水表数据采集无线传输管理系统的设计与实现

宋云鹏,晏斌,戴靖

(1.天津科技大学 电子信息与自动化学院,天津 300222;2.天津电气传动设计研究所,天津 300180;3.天津市亿通电气有限公司,天津 300180)

1 引言

生产型企业主要生产用水是指直接用于工业生产的水。对水处理系统采用实时监控系统,能够及时细致地了解用水量的变化,便于采取相应的措施,用户受到地理环境和工作内容的限制,对有线网络、有线传输的布线工程具有极大的不便。这时,采用无线监控可以摆脱线缆的束缚,具有安装周期短、维护方便、扩容能力强,迅速收回成本的优点。本文介绍的水表数据采集传输管理系统是根据某生产型企业的室外距离较远及生产办公环境已较完善的现状而设计,实现数据的实时无线传输,并在中控室对数据进行存储、分析和管理。

本系统由电磁流量计采集现场水流量,采集点共有50处,厂区长2 km,宽1 km,采集点分布在厂区的各个用水地方。要求所有电磁流量计的信号以无线传输的方式采集到中控室,在中控室的上位机上实现电磁流量计数据的实时监控,做出相应的数据统计、报表分析、历史曲线。完成现场数据采集的电磁流量计采用TOSHIBATIG系列,转换器为LF402型,可外接GPRS通讯模块或无线数据传输电台。考虑到此生产企业的现状,采用NH719-1数传电台,上位数据采集处理软件采用 VB6.0,数据库使用SQL server2000来完成定时抄表功能。要求记录各个采集点的流量瞬时值和总流量(即到目前为止的累积量)。

2 无线传输系统

2.1 组网方式

系统采用主站+从站的组网方式,主站位于中控室,从站分布于各个水表现场。系统组网方式如图1所示。

图1 系统组网方式Fig.1 System network construction

本项目采用NH719-1数传电台,采用先进的频率合成技术,CPU锁相环控制,配合调制解调器,可提供语音或数据信号的透明传输,适应各种点对点、点对多点的无线数据通信方式,具有收发一体、安装方便、使用简单、性价比高、稳定可靠等特点,广泛用于各种数据的远程采集控制系统中。

国家信息产业部无线电管理局专门给SCADA系统辟出了223～235 MHz的无线数据通信专用频段。据此NH719-1数传电台工作频率选用230 MHz(220～240 MHz可调),最大发射功率为25 W,可支持RS232和 RS485通讯接口,传输速率可调(1 200/2 400/4 800/9 600 b/s)。

系统主站位于中控室。系统主站的无线数传电台负责接收各个分站传来的现场数据。再通过工作站RS232串口将数据传输给上位系统,由上位系统对数据进行存储分析。系统共有50个分站,分布在各个用水处。分站的无线数传电台负责接收电磁流量计采集的实时数据,再将数据发送给主站的无线数传电台。

2.2 通讯协议

系统主站与从站的通讯采用主从扫描式通讯协议,每次通讯过程均由主机发起,然后从机进行响应,回传规定的信息,完成一次通讯过程。主机发送至从机的信息由4字节组成,第1字节是起始码(0x2A),第2字节为从机地址,其编码:0～127(最高二进制位另有定义),第3字节为数据分类命令,第4字节是结束码(0x2E)。从机接受到主机命令信息后,按命令要求回传测量数据。从机响应主机命令,回送10个字节数据,分为命令段、数据段、校验和、结束标志4部分。

2.3 通讯测试

通讯测试的步骤如下。

1)从站参数设定。为每个从站的电磁流量计设定从机号和统一通讯速率。

2)选定通讯频段。每个无线数据传输电台上设有8位拨码开关,通过调整拨码开关可为电台选定不同的频段。所有电台必须选择相同的通讯频段,即拨码开关设为一致。通过实验,为无线通讯选定无干扰的通讯频段。

3)实现无线通讯。由主站的PC发出通讯命令,首先在发送给从机的信息结构中将地址码设为1,功能码设为瞬时流量对应的编号00,再加上起始码和结束码一起通过主站的电台发送出去。1号从机接收到主机命令信息后,生成10字节的响应信息数据,在数据段的位置填充要求的数据,将其回传给主站。主站接收后再将发送给从机的信息数据中的功能码改为总流量对应的编号04,再次发送出去。1号从机接收到之后,在数据段的位置填充总流量值,再次回传给主站。至此完成了主站和1号从站的通讯,主站再将地址码改为2,完成与2号从机的通讯,直到完成与50号从机的通讯,才算完成了一次完整的采集过程。

3 数传电台天线的选择和安装方式

由于生产型企业需要同时运转许多大型生产设备,这些设备的高功率强磁场在一定程度上影响着无线数字传输的质量,因此无线数传电台天线的选择变得至关重要。

按照正确的硬件安装方法安装并进行设定之后,如果还不能接收到准确无误码的信息,则需检查安装的天线是否合适。系统主站的位置紧邻大型生产设备运转车间,如果将普通的吸盘天线安装在控制室室内,会导致信号无法传输到从站。所以必须将天线架设在室外无干扰的地点来保证传输质量。这需要延长数传电台与工作站之间的连接线,将数传电台和电源延伸到室外,由于天线的室外安装点到室内工作站的位置的长度在10 m左右,则主站可采用RS232接口的数传电台,如果这一距离过远,则需更换数传电台为RS485接口,同时通过 RS485-232转换模块来完成数传电台与工作站之间的通讯。为得到更加稳定无误码的通信数据,主站天线采用玻璃钢天线来代替普通的吸盘天线,可以减少信号干扰,保证通讯质量。为了避免雷雨天气强电流对设备的损坏,需在玻璃钢天线和数传电台之间增加避雷器。

系统从站的数传电台与电磁流量计连接,所选用的电磁流量计为RS485接口,则从站数传电台采用 RS485接口。从站安装地点大多为室外空旷地点,因此采用一般的吸盘天线就可以完成准确的数据传输。吸盘天线需安装在铁质物体上,可以获得较好的通信效果。部分从站数据采集点位于大型建筑物底层,则将馈线适当延长,保证天线架设高度不低于二层楼高。如果从站数据采集点置于地井下,考虑到地下的信号吸收和地井盖的屏蔽作用,电台的天线采用小型橡皮天线或定制相应天线置于井盖表面。同时将数传电台的供电电压和电台发射功率适当提高也可改善通讯质量。系统如图2所示。

图2 数传电台与天线的连接Fig.2 Data radio and antenna connections

4 软件设计和功能实现

软件部分主要完成现场信号的获取、处理及计算,结果的显示、保存和打印等功能。抄表周期设为6 min,系统每隔6min发起一次数据采集过程,每次数据采集过程要依次完成对50块水表的瞬时水流量和累积用水量的采集。

4.1 数据采集

中控室工作站对现场信号的获取是通过主机RS232串口与无线数据传输电台的通讯实现的,是软件部分的核心。VB语言是基于Window s操作系统的面向对象的程序设计语言。VB带有专门管理串行通讯的MSComm控件,利用它只需要设置几个主要参数就可以实现PC机与无线通讯模块的串行通讯。

4.2 数据库设计

SQL server功能强大,能完整实现数据库系统的所有功能。系统设计的数据库表如下:数据库名称为WXC;数据表为水表。

工作站将从PC串口上采集到的现场数据在VB组态画面上显示,同时存入SQL server数据库的WXCS数据库的水表表单下。

4.3 系统画面创建

本系统中最重要的功能为实时数据显示。实时数据显示的画面如图3所示。

图3 实时数据显示Fig.3 Real-time data display

其他功能为历史数据查询、数据曲线图、报表绘制、打印操作、值班员值班记录等窗体界面。

5 结论

系统采用无线传输管理系统之后降低了综合成本,即只需一次性投资,无须挖沟埋管,且维护费用低。系统经过调试运行:保证了在长2 km宽1 km的厂区内的水表数据的无线传输,且运行稳定、实时性强、误码率低,满足全部生产要求。上位系统功能齐全,能够保存历史数据长达1a,为生产的成本分析提供了强大的保障,降低了清水用量和生产开支,同时降低了生产劳动强度,提高了管理水平。

[1] 许辉,王永添,陈多芳.现代通信网技术[M].北京:清华大学出版社,2004.

[2] 杨帮文.最新工业自动化测控应用手册[M].北京:机械工业出版社,2007.

[3] 张国雄.测控电路[M].北京:机械工业出版社,2008.

修改稿日期:2010-09-10