劉懷利，徐 浩

（安徽省?水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院，安徽 蚌埠 233000）

水資源取水計(jì)量數(shù)據(jù)精確采集方法探討

劉懷利，徐 浩

（安徽省?水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院，安徽 蚌埠 233000）

為實(shí)現(xiàn)對(duì)配置不同通信接口的各類計(jì)量設(shè)施數(shù)據(jù)精確采集，研究常用通信接口的數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)采集方法，有效地解決對(duì)不同類型計(jì)量設(shè)施實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)的難題；分析流量計(jì)的通信調(diào)試方法和要點(diǎn)，介紹水資源傳輸規(guī)約在通信過程中的執(zhí)行方法，對(duì)計(jì)量設(shè)施配置通信接口標(biāo)準(zhǔn)提出建議，為順利實(shí)施水資源取水在線監(jiān)控提供條件。

水資源；在線監(jiān)控；計(jì)量設(shè)施；通信接口；數(shù)據(jù)采集

0 引言

水資源取水在線監(jiān)控是水資源監(jiān)控能力建設(shè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，用于對(duì)工業(yè)、生活和農(nóng)業(yè)取用水戶取水量進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)量和在線監(jiān)測(cè)，是水資源管理工作的技術(shù)支撐，是實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的重要手段[1]。

實(shí)施取水在線監(jiān)測(cè)需要對(duì)計(jì)量設(shè)施進(jìn)行計(jì)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和遠(yuǎn)程傳輸。目前大部分取用水戶已按照相關(guān)要求自行安裝了取水計(jì)量設(shè)施，但是由于不同取水戶在不同時(shí)期安裝的流量計(jì)存在類型、通信標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)參數(shù)不統(tǒng)一的問題，給計(jì)量數(shù)據(jù)的精確采集帶來了一定的困難。結(jié)合安徽省水資源取水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)，對(duì)目前常見的各種流量計(jì)儀表通信接口進(jìn)行分析，對(duì)不同通信接口的數(shù)據(jù)精確采集方法進(jìn)行研究和探討，對(duì)流量計(jì)儀表的通信調(diào)試方法及注意事項(xiàng)進(jìn)行介紹。

1 水資源取水在線監(jiān)控系統(tǒng)簡述

水資源取水在線監(jiān)控系統(tǒng)主要由取水計(jì)量設(shè)施、遠(yuǎn)程傳輸裝置、監(jiān)測(cè)中心平臺(tái)等 3 個(gè)部分構(gòu)成[2]，如圖1 所示。其中，取水計(jì)量設(shè)施由流量計(jì)和信號(hào)轉(zhuǎn)換器組成，用于實(shí)時(shí)計(jì)量取用水戶的取水量；計(jì)量數(shù)據(jù)包括管道取水流速、瞬時(shí)和累計(jì)取水流量等；遠(yuǎn)程傳輸裝置由數(shù)據(jù)采集器、遙測(cè)終端（RTU）、數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU）等組成，用于獲取取水計(jì)量儀表中的計(jì)量數(shù)據(jù)并將該數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式遠(yuǎn)程傳輸至監(jiān)測(cè)中心平臺(tái)；監(jiān)測(cè)中心平臺(tái)由數(shù)據(jù)接收裝置、數(shù)據(jù)采集軟件、服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)查詢應(yīng)用軟件等組成，用于集中遠(yuǎn)程接收和儲(chǔ)存計(jì)量數(shù)據(jù)，并通過應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、分析和報(bào)表統(tǒng)計(jì)等功能。

圖1 水資源取水在線監(jiān)控系統(tǒng)組成示意圖

2 通信接口數(shù)據(jù)采集

目前，市場(chǎng)上運(yùn)用較為廣泛的取水計(jì)量設(shè)施為電磁式流量計(jì)、超聲波式流量計(jì)和電子遠(yuǎn)程水表等[3]，常見的信號(hào)輸出通信接口為 4～20 mA 電流環(huán)輸出、頻率輸出、繼電器輸出、485 數(shù)字通信接口、HART 協(xié)議接口等。其中，4～20 mA 電流環(huán)輸出是通過電流來傳輸信號(hào)屬于模擬量輸出[4]，RS-485（232）接口為數(shù)字串行通訊具有良好的抗噪聲干擾性[5]，HART 協(xié)議為在 4～20 mA 模擬信號(hào)上疊加幅度為 0.5 mA 的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行雙向數(shù)字通訊[6]。

部分取水企業(yè)早期安裝的流量計(jì)儀表通信接口標(biāo)準(zhǔn)配置多為 4～20 mA 電流環(huán)和頻率脈沖輸出方式，RS-485（232）通信接口作為選配。國外進(jìn)口的流量計(jì)儀表的通信標(biāo)準(zhǔn)配置為 4～20 mA 電流環(huán)和頻率脈沖輸出方式，HART 協(xié)議接口輸出作為選配。為確保計(jì)量儀表數(shù)據(jù)的精確采集和傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)平臺(tái)接收到的計(jì)量數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量儀表數(shù)據(jù)完全一致，應(yīng)優(yōu)先采用數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行通信傳輸，對(duì)不同的儀表通信接口采取數(shù)字化處理，轉(zhuǎn)換成 RS-485串行接口進(jìn)行數(shù)字通信。

2.1 RS-485（232）接口數(shù)據(jù)采集

對(duì)部分流量計(jì)儀表有 RS-485 通信接口，可利用RTU 采集終端的 RS-485 接口直接與流量計(jì)儀表進(jìn)行通信，以采集儀表的瞬時(shí)和累計(jì)流量值。對(duì)部分流量計(jì)儀表有 RS-232 通信接口，可利用 RS-232轉(zhuǎn) RS-485 模塊，將 RS-232 接口轉(zhuǎn)換成 RS-485 接口，再接入到 RTU 采集終端的 RS-485 接口上，實(shí)現(xiàn)與流量計(jì)儀表通信，采集儀表的瞬時(shí)和累計(jì)流量值。RS-485（232）通信接口數(shù)據(jù)采集如圖2 所示。

圖2 RS-485（232）通信接口數(shù)據(jù)采集

以 TDS-100 超聲波流量計(jì)為例，在與流量計(jì)通信前應(yīng)首先設(shè)置流量計(jì)的通信地址、參數(shù)、協(xié)議等。在本例中，通信地址設(shè)為 01，通信波特率采用9 600、無校驗(yàn)、8 位數(shù)據(jù)位、1 位停止位；通信協(xié)議選用 Modbus RTU 通信協(xié)議。使用串口線將帶有串口的 PC 機(jī)與流量計(jì) RS-485 接口連接，利用串口調(diào)試軟件，向流量計(jì)發(fā)送累計(jì)流量值通信命令：01 03 00 08 00 02 45 C9，其中 01 為地址碼，03 為功能碼，00 08 為寄存器地址，00 02 為寄存器位數(shù)，45 C9 為CRC 校驗(yàn)碼。通信調(diào)試成功情況下流量計(jì)會(huì)回復(fù)命令：01 03 04 65 F4 00 18 A5 07，其中 01 為地址碼，03 為功能碼，04 為字節(jié)個(gè)數(shù)，65 F4 00 18 為累計(jì)值的十六進(jìn)制數(shù)，其中 65 F4 為低字節(jié)，00 18 為高字節(jié)，將其轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)，即可得到流量計(jì)的累計(jì)流量值 1 598 964，單位為 m3，A5 07 為 CRC 校驗(yàn)碼。RS-485（232）接口通信調(diào)試示意圖如圖3 所示。

圖3 RS-485（232）接口通信調(diào)試示意圖

2.2 HART 協(xié)議接口數(shù)據(jù)采集

對(duì)部分國外進(jìn)口流量計(jì)儀表沒有配置 RS-485通信接口，但帶有 HART 輸出信號(hào)接口，可通過“HART-RS-485 協(xié)議轉(zhuǎn)換器”實(shí)現(xiàn)流量計(jì)儀表數(shù)據(jù)的 RS-485 信號(hào)輸出。將流量計(jì)儀表的 HART 輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成 RS-485 通信，再連接到 RTU 采集終端 RS-485 接口上，實(shí)現(xiàn)采集計(jì)量儀表的瞬時(shí)和累計(jì)流量值，如圖4 所示。

以嘉興松茂 SM100 HART 協(xié)議轉(zhuǎn)智能適配器為例，如圖5 所示，選相對(duì)應(yīng)的串行接口，波特率默認(rèn)為 9 600，1 個(gè)停止位，8 個(gè)數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗(yàn)。打開串行口，并測(cè)試 SM100 系列與 PC 機(jī)通訊是否正常。按下通信測(cè)試，測(cè)試軟件開始自動(dòng)對(duì)測(cè)試儀表進(jìn)行檢測(cè)，如果顯示儀表的 ID 及其他參數(shù)，則表示 SM100 系列和儀表工作正常。

圖4 HART 協(xié)議接口數(shù)據(jù)采集

圖5 SM100 系列 hart 協(xié)議調(diào)試軟件界面

在參數(shù)設(shè)置界面中的模塊工作方式選擇 Moudbs單臺(tái)儀表時(shí)，轉(zhuǎn)換模塊將 HART 通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的 Modbus 協(xié)議，采集終端與流量計(jì)就可以通過Modbus 通信協(xié)議進(jìn)行通信，如圖6 所示。具體調(diào)試方法與 RS-485 接口通信調(diào)試相同。

2.3 4～20 mA 電流環(huán)和頻率脈沖輸出接口數(shù)據(jù)采集

對(duì)部分流量計(jì)儀表僅有 4～20 mA 電流環(huán)和頻率脈沖輸出，可利用 RTU 采集終端的模擬量接口連接到儀表4～20 mA 電流環(huán)輸出以采集儀表的瞬時(shí)流量值，利用脈沖量接口連接到儀表頻率脈沖輸出以采集儀表的累計(jì)流量值。對(duì)采集到的瞬時(shí)流量值、累計(jì)流量值進(jìn)行儲(chǔ)存并通過采集終端 RS-485 接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線傳輸，如圖7 所示。

4～20 mA 信號(hào)接入 RTU 時(shí)，需要了解流量計(jì)設(shè)定的最大瞬時(shí)量，并將 RTU 中最大瞬時(shí)量設(shè)定為相同數(shù)值。累計(jì)量脈沖采集應(yīng)首先設(shè)置流量計(jì)的輸出脈沖當(dāng)量（即輸出 1 個(gè)脈沖代表累計(jì)計(jì)量多少水量，如輸出 1 個(gè)脈沖代表累計(jì)計(jì)量 1 m3水），然后RTU 采集脈沖設(shè)置的當(dāng)量應(yīng)與流量計(jì)輸出脈沖當(dāng)量完全一致，流量計(jì)的輸出脈沖當(dāng)量的設(shè)定值因根據(jù)實(shí)際測(cè)定的流量大小進(jìn)行設(shè)置，建議流量計(jì)累計(jì)脈沖輸出速率設(shè)定在 1～60 脈沖/min，以確保流量計(jì)輸出累計(jì)脈沖大小合適。

圖6 Hart 轉(zhuǎn)換模塊工作方式配置

圖7 4～20 mA 電流環(huán)和頻率脈沖接口數(shù)據(jù)采集

圖8 數(shù)據(jù)通信示意圖

2.4 水資源傳輸規(guī)約執(zhí)行

采集終端 RTU 設(shè)備采用流量計(jì)設(shè)置的通信協(xié)議與流量計(jì)進(jìn)行通信，采集到計(jì)量數(shù)據(jù)后存儲(chǔ)到其內(nèi)部寄存器，監(jiān)測(cè)平臺(tái)通過讀取采集終端 RTU 設(shè)備的寄存器數(shù)據(jù)獲取流量信息。監(jiān)測(cè)平臺(tái)與采集終端RTU 設(shè)備間的通信遵循國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目辦發(fā)布的 SZY206-2012《水資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》，數(shù)據(jù)通信示意圖如圖8 所示。

3 流量計(jì)通信調(diào)試要點(diǎn)

在實(shí)施取水在線監(jiān)測(cè)工作過程中，要精確采集到流量計(jì)的計(jì)量數(shù)據(jù)，首先要確保流量計(jì)的通信調(diào)試成功。流量計(jì)通信調(diào)試需要注意以下幾個(gè)方面：

1）首先確保數(shù)據(jù)采集終端 RTU 與流量計(jì)通信接口的可靠正確連接，數(shù)據(jù)采集終端 RS-485 的 A，B 接口必須用 2 芯屏蔽線對(duì)應(yīng)連接至流量計(jì)通信接口RS-485 的 A，B 接口上，不能接錯(cuò)；

2）數(shù)據(jù)采集終端 RTU 的通信參數(shù)的設(shè)定需與流量計(jì)的通信參數(shù)一致，如：儀表地址、波特率、校驗(yàn)方式、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位數(shù)等；

3）要提前獲取流量計(jì)的通信協(xié)議，并對(duì)通信協(xié)議進(jìn)行仔細(xì)分析，掌握其通信命令，了解協(xié)議中關(guān)于瞬時(shí)流量、累計(jì)流量計(jì)算方法；

4）為了防止電源諧波干擾通信，電源線與信號(hào)線避免在同一線槽內(nèi)走線，信號(hào)線需要采用符合國家標(biāo)準(zhǔn)的帶有屏蔽層的信號(hào)線；

5）流量計(jì)原則上要遠(yuǎn)離變頻器等設(shè)備，避免通信電磁場(chǎng)干擾。如果無法避免，需要在電源模塊中增加隔離變壓器，并保證流量計(jì)有良好的接地。

4 計(jì)量儀表通信接口配置建議

目前，市場(chǎng)上應(yīng)用比較多的管道式計(jì)量設(shè)施為插入式超聲波流量計(jì)、管道式電磁流量計(jì)、管道式超聲波水表、機(jī)械碼盤水表等，在進(jìn)行計(jì)量設(shè)施選型時(shí)，應(yīng)充分考慮實(shí)施在線監(jiān)控對(duì)計(jì)量儀表通信接口的技術(shù)要求。為實(shí)現(xiàn)計(jì)量數(shù)據(jù)的精確采集和遠(yuǎn)程傳輸，流量傳感器與終端通信接口應(yīng)為串行口（RS-232C，RS-485，RS-422）、模擬量、并行口、開關(guān)量和脈沖量，其中模擬量應(yīng)采用 4～20 mA，0～5 V；開關(guān)量和脈沖量應(yīng)采用無源開關(guān)或有源脈沖，串行口通信協(xié)議應(yīng)采用 Modbus 協(xié)議，并行口應(yīng)采用格雷碼和 ASCII 碼[7]。因此，在進(jìn)行計(jì)量設(shè)施選型時(shí)，應(yīng)選用超聲波流量計(jì)、電磁流量計(jì)或管道式超聲波水表，并配置 RS-485（RS-232C）串行口、4～20 mA 模擬量以及開關(guān)量或脈沖量接口等，RS-485（RS-232C）串行口要采用 Modbus 協(xié)議。

5 結(jié)語

安徽省水資源取用水國控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)于 2011 年底，至 2013 年底基本完成 377 處國控取水監(jiān)測(cè)站的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了 377 處取水點(diǎn)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，平臺(tái)接收數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量儀表顯示數(shù)據(jù)完全一致。由于部分取水戶已安裝計(jì)量設(shè)施，為充分利用已有的計(jì)量設(shè)施，避免重復(fù)建設(shè)，需加強(qiáng)對(duì)不同類型計(jì)量設(shè)施通信接口和通信協(xié)議的研究和分析，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控裝置與計(jì)量儀表的實(shí)時(shí)通信和無縫對(duì)接。在建設(shè)過程中，對(duì)遇到的各種不同種類、廠家、型號(hào)計(jì)量設(shè)施的通信接口和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)分別進(jìn)行了研究和分析，對(duì)其采集方法進(jìn)行了探索，并將采集方法成功應(yīng)用到項(xiàng)目建設(shè)中，為系統(tǒng)的順利建成創(chuàng)造了條件。

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Discussion on Precise Acquisition Method of Water Resources Metering Data

LIU Huaili, XU Hao
(Water Resources Research Institute of Anhui Province, the Ministry of Water Resources, Bengbu 233000, China)

To realize the accurate acquisition for metering facilities with different data communication interface, the article researches digital signal data acquisition methodS with the commonly used communication interfaces.It effectively solves the problem of online monitoring with different types of metering facilities, analyses methods and key points for communication debugging of flow, introduces the implement method of water resources transmission protocol in the communication process.It puts forward some suggestions on the communication interface standard of metering facilities and provides the conditions for the smooth implementation of water resources water online monitoring.

water resources; online monitoring; metering facilities; communication interface; data collection

TV21

A

1674-9405(2014)05-0046-05

2014-07-01

劉懷利（1982－），男，安徽懷遠(yuǎn)人，碩士，工程師，主要從事水利信息化研究與應(yīng)用工作。