毕业设计（论文）-PLC在无人抄表系统中的应用.doc

摘 要本文通过对传统抄表系统的研究与改进，利用现代无线通信技术设计了基于无线通信技术和串口通信的远程抄表系统。本文对该远程抄表系统的方案、系统的组成、硬件的配置、软件设计、工作原理、功能以及技术性能做了详细介绍。该系统使用性价比较高的单片机与无线收发模块（PTR2000）对数据进行处理和传输，并利用PLC与水、电、气公司的上位机进行远程通信，由上位机的管理软件完成对数据的处理、信息反馈、图表绘制等一系列工作。本系统在每个单元楼的数据设一个用户集中器，再通过（PTR2000）与远程计算机通信。以每个单元七层楼，一梯三户型为标准，每个用户集中器处理72户的数据，以一个普通小区的规模，本系统的采集容量可达到上千户。规定每100ms采集一户数据，则一分钟可以采集600户的数据，数据采集实时性大大提高。另外，所采用的单片机和收发模块都是低功耗设计，在断电或者无电源情况下避免数据丢失。本系统不但解决了过去抄表系统的人力、物力浪费问题，而且使得数据采集更具有随时性、准确性和信息得到有效反馈，并且能在完成数据采集的同时完成定期数据整理分析、打印图表，从而合理安排水、电、气的使用和管理，有效减少资源的浪费。该系统采用现代无线通信技术，随着无线通信技术的越来越成熟化、稳定化，该系统的性能会不断提升并具有广阔的市场发展空间。关键词 无线通信 自动抄表系统 PLC Title The automatic reading meter systemAbstractThis paper through copies the meter system to the tradition the researchandthe improvement, has designed using the modern wireless communication.Long-distance copies the meter system based on the wireless communication and the string mouth correspondence. This paper mainly introduces the ARMS, including the constitution of this system, the configuration of hardware, the design of software, the principle of working and the capable of this system. The ARMS collects the data through the MCU and packs up the data through the PTR2000 block, sends the data through the wireless modem block by the GSM. The Water, Electricity and Gas Company collects the data through the PC, and then the function of remote ARMS is carried out. This system not only solved the past to copy the table system the manpower, the physical resource question, when causes the data acquisition has solid, the accuracy and the information receives the effective feedback. And this system can complete the data acquisition simultaneously to complete the regular data ordering analysis, the printing graph.Along with the wireless communication more and more mature, is stable, this system performance can unceasingly promote and the broad market development space.Key Words Wireless Communication Automatic Reading Meter System SIEMENS PLC第一章 绪论1.1自动抄表系统研究的目的及意义水、电和燃气是生活中必不可少的，它们的发展一直倍受人们的关注。在人们关注的同时，三表抄送系统产生了，并且，随着科技的不断发展，三表抄送系统也越来越智能化。同时，随着人们的生活水平不断提高，老百姓对生活环境提出了更高的要求。在政府政策的鼓舞下，家居智能化得到了高速的发展。随着科技的发展，小区住宅除了满足人们最基本的居住要求，还要将方便、省时的物业管理带给住户。实现住宅的三表（水、电、煤气）自动抄表、自动计费，已成为新型智能小区的必备条件。作为智能化产业链中的一环智能抄表系统也同时得到了蓬勃发展。从沿海的经济发达地区深圳、广州、上海到政治文化中心北京，以及中国西部城市成都、重庆、贵州、昆明等地均不同程度地建设了智能化示范小区。这些智能化住宅小区的建设，提高了住户的生活质量，扩大了住户的居住空间，为当地智能化建设起到了示范作用。让我们回头看看，几年前甚至是在现在，很多落后的地区对三表抄送这一块还是用最原始的方法，“亲自登门拜访”这就是传统的抄表方式。传统的三表需要抄表人员定期挨家挨户抄取数据，结算出费用后，再到各家索取，误差大、统计工作量大，人为的错误给物业管理和用户带来极大不便。现在有许多地区改为插卡式买电装置，这虽然减少了人为因素，但是买电时要到银行，费时费力，且水、电、气表分别交费，也有许多不便之处。小区智能抄表系统节省时间、人力、物力、提高工作效率，降低物业成本，准确及时地将住户所使用的三表数据显示出来，为实现小区科学、系统的物业管理提供了有效的解决方法。小区智能抄表系统的出现，方便了住户，可设置多级加密功能，定义访问权限，更可增加系统的保密性。防泄漏报警可以使住户放心，不必因家中只有老人、孩子而担心煤气的泄漏与触电现象的发生。一方面杜绝了抄表扰民的问题；另一方面可以简化管理手段，减轻制物业管理负担。因此三表出户系统是新一代的具有城市性自动化计量收费管理系统，是提高住宅发展的必然，合乎人们高品质生活的追求，符合国家小康型住宅产业的精神。1.2自动抄表系统发展现状自从1986年我国自行研制抄表微机以来，经过十几年的发展，国产高性能的抄表微机已形成大批量的生产，成为一个新兴产业。中科院计算所是最早从事这方面的技术研发工作的单位，并围绕此项目专门成立集研发、生产、销售于一体的振中公司，并于1987年推出ZZ型号产品，开始了我国抄表机应用的潮流。随着抄表机在国内的普及，很多厂家也开始进入这个新兴的产业，由此推动了抄表机产品向着产业化方向的大步伐迈进。在众多的厂家中，发展到今天基本上形成了南北两大成熟产品制造厂商：北京振中和广州智敏（原名兰德）。这个时候已经很难在市场上看到国外品牌的抄表机产品，这也是民族产业在特定领域的一个胜利。 市场的竞争，推动着厂家在产品上推陈出新，不断给用户提供更方便、适用、经济、耐用的产品。18年中，仅振中公司就开发出了五大系列15个型号的产品。现在，国内主流抄表机产品型号有振中公司生产的TP800和ZZ18两个系列、智敏公司生产的HT3200系列，以及近几年新兴起的捷宝公司生产的JB9800产品。 这几类机器各有特色，首先在数据的采集方面，TP800产品提供可选的红外、激光条码扫描接口，可以根据客户的不同需求来选择；HT3200将红外和激光集成到一体，以满足同时采用红外和激光应用的这部分用户需要；JB9800产品则在外观上进行了改进，仍然以键盘式、红外抄表为主。 其次，在数据的传输方面，TP800在国内首次采用高速USB通讯方式，在数据由掌上机传输到PC机上的速度上全面提高，比串口通讯速度高几倍；随后，其它厂商也在新产品中引用了USB通讯方式，进一步满足了用户应用中的速度上的要求。振中2005年新推出的ZZ18结合了多种抄表机的特点，配合红外抄表功能提供了激光指示定位器，便于用户能够准确、高效率的采集电表信息。 1.3自动抄表系统相关技术1.3.1表计的相关指标表计，包括电表、水表、煤气表、热量表、冷气表、其中电表应用最广也最早，迄今为止，抄表系统最大成果就是电表的抄表已经比较成熟稳定，这个成果非常来之不易。从最早的用户加光电管、霍尔元件改装机械表，到表厂生产带脉冲的机械表，再到全电子式电子表的广泛应用，甚至电子式电表还经历了不准确的AD7755芯片到有准确脉冲的ADE7755芯片两个过程，抄表系统终于能够比较准确的抄电表了。其中，最为关键的是有准确脉冲输出的电子式电表的应用，它统一了表计脉冲输出方式，使各个厂家的抄表系统都可采用，而且简单，稳定。可见抄表系统中表计性能是非常关键的。（1）电能表相关技术电能计量和管理的需要以及电子技术的发展，使电子式电度表在20世纪70年代就已出现。随着数字电子技术的飞速进步，电子式电度表的功能逐渐增多并日益完善。 电子式电度表一般由电能测量机构和数据处理机构两部分组成，根据电能测量机构的不同，又分为机电脉冲式电度表和全电子式电度表两大类。 机电脉冲式电度表沿用感应系电度表的测量机构，其数据处理机构则由电子电路和计算机控制系统实现，因而，机电脉冲式电度表是一种电子线路与机电转换单元相结合的半电子式电度表。机电脉冲式电度表技术开发的重点放在有关电能管理的数据处理方面，使之能够进行本地和远地的数据传输以及遥测和遥控。机电脉冲式电度表以感应系电度表为基础，继承了感应系电度表结构牢固、长期运行可靠和价格低廉的优点，因而在民用电能计量领域被广泛采用。全电子式电度表不再使用感应系测量机构，而是由乘法器完成对电功率的测量。由于它没有传统电度表上的旋转机构，因而又被称为“静止式电度表”或“固态电度表”。 近年来，各种新型电子式电度表不断推出，型号各异，功能众多，但其基本原理相同，主要功能可归为三个方面：计量、计费功能，包括分时计量、最大需量计量和预付费等；保护功能，包括过电流、过电压保护与防窃电等；通讯功能，可以是红外通讯、无线电通讯或载波通讯等。（2）水表的相关技术电池使用寿命指标。这是一个重要指标。煤气表在这方面解决的不好。有些煤气表要求用户几个月换一次电池，这就不科学。现在的低功耗设计方案已经能使一只智能IC卡水表的不换电池工作时间提高到8年甚至10年。如果达到这样的水平，对用户和供水部门都会是很方便的。当然，水表的机械计量部分和电器控制部分的使用寿命应当更高一些，更换电池后，应当可以继续使用一个较长的时间。整表使用寿命。整表的使用寿命是一个值得探讨的问题。因为整表的使用寿命从理论上说，是由寿命最短的器件决定的。那么，使用寿命最短的器件是那个呢？按照国家标准，这个器件是水表，但实际上，水表的使用期限都远远超过国家标准规定的年限，可见，这个标准定的并不合理。从现在的实际制造情况来看，要制造商承诺的寿命指标达到6年是合理的。但实际上，智能IC卡水表的使用寿命超过10年是完全可能的。防潮湿及密封性能指标。密封问题上面已经提到过。只要对电器部分采用密封处理方案，加上一些防潮湿处理手段，达到85%以上的技术指标应当是没有问题的。防振动性能指标。水表在运输和安装过成中会遇到振动问题。所以要考虑这个指标。一般说来达到1g的水平是足够了。物理性破坏指标。一般说来，只要采用良好的整体性壳体保护措施，一般都能满足保护性要求。当然，使用IC卡的水表，其卡座是容易受攻击的部位，这是一个无法解决的问题。所以要考虑进行软件保护处理，使对卡座的攻击意义不大，即便卡座坏了，并不影响IC卡水表其它部分的正常工作。但从实际使用情况来看，这个问题并不严重。因为IC卡水表一般是安装在用户家里，使用对象明确，并且水表是用户的财产，没有特殊的理由，用户并不会攻击仪表。不能考虑无限制的加强仪表的抗攻击性，而是要对故意施加的破坏行为能够进行认定并进行相应处罚。防电磁干扰指标。电磁干扰并不是一个重要指标。居家环境很少遇到高于2000伏静电场这样的状况。一般正常使用的电磁波强度也不可能达到会伤害人和其它电子产品的强度，所以这个指标定在2000伏足够了。防冷冻技术指标。防冷冻问题主要是一个保管和使用方法问题，比如说，在结冰的温度区，要做排水处理，防止冰涨，这显然是个管理问题。温度低零度不必考虑水表的使用，因为水已经结冰，无法计量。但是在运输和保管过程中，可能会遇到远远低于零度的温度，这就需要考虑。这个合理指标的数值应当是-25度至+50度范围内，在这个范围内水表应当不会被冻坏，当温度恢复到正常温度后，水表应能正常工作。（3）燃气表的技术指标报警功能：在气量不足，非法操作，电池电量不足时，均报警提示。窃气功能：如果有窃气行为，燃气表会自动关阀。关阀功能：电源断电、气量用完、过流量等能自动关阀。累计气量计数功能：数据运算保持和恢复；累计气量显示总和回送。自动校表功能：公司开发的IC卡燃气表计算机自动校表系统，突然传统校表原理和模式。异域码识别：IC卡管理软件系统中设置异域，方便燃气公司管理。 内部隔离取样，计量精确，三重动态密码，防止复制。 1.3.2自动抄表通讯方式（1）按信道介质分，常见的自动抄表通讯有光纤通讯、电话线通讯和无线通讯三种方式：光纤通讯具有频带宽、传输速率高、传输距离远和抗干扰能力强等特点，非常适合上层通讯网的要求。随着光纤技术的发展和广泛应用，自动抄表系统中有可能更多地使用光纤。由于电话在城镇的迅速普及，利用现有电话网进行数据通讯是一个经济方案。利用电话网通讯，只需在数据集中器和工作主站处加装调制解调器即可，其传输速率可达56Kbps。但电话线通讯的线路接通时间较长，一般要几秒到十几秒。还有，我国的广大乡村、小城镇还没普及电话。对于分布分散的集中器，利用无线方式进行数据通讯是一种较好的选择。目前我国已有车载无线通讯自动抄表系统投入运行。但无线通讯方式需要慎重选择频点，并需申请频点使用权。（2）若按连接方式分，则自动抄表系统的通讯方式主要有星型和总线型连接方式：1星型连接通讯是以工作主站为中心，以星型发散的形式分别通过通讯信道，与分散于各地的集中器连接，形成1对N的连接形式。这种方式下信道通讯数据量大，要求有一定的传输速率和频宽。2总线型通讯以一条串行总线连接各分散的采集器或电度表，实行各节点的互连。这种方式下，信道上节点多，传输速率也不会很高，一般用于底层的电能数据的采集。常见的有RS-485总线网和低压电力线载波通讯网。由于电力线完全由电力部门控制，如果用电力线实施载波通讯，不需要再投资铺设通讯线路，不仅可大大节约资金投入，且还具有维护量小的特点；否则，用低压电力线作通讯信道可以实现灵活的“即插即用”。尤其是近年来扩频通讯技术的较成功应用，使得低压电力线载波通讯越来越多地用于自动抄表系统。利用低压电力线作为自动抄表系统的底层数据通道，成本低、方便准确。通讯方式的选择是设计自动抄表系统的首要任务，它直接关系到系统的性能。具体确定通讯方式时需要综合考虑系统面对的对象、用户的分布、用户的数量、地理条件、期望达到以的目标以及系统的扩展升级和与其他网络的兼容等等。因此，上述的各种通讯方式不应该是孤立的，而且任何一种通讯方式在不同的系统中的应用效果也不尽相同。第二章方案论证2.1无人抄表系统的功能说明及论文要求随着人们生活水平的提高，科学技术的发展，现代城市居民居住区智能化楼宇管理系统成为了一个热门的话题，在目前的技术下，可以相对较好地实现智能化楼宇管理，无人抄表系统是智能化楼宇管理系统的一个子系统。根据智能化楼宇管理系统的要求，无人抄表系统需要具备以下功能。（1） 实时查询。用户可实时查询起冷热水表、电表和煤气表的读数，应交纳各项费用今额和上次统计数据以及各种条目的实时查询、打印。（2） 历史查询。可提供每户各种不同条目下历史数据的查询和打印，包括自动收费信息、人事信息的查询和打印。（3） 自动收费。包括各项财务参数，收费方式，收费周期等的设置，水。电，燃气量统计，按厂商设置周期自动统计客户不同表使用量，并按起设置的财务参数，收费方式及不同表的读数，自动计算客户应交纳的费用，实现收费单的打印。（4） 人事管理。实现居民区住户信息的增、减几浏览。本论文采用PLC作为控制核心，根据智能化楼宇管理系统的要求，无人抄表系统需要具备以下功能。1.实时查询。用户可实时查询其冷热表、电表和煤气表的读数，应缴纳各项费用金额和上次统计数据以及各种条目的实时查询、打印。2.历史查询。可提供每户各种不同条目下历史数据的查询和打印，包括自动收费信息、人事信息的查询和打印。电能测量可以采用集成电能测量芯片加一小型单片机系统实现。小区采集系统采用S7-200的CPU226来实现。远程监控系统采用组态软件WinCC来完成。2.2抄表系统的主流解决方案（1）电力线载波集中抄表系统该自动抄表系统的结构如图2-1所示，主要包括电能表光电模块与光电转换模块、采集终端、集中器、通信模块与计算机系统等五部分。其中，计算机系统称为上位机。电能表光电模块、采集终端、集中器和通信模块构成下位机系统。系统工作时，通过安装在电能表内部的光电转换模块，把电能表圆盘转动时的信号转换成脉冲电信号输出。通过脉冲专线送入数据采集终端或采集模块进行脉冲数累加和存储。但是，此处采集的只是脉冲量而不是电度量，要将脉冲量乘以电度表常量和脉冲常数后方可得到电度量。集中器则定时进行数据读取、电度量计算和存储。各集中器通过电力载波将信息发送到智能小区管理中心计算机。管理中心计算机的作用是接收集中器传送过来的电表电量数据，并对各个用户群体进行存储、分类、统计及计价。用电管理人员可以随时获取所需的各种数据和信息。计算机系统通信模块 集中路采集终端采集终端光电模块电表光电模块电表光电模块电表光电模块电表图2-1 电力线载波集中抄表系统结构图（2）GPRS远程抄表系统通过中国移动的GPRS网络系统，电力部门可将工业和民用电表采集的电力系统数据实时传递到地、市、省级的集中监控中心，以实现对电力监测设备的统一监控和分布式管理。GPRS网络可为电力系统提供了简单高效的通信传输手段。中国移动GPRS系统可提供广域的无线IP连接。在移动通信公司的GPRS业务平台上构建电力远程抄表系统，实现电表数据的无线数据传输具有可充分利用现有网络，缩短建设周期，降低建设成本的优点，而且设备安装方便、维护简单。GPRS电力远程抄表系统由位于电力局的配电中心和位于居民小区的电表数据采集点组成，利用中国移动现有的GPRS/GSM网络，电表数据通过中国移动的GPRS/GSM网络进行传输。居民小区的所有电表首先连接到电表集中器，居民用户的用电数据由复费率电表通过485传到电表集中器，电表集中器通过RS232接口与GPRS透明数据传输终端连接，电表数据经过协议封装后发送到中国移动的GPRS数据网络，通过GPRS数据网络将数据传送至配电数据中心，实现电表数据和数据中心系统的实时在线连接。（3）IC卡预付费智能水表IC卡预付水表是一种集自动供水、自动计量、自动收费、自动控制、显示报警等多种功能于一体的全新概念的智能水表，是传统水表的换代产品。它主要由发讯基表、电控板和电动阀三部分组成。其工作原理是：以IC智能卡为载体，在管理系统与智能水表间双向传递数据，实现管理功能。用户把预购的水理存于表中，用水时，该表实时采集流量信号，并在预购的水量中扣除。当表内剩余水表量小于2立方米时，给出声音报警，同时关闭阀门，这时插用户卡可以打开阀门，提示及时购水。当剩余水量为零时，关闭阀门，用户重新购水插卡打开阀门用水。现代化家庭中，随着生活水平和生活质量的提高，居民对水的要求也越来越高，冷水、热水、中水、纯净水将会逐步进入家庭，多种样式（如双厨双卫）的套房设计，使用水表的数量将会不止12块，用户只需一张IC卡就可以轻松搞定多块水表，甚至一卡还可以扩充到管理燃气表、电气、热量表。使用安全方便。供水管理部门的管理系统中详细记录用户的所有数据，需要进，用户可以随时查询并打印自己的购水记录。此外，用户如果一旦发生丢失、损卡等现象时，也不用担心，可以到首次开户的营业所补卡。有效解决收费问题。IC卡预付费水表独特的预付费功能，决定了用户先付费后用水的形式。因此有效解决了供水部门收费难的问题，保证了供水单位的正常经营。（4）IC卡燃气表随着城市燃气的发展以及人民生活水平的提高，燃气民用户数量逐年增加。抄表难、收费难困扰着众多的煤气公司，抄表人员的不断增加提高了煤气公司的经营成本，也给管理带来许多麻烦。于是IC卡燃气表应运而生。其发展势头迅猛，锐不可挡。使我们有必要对IC卡的可行性进行有益的探讨。IC卡燃气表即IC卡膜式智能型燃气表的简称。它是以膜式燃气表为基表，加装电子控制所组成的一种具有预付费功能的燃气计量装置。其控制器由传感器、执行机构、IC卡燃气表座、存储器、提示装置组成。用户交款后，所购气量数据被写入卡中。用户再将IC卡插入燃气表上的控制器内，卡即可取出。输入燃气表控制器内存的气量，用气时自动扣减。管理IC卡燃气表的计算机系统功能主要有：用户管理、售气帐务管理、系统操作员管理、系统维护管理、测试维护管理、售气查询、银行联机售气、POS售气、手持机维修系统、日志管理。因而能够生成多种统计报表，便于科学管理。2.3方案选择（1）有线自动抄表系统主要通过485通信实现。如果仅考虑现有产品的新装系统的抄收指标，目前这种方式是最好的。但这种方式有两个致命的弱点：其一，信道不够稳定，随着时间的推移，很容易发生接触点的氧化、锈蚀，加大线路衰减，导致抄收不稳定，严重时还会发生系统瘫痪，所以要求配备专职维护人员；其二，每家每户必须重新敷设专用通信线路，工程成本、装修破坏就是两个无法解决的问题。所以485专线集中抄表系统在个别新建楼房还可以，要大面积推广，就必须另外建设一个与现有低压配电网同样规模的专用通信网，这是完全不现实的事情，极容易造成重复投资。（2）对于低压配电线载波集中抄表系统，从理论上是最理想的电能表自动抄表系统，这是因为它实现了电能馈送与数据传输的自然匹配与完美结合；也就是电能馈送到什么地方，数据传输通道也敷设到什么地方；不用另外设置通信信道。但纯粹从通信概念讲，低压配电线载波信道也存在一系列的“先天不足” ！首先，数据传输速率不高，在载波集抄系统中，根据调制方式不同，一般有300、600、1200、2400bit/s，再高就用得不多了；当然这个缺陷不会影响低压配电线载波信道在自动抄表系统中的应用。低压配电线载波信道最大缺陷是抄收不稳定！造成抄收不稳定的原因很多，主要原因有两个：由于负载变化引起的线路衰减与电网随机噪声引起的干扰。据相关论文介绍，一台电视机的开闭就可能导致24dB的衰减变化，也就是信号幅度变化达250倍！这就不难理解为什么很多载波抄表系统在电网晚高峰时段，抄收状态极差。其它如电网补偿电容、电缆分布电容、像打印机这类容性用电设备都会导致线路衰减；面对这样的衰减变化，在进行系统设计时，几乎无法对信道通信指标进行设计定位！（3）根据以上两种方式所存在的问题无线通信式自动抄表系统应运而生，无线通信式集中抄表系统采集计数工作单元均装配在表内并密封，表的数据采集、处理、存储等基础工作由表本身完成。另外因表引出的无线通、断不影响单表数据采集和保存（仅影响本表数据的读出），也不影响其它表数据的读出，即使本次读数时该表出现故障，只需重新发射数据，无需重新置数，表的真实读数仍可继续读出，其安全性、稳定性是比较可靠的。无线通信式智能集中抄表通过远程接收装置接收信号，此种表不需敷设线路和线路维护、安装方便。本文设计的系统采用就是无线远程自动抄表系统，它的实现是迈向家庭自动化的第一步，并有助于提高水电系统管理的现代化水平。2.4 无人抄表系统的组成及工作原理2.4.1无人抄表系统的组成无人抄表系统主要由远程监控系统、小区采集系统、单元采集系统、用户电表4级网络组成，参见图2-2。各个部分说明如下：（1） 用户电表。用户电表将用电量转化成脉冲的电路，其将电能的多少以一种固定的比例转化成输出脉冲的数目，将脉冲输出到单元采集系统中。（2） 单元采集系统。对各个用户电表的输出脉冲进行记数，并将各个用户的脉冲数目存放在EEPROM中。单元采集系统还必须带着有RS-485通信接口，可以与小区采集系统进行数据通信。（3） 小区采集系统。小区采集系统主要读取各个单元采集系统的数据，其也带有RS-485通信接口，可以与各个单元采集系统的RS-485通信接口组成RS-485总线型网络，小区采集系统作为RS-485总线中的主机，各个小区采集系统作为RS-485总线中的从机。并且小区采集系统还必须可以与远程监控系统进行有线或者无线的通信，这样就要求小区采集系统还必须具备一个可以进行有线或者无线通信的接口。（4） 远程监控系统。远程监控系统是整个无人抄表系统的管理核心，通过有线或者无线的方式与各个小区采集系统进行数据通信。可以随时进行各个用户当前月份或者历史用电量的查询，可以实现电费的催缴及用户用电情况的监控。2.4.2无人抄表系统的工作原理数据采集装置首先通过传感器采集三表的读数，将采集的数据以脉冲信号的形式存入单片机内；数据采集装置将三表值进行累计并存储，同时将与之连接的所有表的累计量通过RS485总线传送给小区采集器，小区采集器又通过有线或无线的方式与远程监控主机连接。该系统实时的将用户用表上传至监控主机，具有实时采集、数据备份、故障报警、费用查询等功能。图2-2 远程监控主机通过无线方式与小区采集器通讯原理图第三章 硬件系统设计3.1 数据的采集部分设计3.1.1 基表的设计1水表以机械式水表为计量基表，配置无源或有源脉冲发信装置为一体的、可依据基表计数指针旋转位置、主动向水表计量数据采集系统或计量数据采集模块发送计数电脉冲或开关信号的远传水表。 目前，被广泛采用的发信装置大体分为两类：一类是需要供电才能工作的有源发信装置，如霍尔元件、光电元件组成的发信装置。另一类是依靠磁感应动作的无源发信装置，通常采用磁动干簧管开关、机械触点等。 由计数脉冲发讯式远传水表构成的远传水表抄表系统，其核心元件是远传水表脉冲发信装置。发信装置能否准确、可靠地产生计数脉冲，基本决定了远传水表抄表系统计数的可靠性。从计数脉冲发信装置的工作原理而言，采用光电元件和机械触点式组成的发信装置不受外磁场干扰。但由光电元件组成的脉冲发信装置，在湿式水表中易受水质和水中产生气泡的影响，干扰脉冲的准确性，影响远传计数精度。采用霍尔元件和干簧管组成的发信装置易受外磁场干扰，需加装防磁装置或在系统中增加外磁场干扰判断或识别功能。考虑到安装性价比，本系统采用的是脉冲传感器式的远传水表。其工作原理：即在原机械表的转动齿轮或指针上放置磁铁，将传感器固定在其附近某一位置，齿轮或指针转动带动磁铁转动，当磁铁靠近又离开传感器时，输出一个周期的脉冲信号。采集设备通过累计脉冲表发出的脉冲信号进行累计和换算，转换出用户的用水量。通过这种方式实现远传的系统，其可靠性取决于脉冲发信表发信、脉冲信号传输以及系统计量的可靠性。系统中使用的传感器为干簧管传感器。干簧管的工作原理为：当永久磁铁靠近干簧管或者由绕在干簧管上的线圈通电后形成磁场使簧片磁化时，簧片的接点部分就被磁化感应出极性相反的磁极，异名的磁极相互吸引，当吸引的磁力超过簧片的弹力时，接点就会吸合；当磁力减小到一定值时，接点又会被簧片的弹力弹开。2气表对传统的煤气表进行改进，选择在基表最后一级齿轮处加一磁铁（不算显示部分的逐级传递齿轮）。该级齿轮每转1圈，都要拨动显示部分的逐级传递齿轮8次，而每拨1次是0.001m3，所以，该级齿轮每转1圈，共计0.008m3的煤气。也就是最后一级齿轮每转125圈，即拨动显示部分的逐级传递齿轮1000次，煤气表的显示部分的计数为1m3。而当小磁铁经过零功耗磁敏传感器表面时产生脉冲信号，利用单片机获得脉冲并累加计算存储数据。对于煤气表来说，在基表中通电还会引起安全方面的问题。选用零功耗磁敏传感器，工作时无须使用外加电源，适用于微功耗仪表。零功耗磁敏传感器是通过韦根德效应制成的，故又名韦根德传感器，是利用磁性双稳态功能合金材料中的磁畴在磁场中的运动特性制作而成的。当外磁场发生变化时，磁畴磁化方向瞬间发生翻转，而当外磁场撤离后，它又瞬间恢复到原有的磁化方向，由此在合金材料周围的检测线圈中会感应出电脉冲信号，实现磁电转换。3电表 电能计量和管理的需要以及电子技术的发展，使电子式电度表在20世纪70年代就已出现。随着数字电子技术的飞速进步，电子式电度表的功能逐渐增多并日臻完善。电子式电度表一般由电能测量机构和数据处理机构两部分组成，根据电能测量机构的不同，又分为机电脉冲式电度表和全电子式电度表两大类。机电脉冲式电度表沿用感应系电度表的测量机构，其数据处理机构则由电子电路和计算机控制系统实现，因而，机电脉冲式电度表是一种电子线路与机电转换单元相结合的半电子式电度表。机电脉冲式电度表技术开发的重点放在有关电能管理的数据处理方面，使之能够进行本地和远地的数据传输以及遥测和遥控。机电脉冲式电度表以感应系电度表为基础，继承了感应系电度表结构牢固、长期运行可靠和价格低廉的优点，因而在民用电能计量领域被广泛采用。全电子式电度表不再使用感应系测量机构，而是由乘法器完成对电功率的测量。由于它没有传统电度表上的旋转机构，因而又被称为“静止式电度表”或“固态电度表”。 近年来，各种新型电子式电度表不断推出，型号各异，功能众多，但其基本原理相同，主要功能可归为三个方面：计量、计费功能，包括分时计量、最大需量计量和预付费等；保护功能，包括过电流、过电压保护与防窃电等；通讯功能，可以是红外通讯、无线电通讯或载波通讯等。本系统中采用的是常见的机电脉冲式电度表，电表必须采用脉冲式电子电度表，电表脉冲输出的器件为光耦输出，具有较好的隔离作用。基本结构如下图所示。数据采集装置与用户的电表安装在一起，为了防止用户的突然断电，采集装置必须装在空气开关的前端。电表可以通过计数脉冲来测量，由光电采集头采集电表的计数脉冲，表盘转一圈，光电采集头发出一个脉冲，由单片机存储。3.1.2 数据采集器的设计一、数据采集器的功能与结构功能：1数据接受、累计单元采集器可实时地采集用户水表的脉冲信号并转换成相应的度数，且进行累计，自动存储。2数据的上载当小区采集器或营业大厅发出轮询信号时，能及时地将累计数据上传。结构图：见图3.1图3.1单元采集系统的硬件框图二、数据采集核心电路设计数据采集器是远程抄表系统的前端设备，该采集器与住户耗能计量表直接连接；其硬件构成以单片机AT89C51为核心，8255扩展并口组成前端通道，连接水、电、煤气表和各种测控信号，DTMF收发器组成通讯电路，具有6位高亮度LED显示和停电备用电池。其功能是实现数据采集、加工、保存和上传耗能数据至管理微机，还能测、控意外情况，控制家用电器，显示住户水、电、煤气耗能数量。其原理如图3.2所示。图3.2 数据采集原理图AT89C51具有51系列单片机的全部功能，特有4KB的FLASH存储器，用于存储数据采集和通讯的程序；其P0口与8255数据口相连，另经锁存器（74LS373）后，控制8255的片选信号CS和口地址选择线A0、A1、8255的A、B、C口及控制口地址分别为FF7CH，FF7DH，FF7EH，FF7FH。设定串行口工作在移位寄存器方式，欲显示的数据从MN= 端口串行输出， 送入移位寄存器（74LS164）的入口，在TXD端口输出的同步脉冲信号作用下，移位寄存器将串行输入数据变成并行输出数据，6片移位寄存器用级联方式连接，通过LED显示6位数的耗能数据。K0，K1，K2三个触动开关分别用作水、电、煤气耗能数据显示控制；P2口的0，1，2 三位工作在查询状态，当查询其中一位为低电平时，便产生中断并调用该位对应耗能数据显示子程序，显示10 秒后复位。水、电、煤气表输出脉宽可变化的序列信号，脉冲的个数决定耗能的数量，该信号接到四位二进制计数器（74LS93）的输入端，计数器输出端接8255扩展并口PA和PB口，其中PA口的03位是水表数据入口，PA口的47位是电表数据入口，PB 口的03位是煤气表数据入口；PB口的4,5,6 位分别监测防火、防盗、防煤气泄露信号，防火可用等离子感烟探测器，防盗可用红外探测器或门、窗开关信号，防煤气泄露用一氧化碳探测器。PC口的0位接3个计数器的清零端，定时采集3表数据，随后计数器清零，此方式周期的工作。PC口的1,2,3 位分别接水、电、煤气控制设备，根据住户交费情况和是否有意外发生，控制相应设备的通断。PC 口的4位接声控报警器，当探测到意外情况发生时报警。PC口的5,6,7位可分别控制各种家电的启、停，实现家庭智能管理。电表可以通过计数脉冲来测量，由光电采集头采集电表的计数脉冲，表盘转一圈，光电采集头发出一个脉冲，输入的P1口的P1.0，由AT89C51存储。三、其他辅助电路其他辅助电路包括稳压电源电路、微处理器监控电路、时钟电路等。（1）稳压电源电路采用三端稳压集成电路块CW7805给密码锁控制器电路供电。CW7805三端正稳压器具有内部过流、热过载和输出晶体管安全区保护功能，电路使用安全可靠，供电输出电压+5V，最大输出电流05A，电路图如图3.3。图3.3稳压电源电路图（2）微处理器监控复位电路单片机应用系统工作时，会经常要求进入复位工作状态，所以系统的复位电路必须保证能正确、可靠地工作。单片机的复位是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲(2个机器周期)以上的高电平，单片机便可实现初始化状态复位。为了保证密码锁控制器电路可靠地复位，通常使RST引脚保持18ms以上的高电平。采用专用的微处理器监控集成电路芯片Maxim708可以方便地得到梢窃电源电压监控功能、200ms的复位脉冲宽度和人工复位输入功能，大大提高了复位电路的抗干扰性和工作可靠性，电路图如图3.4所示。图3.4 复位电路图（3）时钟电路AT89C2051单片机有一个片内的振荡器电路，由一个单级反相器组成，可用来作为CPU的时钟源。如果采用内部的振荡电路，则要在单片机的引脚XTAL1和XTAL2之间连一个石英晶体谐振器，并接2个电容到地，即可组成完整的并联谐振电路输出时钟信号。当采用外部振荡器时，XTALl端直接与外部振荡器的信号相连，XTAL2端悬空不用，电路图如图3.5所示。图3.5 时钟电路图3.2 小区采集器的设计和远程无线通讯系统3.2.1 小区采集器控制器的设计一、I/O模块点数估算PLC系统所要求的I/O点数与接入的输出/输入设备类型有关。例如，1个按钮或信号灯各需要1个输入，1个光电开关需1个或2个输入，1个双线圈电磁阀需3个输入及2个输出，波段开关有几个波段就需几个输入；对于控制交流电动机所需的I/O点数，根据其运行方式不同所需要的I/O点数也不相同，控制一台Y起动的交流电动机一般需4个输入点及3个输出点，控制一台可逆运行的笼型电动机需5个输入点及2个输出点，等等。实际选择时一般需要留有10%15%的I/O余量。二、存储容量的估算 PLC的程序存储器容量通常以字节为单位。用户程序所需存储容量可以预先估算。一般情况下，用户程序所需存储的字数可按照如下经验公式来计算：（1）开关量输入/输出系统开关量输入：用户程序所需存储的字数=输入点总数10开关量输出：用户程序所需存储的字数=输出点总数8（2）模拟量输入/输出系统每一路模拟量信号大约需要120字的存储容量，当模拟输入和输出同时存在时，所需内存字数=模拟量路数250。（3）定时器/计数器系统所需内存字数=定时器/计数器数量2针对本系统，开关量输入所需内存字数1010=100字节；开关量输出所需内存字数128=96字节；模拟量输入/输出所需内存字数10250=2500字节；定时器/计数器：52=10字节。开关量和模拟量供需2606字节，另外考虑程序存储空间和备用存储空间，初步估计系统共需5K字节。 系统I/O模块点数和存储器容量的估算为以下PLC的主机型号选择和模块扩展提供了依据。三、 PLC的选择SIEMENS 的S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。S7-200系列出色表现在以下几个方面： * 极高的可靠性 * 极丰富的指令集 * 易于掌握 * 便捷的操作 * 丰富的内置集成功能 * 丰富的扩展模块在本系统中，可编程程序控制器采用SIEMENS的S7-200系列CPU-226主机，I/O点数为40点（24个输入点和16个输出点），具有2个RS-485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。自由通讯口方式是S7-200PLC的一个很有特色的功能，它使S7-200PLC可以由用户自己定义通讯协议。CPU-226带有两个RS485通讯口，通过一个通讯口可与多个单元采集器构成总线型网络，读取各单元采集器的数据。或发现采集器无响应或数据变化异常，还将触发故障报警。CPU-226的另一个通讯口可通过有线或无线的方式与营业大厅的监控主机进行通讯，亦可直接与手操机连接，将存档数据上传。3.2.2小区采集器远程无线通讯的设计一、S7-200支持的通信协议表31. S7-200系统支持的通信协议略表协议类型端口位置接口类型传输介质通信速率备注PPIEM241模块RJ11模拟电话33.6Kbits/s数据传输速率CPU口0/1DB-9针RS-4859.6K,19.2K,187.5K主、从站MPI19.2K,187.5K仅从站EM277DB-9针RS-48519.2K.187.5K.12M速率自适应从站PROFIBUS-DP 9.6K,19.2K.187.5K.12MS7协议CP243-1/CP243-1 IT RJ45以太网10Mbits/s, 100Mbits/s自适应AS-InterfaceCP243-2接线端子AS-i网络5/10ms循环周期主站USSCPU口0DB-9针RS-4851200bits/s.9.6K.115.2K主站自由口库指令MODBUS RTU主站/从站自由口库指令EM241RJ11模拟电话33.6Kbits/s数据传输速率自由口CPU口0/1DB-9针RS-4851200.9.6K.115.2K二、S7-200 自由口通讯自由口模式允许应用程序控制S7-200 CPU的通讯端口，可以在自由口模式下使用用户定义的通讯协议来实现与多种类型的智能设备的通讯。S7-200 CPU上的通信口（Port0，Port1）可以工作在“自由口”模式下。所谓自由口就是建立在RS-485半双工硬件基础上的串行通信功能，其字节传输格式为：一个起始位、7位或8位数据、一个可选的奇偶校验位、一个停止位。凡支持此格式的通信对象，一般都可以与S7-200通信。在自由口模式下，通信协议完全由通信对象，或者用户决定。应用程序中使用以下步骤控制通讯口的操作： 发送指令（XMT）和发送中断：发送指令允许S7-200的通讯口上发送最多255个字节。发送中断通知程序发送完成。 接收字符中断：接收字符中断通知程序通讯口上接收到了一个字符。应用程序可以按字符执行操作。 接收指令（RCV）：接收指令从通讯口接收整条信息，当接收完成后产生中断通知应用程序。你需要在SM存储器中定义条件来控制接收指令开始和停止接收信息。接收指令可以根据特定的字符或时间间隔来启动和停止接收信息。自由口模式只有在S7-200处于RUN模式时才能被激活。将S7-200转入STOP模式会中断所有自由口通讯，并且通讯端口会按照S7-200系统块中的配置转换到PPI协议。3.2.3 小区采集器的功能与结构一、小区采集器的功能1数据接受 能实时或定时地对所下辖的单元采集器抄表,自动存储并处理其采集的数据。2数据上载可上载数据给营业大厅或下载数据到掌上机上。3初始化可通过小区采集器设置各单元采集器和水表的初始状态。4故障报警自动检测单元采集器的状态和用户水表,若发现某采集器或某用户水表无响应,则自动报警。二、结构图图3.6 小区采集系统的硬件框图3.3 远程监控主机系统的设计3.3.1远程监控主机的功能1、数据接收、处理实时轮询或定时查询各小区采集器的数据；自动检查数据帧格式，并进行校验；加注时标，自动存储。2、数据库管理100的数据完整性。数据库管理包含原始数据库、历史数据库等的形成，数据的检索、查询等。3、数据输出可通过显示器、打印机、模拟屏或投影机等输出图形、报表、数据等。也可挂电话查询功能。4、故障报警或采集器或某用户表无数据，实现自动声光报警。5、联网通讯可接入局域网