站的開發主要是應用軟件開發。因此中心工作站的硬件必須有一定的運算和存儲能力。軟件上要求操作系統穩定可靠，必須具有處理大量數據的能力。本系統采用的是紫金橋6.5版本組態軟件。

基于組態軟件的數據處理系統包括電量的統計和分析、采集數據的存儲、查詢、檢索、維護和故障報警、報表統計和打印輸出。開發過程中,每一項功能作為一個單獨的子系統, 在不同的界面中完成。以組態軟件為中心的電能數據的處理系統完成對數據的顯示、報警、歷史數據的查詢、報表, 以及根據不同時段、不同費率, 對不同的用戶產生不同的處理, 如電費結算、電量的考核、用電的監察以及電能數據的分析應用等。

4.2數據發布

數據發布模式采用B/S(browser/service)結構。B/S結構是隨著Java 語言和Internet 技術的興起, 對C/S(client/service)結構的一種改進。在B/S結構下,軟件應用的業務邏輯完全在應用服務器端實現, 用戶表現完全在Web服務器實現, 客戶端只需要瀏覽器即可進行業務處理,是與C/S結構不同的網絡信息發布構造技術。[3]采集主機將處理后的數據，通過組態軟件的Web發布模塊，根據各部門的需要發布到網絡，供各個客戶機瀏覽。這時采集主機同時也是Web服務器，各部門單位的計算機為客戶, 通過局域網訪問主站。

5　結論

（1）整個系統投資少，施工快，能很快投入運行。

（2）運行幾年來，運行平穩，取得了預期設計效果。

（3）整個系統適用于中小規模，實時性要求不高的的場合。

參考文獻：

[1]張祖平,肖波.遠程抄表系統中實現模式的研究[J].計算機工程,2006,32(19).

[2]周游,高新華.國內幾種電能表自動抄錄系統之比較[J].廣東電力,2002,15(01):55-58.

[3]邱東,朱里紅,陳爽,仝彩霞.基于組態技術和B/S構架的電能計量系統的開發與應用[J].工業控制計算機,2008,21(09).

作者簡介：王世營（1980-），男，碩士，研究方向：數據采集、自動化、機電一體化。

DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.146