無線抄表系統在供熱計量中的應用

葛玉龍　王蔓　王德權　徐朋

摘 要：介紹了一種以“通斷時間面積法”為供熱計量依據的新型無線抄表系統，在滿足《通斷時間面積法熱計量裝置技術條件》的基礎上簡化了計量裝置的設計，給現場安裝施工帶來了極大的便利。整個系統由采集計算器、無線通斷一體閥、無線室溫控制器、樓棟熱量表和遠程數據中心服務器組成。它集計量、控制于一體，達到了供熱計量和節能的目的。目前，該系統已經被運用于新疆、遼寧、北京等地，運行情況良好。

關鍵詞：通斷時間面積法；RF433；M-BUS；GPRS

中圖分類號：TU995 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.098

我國供熱計量處于起步階段，隨著對建筑節能和供熱系統節能研究的不斷深入，熱計量和溫度控制已經成為了當前關注和研究的熱點。目前，國內采取的熱計量方法大致有熱量表法、溫度面積法、通斷時間面積法等。2011年，中國建筑科學研究院負責組織有關單位編制了《通斷時間面積法熱計量裝置技術條件》，提出了應用通斷時間面積法裝置熱計量時，應滿足的技術條件。基于此，國內一些企業設計、生產出了符合此條件的計量裝置。但是，這些裝置之間是以有線的方式連接和通信的，在現場安裝、施工的過程中，經常發生線路錯接和漏接的問題，給后期系統調試運行帶來了極大的不便。鑒于此，本文設計了一種以“通斷時間面積法”為計量依據的無線熱計量抄表系統。它在滿足技術條件的基礎上簡化了裝置設計，將技術條件中的通斷控制器與閥門合并成通斷一體閥，并且以無線的方式與采集計算器、室溫控制器通信，為現場安裝施工和系統調試工作的順利進行奠定了基礎。

1 通斷時間面積法

通斷時間面積法的工作原理是：在建筑物熱力入口安裝熱量表計量采暖期內整座建筑物的耗熱量，在用戶室內安裝室溫控制器調節室溫，在用戶的分支管路上安裝通斷控制器控制供熱的通斷時間，然后系統依據各用戶的采暖面積和累計供熱通斷時間計算分攤建筑物消耗的總熱量。熱量分攤計算公式為：

式（1）（2）中：Qi為第i個熱用戶分攤周期內或供熱總時間內分攤的熱量，kW·h；εi為第i個熱用戶閥門周期開啟時間比或閥門累計開啟時間比；Si為第i個熱用戶的建筑面積；Q為分攤周期內或供暖總時間內樓棟熱量表計量的熱量值，kW·h；n為參與熱量分攤的熱用戶數量；Δτi為第i個熱用戶在分攤周期內或供暖總時間內閥門累計開啟的時間；Δτ為分攤周期或供暖總時間。

2 系統的整體結構

整個無線熱計量抄表系統是由數據采集層、數據傳輸層和平臺管理層組成的。系統整體結構如圖1所示。

對于無線熱計量抄表系統，數據采集層用于采集、計算現場設備數據和執行平臺層下發的控制命令；數據傳輸層是運營商提供的GPRS網絡，用于平臺層與采集層之間的數據傳輸；平臺層則實時遠程監控現場設備、管理供熱系統和用戶供熱的運行狀態。

3 數據采集層結構和計量裝置

數據采集計量裝置是整個系統的核心，它是由采集計算器、無線通斷一體閥、室溫控制器和樓棟熱量表組成的。其具體結構如圖2所示。

3.1 采集計算器

采集計算器主要用于采集樓棟熱量表、無線通斷一體閥、室溫控制器的供熱運行數據，計算并分攤用戶熱量，通過GPRS網絡將用戶分攤數據上傳到數據中心服務器，并執行數據中心下發的控制命令。

采集計算器硬件系統是由核心板和底板組成的，核心板采用的是三星S3C2416處理器，基于ARM926EJ內核，具有低功耗、高性能和低成本的特性。其操作系統采用的是嵌入式WinCE 6.0操作系統。采集計算器底板留有網口、RS485、RS232和MBUS等接口，通過RS232接口與RF433無線模塊、GPRS模塊連接，通過MBUS接口與樓棟熱量表連接。

采集計算器軟件系統以C#語言和SqlCe數據庫為技術基礎，通過編寫程序實現了整個系統的數據采集、熱量分攤、數據存儲、數據上傳和對無線通斷一體閥開關的控制等。其具體功能有：①在線測試。無線通斷一體閥和樓棟熱量表安裝完成后，需要測試其是否能與樓棟采集計算器正常通信，在數據采集軟件上下達測試命令，根據設備回碼情況可以統計出在線設備的數量和離線設備的數量，并標識出離線設備的編號。通過數據采集軟件還能夠直接向無線通斷一體閥下達強制開/關電動閥門的指令，確保新安裝的閥門能夠正常開啟和關閉。②定時抄表。數據采集軟件通過實時調度檢查當前時間是否有任務需要執行，抄表指令每隔4 min執行一次。發送抄表指令時，需要先從數據庫中查詢出掛載設備的編號，再采用輪詢的方式為每一臺設備發送抄表指令。③計算分攤。分攤數據是整個熱計量系統計費的基礎數據。該系統設計的熱量分攤計算頻率為1 h/次，分攤時間則是通過實時調度實現的。④數據上傳。數據上傳主要將最近1 h每個用戶的分攤數據和設備的報警數據上傳到數據中心，分攤數據每隔1 h上傳一次，通過實時調度調節上傳時間，避免與其他任務沖突。設備報警數據需要實時上傳，因為一旦現場設備出現故障，供熱公司需及時派工作人員修理，以減少不必要的損失。⑤歷史數據查詢。采集計算器具備數據離線存儲功能，即使數據中心沒有開通，每個采集計算器都可以作為小范圍的數據中心投入使用。

3.2 無線通斷一體閥

無線通斷一體閥主要用于接收室溫控制器發來的溫度信息，根據程序的算法控制閥門的通斷，對運行數據（比如閥門開啟時間、累計供暖時間）進行數據加密并保存。采集計算器通過喚醒協議可將存儲在無線通斷一體閥中的數據采集回來。

3.3 室溫控制器

室溫控制器可以自動測量用戶室內的溫度，可以定期將所測室內溫度和用戶設定的溫度發送給無線通斷一體閥。同時，它還能實時顯示設定溫度、實測室溫、信號強度、時鐘、電量、累計閥門開啟時間和閥門開度值等信息。該設備具有故障報警功能，可以實時顯示閥門故障與通訊故障，還有欠費提醒，可遠程設置欠費提醒標志。另外，通過它，用戶可以在12～27 ℃之間自由設置適合的溫度。

樓棟熱量表的內容這里不再贅述。

4 平臺管理層簡介

遠程數據中心服務器是由負載均衡服務器、數據解析服務器、SqlServer2008R2數據庫服務器、數據庫備份服務器和Web服務器組成的。負載均衡服務器負責將不同采集計算器發送過來的數據分發給不同的數據解析服務器作解析處理，數據解析服務器將解析處理后的數據存放到數據庫服務器中。數據庫服務器和備份服務器采用雙機熱備，能夠防止數據丟失。Web服務器用于監控現場設備狀態，顯示并統計用戶分攤數據，下發控制命令等。

5 系統通信協議簡介

整個系統集成無線、總線、公網3種通信方式。其中，采集計算器、通斷一體閥和室溫控制器是采用RF433無線射頻技術完成通信的，并進行了擴頻、低功耗設計，通過自定義通信協議采集數據。在此僅介紹部分通信協議。通信協議的相關內容如表1所示。

為了實現低功耗設計，在滿足傳輸所有數據的要求下，盡量精簡了通信協議的幀結構。通過此協議，采集計算器可以獲取到通斷一體閥上記錄的開閥時間、閥門狀態、用戶室內溫度和設定溫度等值。采集計算器通過M-BUS總線與樓棟熱量表連接、通信，通信協議為了滿足CJ-T 188—2004《用戶計量儀表數據傳輸技術條件》的要求，熱量表采用國內某廠家生產的熱量表。下面以表號31366732為例，簡要說明了采集熱表數據的通信協議。讀表協議為：FE FE 68 20 32 67 36 31 00 11 11 01 03 1F 90 03 60 16；熱量表回碼協議為：FE FE FE FE FE FE FE FE FE FE FE FE FE 68 25 32 67 36 31 00 11 11 81 2E 1F 90 12 78 56 34 12 0589 63 71 29 05 99 37 05 00 17 80 11 07 00 35 43 23 38 00 2C 80 93 00 27 26 00 43 09 00 59 57 15 17 11 11 20 04 08 1C 16.通過解析熱量表回碼的內容，可以得到熱量表的當前熱量、當前冷量、熱功率、累計流量、瞬時流量、進水溫度和回水溫度等物理量值。采集計算器根據用戶供熱面積、無線通斷一體閥記錄的用戶開閥時間和樓棟熱量表計量的整個樓棟的耗熱量，應用通斷時間面積法分攤公式即可計算出用戶在單位時間內分攤的熱量。采集計算器與遠程數據中心服務器是通過GPRS網絡通信的，通信協議為自定義協議。遠程數據中心通過Socket接收采集計算器上傳的數據。其中，接收數據協議為（以接收用戶分攤熱量協議為例）FTSJ|11013005|00002324|2015/01/06 9：30：56|0.00 |0.00|60|45.34|0|18|22|331|0|0|1|2015/01/06 10：01：39|0|0|！ 通過使用字符“|”切割該協議串即可拆分出相應的物理量值。該協議的完整含義是：分攤數據|采集器編號|通斷一體閥編號|分攤時間|周期分攤|累積分攤|周期開閥時間供熱面積|周期總消耗熱量|室內溫度|設定溫度|總開閥時間|閥門狀態|通斷器電源|遙控器狀態|采集時間|強制開關閥|遙控器屏蔽|結束標志。

6 結束語

該系統已經在新疆、遼寧、北京等地的多個小區成功實施，為現場安裝、調試工作的順利進行創造了條件，各個裝置之間的通信都很穩定，室溫控制器與無線通斷一體閥、室溫控制器與采集計算器、無線通斷一體閥與采集計算器、樓棟熱量表與采集計算器、數據中心與采集計算器之間的數據流都能夠有條不紊地相互傳遞，以達到供熱計量的目的。

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〔編輯：白潔〕