水资源取水计量数据精确采集方法探讨

刘怀利，徐 浩

（安徽省•水利部淮河水利委员会水利科学研究院，安徽 蚌埠 233000）

水资源取水计量数据精确采集方法探讨

刘怀利，徐 浩

（安徽省•水利部淮河水利委员会水利科学研究院，安徽 蚌埠 233000）

为实现对配置不同通信接口的各类计量设施数据精确采集，研究常用通信接口的数字信号数据采集方法，有效地解决对不同类型计量设施实现在线监测的难题；分析流量计的通信调试方法和要点，介绍水资源传输规约在通信过程中的执行方法，对计量设施配置通信接口标准提出建议，为顺利实施水资源取水在线监控提供条件。

水资源；在线监控；计量设施；通信接口；数据采集

0 引言

水资源取水在线监控是水资源监控能力建设的一项重要内容，用于对工业、生活和农业取用水户取水量进行实时计量和在线监测，是水资源管理工作的技术支撑，是实行最严格水资源管理制度的重要手段[1]。

实施取水在线监测需要对计量设施进行计量数据实时采集和远程传输。目前大部分取用水户已按照相关要求自行安装了取水计量设施，但是由于不同取水户在不同时期安装的流量计存在类型、通信标准、技术参数不统一的问题，给计量数据的精确采集带来了一定的困难。结合安徽省水资源取水监测系统建设，对目前常见的各种流量计仪表通信接口进行分析，对不同通信接口的数据精确采集方法进行研究和探讨，对流量计仪表的通信调试方法及注意事项进行介绍。

1 水资源取水在线监控系统简述

水资源取水在线监控系统主要由取水计量设施、远程传输装置、监测中心平台等 3 个部分构成[2]，如图1 所示。其中，取水计量设施由流量计和信号转换器组成，用于实时计量取用水户的取水量；计量数据包括管道取水流速、瞬时和累计取水流量等；远程传输装置由数据采集器、遥测终端（RTU）、数据传输单元（DTU）等组成，用于获取取水计量仪表中的计量数据并将该数据通过无线传输方式远程传输至监测中心平台；监测中心平台由数据接收装置、数据采集软件、服务器、数据库、数据查询应用软件等组成，用于集中远程接收和储存计量数据，并通过应用软件实现数据的查询、分析和报表统计等功能。

图1 水资源取水在线监控系统组成示意图

2 通信接口数据采集

目前，市场上运用较为广泛的取水计量设施为电磁式流量计、超声波式流量计和电子远程水表等[3]，常见的信号输出通信接口为 4～20 mA 电流环输出、频率输出、继电器输出、485 数字通信接口、HART 协议接口等。其中，4～20 mA 电流环输出是通过电流来传输信号属于模拟量输出[4]，RS-485（232）接口为数字串行通讯具有良好的抗噪声干扰性[5]，HART 协议为在 4～20 mA 模拟信号上叠加幅度为 0.5 mA 的数字信号进行双向数字通讯[6]。

部分取水企业早期安装的流量计仪表通信接口标准配置多为 4～20 mA 电流环和频率脉冲输出方式，RS-485（232）通信接口作为选配。国外进口的流量计仪表的通信标准配置为 4～20 mA 电流环和频率脉冲输出方式，HART 协议接口输出作为选配。为确保计量仪表数据的精确采集和传输，实现远端监测平台接收到的计量数据与现场计量仪表数据完全一致，应优先采用数字量信号进行通信传输，对不同的仪表通信接口采取数字化处理，转换成 RS-485串行接口进行数字通信。

2.1 RS-485（232）接口数据采集

对部分流量计仪表有 RS-485 通信接口，可利用RTU 采集终端的 RS-485 接口直接与流量计仪表进行通信，以采集仪表的瞬时和累计流量值。对部分流量计仪表有 RS-232 通信接口，可利用 RS-232转 RS-485 模块，将 RS-232 接口转换成 RS-485 接口，再接入到 RTU 采集终端的 RS-485 接口上，实现与流量计仪表通信，采集仪表的瞬时和累计流量值。RS-485（232）通信接口数据采集如图2 所示。

图2 RS-485（232）通信接口数据采集

以 TDS-100 超声波流量计为例，在与流量计通信前应首先设置流量计的通信地址、参数、协议等。在本例中，通信地址设为 01，通信波特率采用9 600、无校验、8 位数据位、1 位停止位；通信协议选用 Modbus RTU 通信协议。使用串口线将带有串口的 PC 机与流量计 RS-485 接口连接，利用串口调试软件，向流量计发送累计流量值通信命令：01 03 00 08 00 02 45 C9，其中 01 为地址码，03 为功能码，00 08 为寄存器地址，00 02 为寄存器位数，45 C9 为CRC 校验码。通信调试成功情况下流量计会回复命令：01 03 04 65 F4 00 18 A5 07，其中 01 为地址码，03 为功能码，04 为字节个数，65 F4 00 18 为累计值的十六进制数，其中 65 F4 为低字节，00 18 为高字节，将其转化为十进制数，即可得到流量计的累计流量值 1 598 964，单位为 m3，A5 07 为 CRC 校验码。RS-485（232）接口通信调试示意图如图3 所示。

图3 RS-485（232）接口通信调试示意图

2.2 HART 协议接口数据采集

对部分国外进口流量计仪表没有配置 RS-485通信接口，但带有 HART 输出信号接口，可通过“HART-RS-485 协议转换器”实现流量计仪表数据的 RS-485 信号输出。将流量计仪表的 HART 输出信号转换成 RS-485 通信，再连接到 RTU 采集终端 RS-485 接口上，实现采集计量仪表的瞬时和累计流量值，如图4 所示。

以嘉兴松茂 SM100 HART 协议转智能适配器为例，如图5 所示，选相对应的串行接口，波特率默认为 9 600，1 个停止位，8 个数据位，无奇偶校验。打开串行口，并测试 SM100 系列与 PC 机通讯是否正常。按下通信测试，测试软件开始自动对测试仪表进行检测，如果显示仪表的 ID 及其他参数，则表示 SM100 系列和仪表工作正常。

图4 HART 协议接口数据采集

图5 SM100 系列 hart 协议调试软件界面

在参数设置界面中的模块工作方式选择 Moudbs单台仪表时，转换模块将 HART 通信协议转换为标准的 Modbus 协议，采集终端与流量计就可以通过Modbus 通信协议进行通信，如图6 所示。具体调试方法与 RS-485 接口通信调试相同。

2.3 4～20 mA 电流环和频率脉冲输出接口数据采集

对部分流量计仪表仅有 4～20 mA 电流环和频率脉冲输出，可利用 RTU 采集终端的模拟量接口连接到仪表4～20 mA 电流环输出以采集仪表的瞬时流量值，利用脉冲量接口连接到仪表频率脉冲输出以采集仪表的累计流量值。对采集到的瞬时流量值、累计流量值进行储存并通过采集终端 RS-485 接口实现远程无线传输，如图7 所示。

4～20 mA 信号接入 RTU 时，需要了解流量计设定的最大瞬时量，并将 RTU 中最大瞬时量设定为相同数值。累计量脉冲采集应首先设置流量计的输出脉冲当量（即输出 1 个脉冲代表累计计量多少水量，如输出 1 个脉冲代表累计计量 1 m3水），然后RTU 采集脉冲设置的当量应与流量计输出脉冲当量完全一致，流量计的输出脉冲当量的设定值因根据实际测定的流量大小进行设置，建议流量计累计脉冲输出速率设定在 1～60 脉冲/min，以确保流量计输出累计脉冲大小合适。

图6 Hart 转换模块工作方式配置

图7 4～20 mA 电流环和频率脉冲接口数据采集

图8 数据通信示意图

2.4 水资源传输规约执行

采集终端 RTU 设备采用流量计设置的通信协议与流量计进行通信，采集到计量数据后存储到其内部寄存器，监测平台通过读取采集终端 RTU 设备的寄存器数据获取流量信息。监测平台与采集终端RTU 设备间的通信遵循国家水资源监控能力建设项目办发布的 SZY206-2012《水资源监测数据传输规约》，数据通信示意图如图8 所示。

3 流量计通信调试要点

在实施取水在线监测工作过程中，要精确采集到流量计的计量数据，首先要确保流量计的通信调试成功。流量计通信调试需要注意以下几个方面：

1）首先确保数据采集终端 RTU 与流量计通信接口的可靠正确连接，数据采集终端 RS-485 的 A，B 接口必须用 2 芯屏蔽线对应连接至流量计通信接口RS-485 的 A，B 接口上，不能接错；

2）数据采集终端 RTU 的通信参数的设定需与流量计的通信参数一致，如：仪表地址、波特率、校验方式、数据位数、停止位数等；

3）要提前获取流量计的通信协议，并对通信协议进行仔细分析，掌握其通信命令，了解协议中关于瞬时流量、累计流量计算方法；

4）为了防止电源谐波干扰通信，电源线与信号线避免在同一线槽内走线，信号线需要采用符合国家标准的带有屏蔽层的信号线；

5）流量计原则上要远离变频器等设备，避免通信电磁场干扰。如果无法避免，需要在电源模块中增加隔离变压器，并保证流量计有良好的接地。

4 计量仪表通信接口配置建议

目前，市场上应用比较多的管道式计量设施为插入式超声波流量计、管道式电磁流量计、管道式超声波水表、机械码盘水表等，在进行计量设施选型时，应充分考虑实施在线监控对计量仪表通信接口的技术要求。为实现计量数据的精确采集和远程传输，流量传感器与终端通信接口应为串行口（RS-232C，RS-485，RS-422）、模拟量、并行口、开关量和脉冲量，其中模拟量应采用 4～20 mA，0～5 V；开关量和脉冲量应采用无源开关或有源脉冲，串行口通信协议应采用 Modbus 协议，并行口应采用格雷码和 ASCII 码[7]。因此，在进行计量设施选型时，应选用超声波流量计、电磁流量计或管道式超声波水表，并配置 RS-485（RS-232C）串行口、4～20 mA 模拟量以及开关量或脉冲量接口等，RS-485（RS-232C）串行口要采用 Modbus 协议。

5 结语

安徽省水资源取用水国控监测系统建设于 2011 年底，至 2013 年底基本完成 377 处国控取水监测站的建设，实现了 377 处取水点的实时在线监测，平台接收数据与现场计量仪表显示数据完全一致。由于部分取水户已安装计量设施，为充分利用已有的计量设施，避免重复建设，需加强对不同类型计量设施通信接口和通信协议的研究和分析，以实现监控装置与计量仪表的实时通信和无缝对接。在建设过程中，对遇到的各种不同种类、厂家、型号计量设施的通信接口和协议标准分别进行了研究和分析，对其采集方法进行了探索，并将采集方法成功应用到项目建设中，为系统的顺利建成创造了条件。

[1] 胡四一.加快国家水资源监控能力项目建设[J].水利信息化，2013 (6): 1-4.

[2] 谢新民，蒋云钟.水资源实时监控管理系统理论与实践[M].北京：中国水利水电出版社，2005: 45-47.

[3] 李清欣，邹伟.取水计量设施在水资源管理中的应用[J].黑龙江水利科技，2010, 43 (2): 178-179.

[4] 古振.4～20 mA 无线仪表监测系统的设计与实现[J].中国科技博览，2011 (17): 80.

[5] 杨春建.基于 RS-485 协议的无线滴灌控制系统[J].节水灌溉，2013 (4): 68-70.

[6] 高飞燕.基于 HART 协议的智能式电磁流量计[J].仪表技术，2005 (6): 78-79.

[7] 丁强，孙京忠.水资源监测数据传输规约[S].北京：国家水资源监控能力建设项目办公室，2012: 53.

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

刘怀利（1982－），男，安徽怀远人，硕士，工程师，主要从事水利信息化研究与应用工作。