智能仪表数据采集系统的应用

苗青，闫素杰，宋扬

（济钢集团有限公司自动化信息技术公司，山东济南 250101）

信息化建设

智能仪表数据采集系统的应用

苗青，闫素杰，宋扬

（济钢集团有限公司自动化信息技术公司，山东济南 250101）

济钢信息化的智能仪表采集系统选用Mox公司的MoxRTU采集网关，采用MoxIDE和MoxGRAF作为系统软件，通过485通讯，应用平衡发送和差分接收的方式进行数据读取。系统的每个串口采用两根信号可连接仪表480块，对标准Modbus通讯和非标准自由口通讯协议仪表都可实时读取。该系统具有通用性强、成本低、采集范围广的特点,系统投用后，运行稳定，数据精确，采集数据刷新率达到秒级，节省了人力、物力，是济钢信息化的有力数据支撑。

智能仪表；数据采集；数据传输；通讯协议

企业能源中心的建设、企业生产信息化、企业总调度平台的建立以及远程集中抄表等，这些系统使企业管理高效化、资源分配合理化，也标志着工业生产已经进入数字化、透明化阶段，而不论什么系统都离不开工业生产基础数据的实时采集［1-2］。本文介绍一种简捷、高效的智能仪表数据采集系统，可实现现场各种智能仪表的数据读取，性能稳定、精确、实时性好。

1 采集系统构成

1.1 系统硬件

系统选用Mox602-5423-000-0000RTU采集网关，该网关可选择多种通信协议，如DNP 3.0或IEC60870协议、Modbus等，方便与上位软件集成以实现数据采集、分析和管理功能。通过其485及232接口实现对仪表的系统编程、数据采集、现场监控等功能，包括瞬时流量、正向总量、反向总量、净总量、流量百分比、电流、频率、报警等。

1.2 系统软件

系统采用Mox产品两个主要软件包MoxIDE软件和MoxGRAF软件。MoxIDE提供了一个独立环境，可以完成对RTU网关通讯信息的配置，可通过以太网口与远程RTU设备通讯。MoxGRAF提供了一个符合IEC61131-3标准的程序开发平台，包含直观的图表和文本编辑器在内的6种自动化编程语言，MoxGRAF提供直观的程序调试工具。

1.3 系统连接

采集系统由24 V电源、智能仪表、Mox公司的Mox602-5423-000-0000RTU采集网关、工业交换机组成。其连接如图1所示。智能仪表按协议、地理位置分组，仪表之间采用并联接入RTU的四个485及2个232串口，每个串口连接仪表可增至120个；仪表连接线采用双绞屏蔽线，同时双绞屏蔽线的两端都接地，以减少现场干扰；注意485接线的A、B线序正确性，232传输的仪表可以直接接入232串口，但由于232的数据传输距离一般在200 m内，所以在实际生产中采用232/485转换器将仪表数据转换为485方式接入RTU。在通讯速度快（＞9 600 bps）或通讯距离较远（＞700 m）的情况下连接终端电阻120 Ω减少反射干扰。在RTU采集网关内进行程序设计，对智能仪表的数据报文分包解析、轮询读取、公式转换、误码筛检等，完成仪表数据应答式读取；RTU再将采集的数据通过TCP/IP协议经光纤接入数据库，完成数据的采集，系统可现场调试，也可远程连接操作［3-4］。

图1 系统硬件连接

2 数据通讯

2.1 仪表通讯协议

目前，工业生产中的智能仪表有标准或非标的数据通讯协议，归纳起来分为3类：

第1类是具有HART协议的智能仪表，如各种国产和进口压力、差压、液位变送器等，它是现场总线的一种过度性协议。主要用于现场仪表的校验，数据的读取一般不采用。第2类是具有标准的Modbus、Modbus RTU协议的智能仪表，如各种电磁流量计、显示仪、积算仪等。第3类是具有非标准自由口通讯协议的智能仪表，这种仪表类别较多，根据用户的不同需求，生产厂商将设计通讯芯片嵌入仪表中，并把协议标准提供给用户，供用户自行设计采集程序，如各种检测流量计、指示仪、报警仪、称重仪等。

2.2 数据传输

本系统主要采用485两线制接线方式，应用平衡发送和差分接收的通信手段，因此系统具有抑制共模干扰的能力，加上光纤总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200 mV的电压，所以系统采集范围可以遍布千米以外。此外，系统采用485连网构成分布式系统可省掉许多信号线。系统每个串口可同时并联120个仪表，一个RTU可以同时挂接480节点。通信网络采用主从通信方式，即一个主机带多个从机。每个串口的仪表设定唯一的表地址。RTU的4个485串口通过485接线按程序轮训读取每块仪表的数据，将数据存储在制定的寄存器中，按程序的数据格式将数据赋给指定的变量。在此，要在MoxIDE软件中对通讯端口、协议进行设置。新建IDE项目，根据智能仪表的通讯协议对RTU串口进行设置包括：通讯方式、波特率，校验位，停止位，数据位，通讯协议。RTU采集的数据通过TCP/ IP协议经交换机传输到数据库，在此需在IDE中填写RTU型号、设置好RTU的IP地址。在DNP3 Slave中填写IP地址，以太网通讯协议设为TCP/IP，填写对应的通讯端口号。同时在GRAF程序中插入NETwork，选择网络类型ETCP，填写此RTU的IP地址。最后在GRAF软件的Mox Modbus address map中绑定唯一的Map地址以便数据的上位显示。

3 程序设计

3.1 程序流程

在MoxGRAF软件中，根据仪表通讯协议建立数据读取功能块，其参数包括：使能端、端口号、表地址、数据传输格式、指令、表号起始地址、本地寄存器起始地址、本次通讯数据的总字节数、本次通讯数据的总字节数、重试次数、超时时间、命令执行状态、波特率、数据位、校验位、停止位。根据485通讯特点及仪表的通讯协议，编制了标准Modbus通讯仪表数据读取流程和非标准自由口通讯仪表数据读取流程。通过流程动态设置读取功能块的参数来完成数据读取，最后将所得数据依次赋值给变量。

两流程基本相同，以标准Modbus通讯仪表为例进行说明，其流程如图2所示。初始化变量：包括使能数据读取功能块，设置RTU串口号。设置数据存储格式为远程2个寄存器的数据存放在一个本地变量中。设置数据计算格式为高位寄存器的数据乘10 000加低位寄存器。仪表的表地址设为1，功能块的读数端口初始化。设定仪表的数据起始地址为40001（与所读取的仪表的地址对应），本地RTU的起始地址为40001（一般与仪表数据的地址相统一），本次通讯的总字节数为20个字节（与所读取的仪表数据的长度有关）。

图2 标准Modbus通讯协议端口数据采集流程

设定故障计数器，并赋初值为0（用来设定以外情况下仪表重新读取的次数）。向总线发送数据读取命令：命令端口值改为1，功能块开始读数据。存储数据：把所读的数据放在本地即RTU终端的寄存器里，然后本地RTU寄存器的地址向下偏移20个字节。判断仪表的表地址是否小于所串仪表的数量：此处与串口所串仪表的数量有关，例如，本端口共连接20台仪表，如果超过21的时候，就要返回到1表。是否要重启：在大量的数据读取过程中，为避免莫明奇妙的出现串口死机问题，如果发现串口状态有错，则程序会重新打开功能块的读数端口，复位计时器对本串口的仪表从第一块开始从新读取。

3.2 报文解析

非标的智能仪表由于其协议为生产厂家规定，嵌入在仪表内的协议不标准，必须对其报文数据进行一对一的解析和处理，为此，系统设计了非标准自由口协议仪表数据报文解析程序。瞬时量赋值一般读取仪表的瞬时量、累积量；当读取错误时，为从上位机看得明显，赋值-8 888.0；对于累积量，则需要保持上一次读数的准确值；最后将解包的值返回主程序，放入指定寄存器变量赋给对应变量。

4 结语

智能仪表数据采集系统在济钢的能源中心调度平台、信息化管理系统等进行了广泛应用，系统运行稳定，数据精确，数据刷新率达到秒级，实现了企业大部分智能仪表数据的自动采集，提高了企业管理水平，降低了操作人员的劳动强度。此采集系统具有成本低、采集数据量大、采集范围广、通用性好的特点，是济钢信息化的有力数据支撑。

［1］沈童，赖康生.基于CAN总线的数据采集系统的设计［J］.工业控制计算机，2010（06）:47-48.

［2］毛诗柱，肖波.基于AT90CAN128的CAN总线数据采集终端设计［J］.中国科技信息，2010（12）:107-108.

［3］程百慧.PC BASED可编程控制系统在油井现场数据采集中的应用［J］.科技资讯，2010（33）:45.

［4］于涛.浅析基于GPRS的嵌入式环保数据采集系统［J］.数字技术与应用，2010（10）:105.

Application and practiceof data acquisition systemof theintelligent instruments

MIAO Qing,YAN Sujie,SONG Yang

（The Automation Information Technology Company of Jinan Iron and Steel Group Corporation,Jinan 250101,China）

MoxRTU acquisition gateway of Mox company and MoxIDE and MoxGRAF system software are adopted for data acquisition system of the intelligent instruments of Jinan Iron and Steel Group.By the 485 communication,data are collected through the methods of balance transmission and difference reception.For the standard Modbus communication and non-standard free port communication protocol instruments,data can be read by two signal lines for each serial port of the system which can be simultaneously connected 480 instruments.The system with the characteristics of strong universality,low cost,wide acquisition range,system performance is stable and data is accurate,and the second level data update can be accomplished.It is reliable data support for information and can improve the management level of the enterprises and save manpower and material resources.

intelligent instrument;data acquisition;communication protocol;data transport;program design

TP273

B

1004-4620（2014）03-0060-03

2014-02-10

苗青，女，1970年生，1993年毕业于北京科学与技术学院自动化仪表专业。现为济钢集团有限公司自动化信息技术公司高级工程师，从事仪表自动化技术工作。