基于虚拟串口和组态技术的电能计量自动化系统

王世营,王　伟（山东新华制药股份有限公司,山东　淄博　255005）



基于虚拟串口和组态技术的电能计量自动化系统

王世营,王伟
（山东新华制药股份有限公司,山东淄博255005）

摘 要：设计了基于虚拟串口和组态技术的电能计量自动化系统。采取虚拟串口技术在采集主机上虚拟大量串口，通过组态软件中的设备驱动和OPC功能与电能表直接通讯，完成数据采集。应用组态技术实现数据处理、人机界面、报表、WEB发布等功能。

关键词：电能计量；虚拟串口；串口服务器；组态技术

0　引言

电能计量是现代企业能源计量的一个重要部分，传统的电能计量方式是依靠人工定期到现场读抄数据，在实时性，准确性和应用性等方面往往不能满足计量要求。传统的电能计量方式耗费了大量人工成本，工作效率却非常低。

电能计量自动化技术也称为电能自动抄表技术，是一种基于计算机、通信等技术的数据自动采集、传输、处理系统，它是一种不需要人到达现场就能完成电能计量的智能化管理系统。它克服了传统的电能计量方式存在的缺陷，对提高企业的能源管理水平和经济效益具有重要的意义。

1　电能计量自动化技术的现状

目前电能计量自动化技术研究很多，但仍然存在以下问题。

（1）应用范围窄。应用主要对象是电厂、供电局等供电单位，或者是一些特大型企业，适用于中小企业的电能计量系统的研究很少。

（2）电表通讯协议不统一，数据采集的不便，造成技术门槛高。

（3）应用难度大，资金门槛高。在当前电能计量自动化的系统结构上，不算通信信道大部分都是采取电表、采集器和主站得三层布局结构。需要专门编程、调试，投资大，施工周期长，进而制约了其在广大中小企业中的推广[1,2]。

本文设计的基于虚拟串口和组态技术的电能计量自动化系统，放弃了传统的布局结构，不再采用数据采集器、集中器或者转储器，而是采取虚拟串口技术在采集主机上虚拟大量串口与电能表直接通讯，无需编程，通过简单设置即可完成数据通讯。通过组态软件中的设备驱动和OPC功能完成对不同通讯协议电能表的通讯。应用组态技术实现数据处理、人机界面、报表、WEB发布等功能。它开发简单、资金投入少，施工时间短，特别适用于中小企业或实时性要求不高的积算式计量仪表的数据采集处理。

2　工作原理

系统主要由电表、通信网络和采集主机三大部分组成。它完成电能数据的采集、传输和处理。采集系统采用C/S(client/sever)模式的结构。电能表是服务器, 所有的原始数据都存储在电能表中。主站中运行的采集软件为客户, 采集软件定时向电表发指令请求采集数据。采集软件循环向每一个电表请求采集数据, 完成对电能数据的连续采集。主站通过通信网络与电能表直接通讯，中间没有数据采集器。

3　系统构成

3.1主要硬件设备

3.1.1智能电表

电表处于数据采集的最前端,是电能数据采集与处理系统的计量元件, 其精度将直接影响到整个系统的电能计量精度。电表的通讯协议类型和电表的位置分布，决定整个电能计量系统的通讯方式和网络结构。本系统中的电表通讯协议有Modbus和DTL/645电力规约两种类型。

3.1.2串口设备联网器

串口设备联网器是串口设备和以太网之间的桥梁，串口设备联网器是独立的基于IP的网络设备，可以按照需要为采集主机扩充大量的串口，它可以在串口和以太网口之间进行双向数据传输。本系统采用了MOXA5150型号的串口设备联网器。有了串口设备联网器，采集主机可以通过以太网来控制大量分散的串口设备，串口设备联网器支持以太网直接无差错的访问，通过简单的设置即可实现所有的控制和传输过程。它能让Windows NT主站像接收标准串口的数据一样接收来自于虚拟串口的数据。

3.2通信方案

数据传输通道是联系电表和采集主机的桥梁，也是电能计量系统中的关键。数据通信方案的选取要综合考虑电表通讯协议、电表位置分布、技术水平和投资成本等因素。很多情况下，某种通讯方案被最终选用并不表示经济利益和技术要求的最大满足，而只是权衡了各方面因素后的折中。

3.2.1电表与串口设备联网器的连接方式

电表主要集中在各个低压配电室内，每个配电室内有几个至几十个智能电表。每个配电室内配备1到2个串口服务器即可满足数据采集需要。串口设备联网器与智能电表采用RS485总线连接的方式，主要基于以下三点：

（1）目前工业现场中许多设备仍然使用RS-485接口通讯，支持RS485通讯协议的仪表多。在工业现场RS485/MODBUS是很流行的一种布网方式，在低端市场RS485/MODBUS甚至是最主要的组网方式。另外RS485的转换接口不仅便宜而且种类繁多。

（2）RS485总线具有良好的抗干扰性且施工简单方便。因为RS485接口均采用屏蔽双绞线传输，RS485接口组成的半双工网络只需二根连线。

（3）由于串口设备联网器和电表都在配电室内，通讯距离短，不需要RS485总线长距离通讯。由于平衡双绞线的长度与传输速率成反比，其最大传输速率为10Mb/s，这样能使得数据以较高的速率传输。

3.2.2串口设备联网器与主站的连接方式

新华制药配电室的特点是分散，而且距离距采集主站比较远，单纯的RS485总线无法满足传输要求。由于光纤通讯的距离非常长，能满足厂区内电气环境复杂下抗干扰的需要，因此在配电室内的串口服务器和主站之间采用了以光纤为媒介的工业以太网相互连接。

3.2.3以太网与RS485总线的连接

采用串口设备联网器作为连接以太网和RS485总线的桥梁实现工业以太网和RS485总线对接，即让现有传统的RS485串口设备，立即转换成具备网络界面的网络设备。

采集主机通过以太网与各个配电室的串口设备联网器通讯，每个串口设备联网器有一个IP地址和与之对应的多个虚拟串口。位于各个配电室的串口设备联网器与配电室的RS485接口的电能表采用总线型结构连接。具有相同通讯协议的电表共用一个虚拟串口与采集主机通讯。即一个配电室的串口设备联网器的数量由电表的通讯协议的种类数决定。在主站上的组态软件中可以方便的使用不同的电能通讯协议和设备驱动采集不同的通讯协议的电表数据。

采集主机与串口设备联网器互联，仅仅是通过以太网来延伸主站串口距离,无需编程和驱动程序,通过简单设置即可实现两者通讯；主站可以访问多个同IP段下的串口设备联网器。串口设备联网器提供一种虚拟串口访问方式,用户只需要安装相应的驱动程序,即可在主站上产生多个由驱动程序仿真出来的虚拟串口，每个虚拟串口用于访问相应的串口设备联网器上连接的电表。用户只需打开由软件中虚拟的串口即可透明访问远端串口设备。因为所有与串口设备联网器有关的以太网控制和传输过程都由驱动程序代予完成，所以串口服务器能够轻松跨越路由器连接终端设备，而不必过问复杂的以太网访问过程。

4　采集主机

4.1采集主机数据处理

采集主机是电能计量系统的指挥调度中心和应用表现层, 配以网络接口、外设及相应的软件构成。主要用来采集数据并执行相应的通讯管理、完成数据接收、存储, 数据管理、统计分析、提供人机界面、数据查询、输出、电网运行参数监测、电网运行质量监测、乃至与其他系统的跨平台链接,为节能措施及调度提供数据。主站的开发主要是应用软件开发。因此中心工作站的硬件必须有一定的运算和存储能力。软件上要求操作系统稳定可靠，必须具有处理大量数据的能力。本系统采用的是紫金桥6.5版本组态软件。

基于组态软件的数据处理系统包括电量的统计和分析、采集数据的存储、查询、检索、维护和故障报警、报表统计和打印输出。开发过程中,每一项功能作为一个单独的子系统, 在不同的界面中完成。以组态软件为中心的电能数据的处理系统完成对数据的显示、报警、历史数据的查询、报表, 以及根据不同时段、不同费率, 对不同的用户产生不同的处理, 如电费结算、电量的考核、用电的监察以及电能数据的分析应用等。

4.2数据发布

数据发布模式采用B/S(browser/service)结构。B/S结构是随着Java 语言和Internet 技术的兴起, 对C/S(client/service)结构的一种改进。在B/S结构下,软件应用的业务逻辑完全在应用服务器端实现, 用户表现完全在Web服务器实现, 客户端只需要浏览器即可进行业务处理,是与C/S结构不同的网络信息发布构造技术。[3]采集主机将处理后的数据，通过组态软件的Web发布模块，根据各部门的需要发布到网络，供各个客户机浏览。这时采集主机同时也是Web服务器，各部门单位的计算机为客户, 通过局域网访问主站。

5　结论

（1）整个系统投资少，施工快，能很快投入运行。

（2）运行几年来，运行平稳，取得了预期设计效果。

（3）整个系统适用于中小规模，实时性要求不高的的场合。

参考文献：

[1]张祖平,肖波.远程抄表系统中实现模式的研究[J].计算机工程,2006,32(19).

[2]周游,高新华.国内几种电能表自动抄录系统之比较[J].广东电力,2002,15(01):55-58.

[3]邱东,朱里红,陈爽,仝彩霞.基于组态技术和B/S构架的电能计量系统的开发与应用[J].工业控制计算机,2008,21(09).

作者简介：王世营（1980-），男，硕士，研究方向：数据采集、自动化、机电一体化。

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