无线抄表系统在供热计量中的应用

葛玉龙　王蔓　王德权　徐朋

摘 要：介绍了一种以“通断时间面积法”为供热计量依据的新型无线抄表系统，在满足《通断时间面积法热计量装置技术条件》的基础上简化了计量装置的设计，给现场安装施工带来了极大的便利。整个系统由采集计算器、无线通断一体阀、无线室温控制器、楼栋热量表和远程数据中心服务器组成。它集计量、控制于一体，达到了供热计量和节能的目的。目前，该系统已经被运用于新疆、辽宁、北京等地，运行情况良好。

关键词：通断时间面积法；RF433；M-BUS；GPRS

中图分类号：TU995 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.098

我国供热计量处于起步阶段，随着对建筑节能和供热系统节能研究的不断深入，热计量和温度控制已经成为了当前关注和研究的热点。目前，国内采取的热计量方法大致有热量表法、温度面积法、通断时间面积法等。2011年，中国建筑科学研究院负责组织有关单位编制了《通断时间面积法热计量装置技术条件》，提出了应用通断时间面积法装置热计量时，应满足的技术条件。基于此，国内一些企业设计、生产出了符合此条件的计量装置。但是，这些装置之间是以有线的方式连接和通信的，在现场安装、施工的过程中，经常发生线路错接和漏接的问题，给后期系统调试运行带来了极大的不便。鉴于此，本文设计了一种以“通断时间面积法”为计量依据的无线热计量抄表系统。它在满足技术条件的基础上简化了装置设计，将技术条件中的通断控制器与阀门合并成通断一体阀，并且以无线的方式与采集计算器、室温控制器通信，为现场安装施工和系统调试工作的顺利进行奠定了基础。

1 通断时间面积法

通断时间面积法的工作原理是：在建筑物热力入口安装热量表计量采暖期内整座建筑物的耗热量，在用户室内安装室温控制器调节室温，在用户的分支管路上安装通断控制器控制供热的通断时间，然后系统依据各用户的采暖面积和累计供热通断时间计算分摊建筑物消耗的总热量。热量分摊计算公式为：

式（1）（2）中：Qi为第i个热用户分摊周期内或供热总时间内分摊的热量，kW·h；εi为第i个热用户阀门周期开启时间比或阀门累计开启时间比；Si为第i个热用户的建筑面积；Q为分摊周期内或供暖总时间内楼栋热量表计量的热量值，kW·h；n为参与热量分摊的热用户数量；Δτi为第i个热用户在分摊周期内或供暖总时间内阀门累计开启的时间；Δτ为分摊周期或供暖总时间。

2 系统的整体结构

整个无线热计量抄表系统是由数据采集层、数据传输层和平台管理层组成的。系统整体结构如图1所示。

对于无线热计量抄表系统，数据采集层用于采集、计算现场设备数据和执行平台层下发的控制命令；数据传输层是运营商提供的GPRS网络，用于平台层与采集层之间的数据传输；平台层则实时远程监控现场设备、管理供热系统和用户供热的运行状态。

3 数据采集层结构和计量装置

数据采集计量装置是整个系统的核心，它是由采集计算器、无线通断一体阀、室温控制器和楼栋热量表组成的。其具体结构如图2所示。

3.1 采集计算器

采集计算器主要用于采集楼栋热量表、无线通断一体阀、室温控制器的供热运行数据，计算并分摊用户热量，通过GPRS网络将用户分摊数据上传到数据中心服务器，并执行数据中心下发的控制命令。

采集计算器硬件系统是由核心板和底板组成的，核心板采用的是三星S3C2416处理器，基于ARM926EJ内核，具有低功耗、高性能和低成本的特性。其操作系统采用的是嵌入式WinCE 6.0操作系统。采集计算器底板留有网口、RS485、RS232和MBUS等接口，通过RS232接口与RF433无线模块、GPRS模块连接，通过MBUS接口与楼栋热量表连接。

采集计算器软件系统以C#语言和SqlCe数据库为技术基础，通过编写程序实现了整个系统的数据采集、热量分摊、数据存储、数据上传和对无线通断一体阀开关的控制等。其具体功能有：①在线测试。无线通断一体阀和楼栋热量表安装完成后，需要测试其是否能与楼栋采集计算器正常通信，在数据采集软件上下达测试命令，根据设备回码情况可以统计出在线设备的数量和离线设备的数量，并标识出离线设备的编号。通过数据采集软件还能够直接向无线通断一体阀下达强制开/关电动阀门的指令，确保新安装的阀门能够正常开启和关闭。②定时抄表。数据采集软件通过实时调度检查当前时间是否有任务需要执行，抄表指令每隔4 min执行一次。发送抄表指令时，需要先从数据库中查询出挂载设备的编号，再采用轮询的方式为每一台设备发送抄表指令。③计算分摊。分摊数据是整个热计量系统计费的基础数据。该系统设计的热量分摊计算频率为1 h/次，分摊时间则是通过实时调度实现的。④数据上传。数据上传主要将最近1 h每个用户的分摊数据和设备的报警数据上传到数据中心，分摊数据每隔1 h上传一次，通过实时调度调节上传时间，避免与其他任务冲突。设备报警数据需要实时上传，因为一旦现场设备出现故障，供热公司需及时派工作人员修理，以减少不必要的损失。⑤历史数据查询。采集计算器具备数据离线存储功能，即使数据中心没有开通，每个采集计算器都可以作为小范围的数据中心投入使用。

3.2 无线通断一体阀

无线通断一体阀主要用于接收室温控制器发来的温度信息，根据程序的算法控制阀门的通断，对运行数据（比如阀门开启时间、累计供暖时间）进行数据加密并保存。采集计算器通过唤醒协议可将存储在无线通断一体阀中的数据采集回来。

3.3 室温控制器

室温控制器可以自动测量用户室内的温度，可以定期将所测室内温度和用户设定的温度发送给无线通断一体阀。同时，它还能实时显示设定温度、实测室温、信号强度、时钟、电量、累计阀门开启时间和阀门开度值等信息。该设备具有故障报警功能，可以实时显示阀门故障与通讯故障，还有欠费提醒，可远程设置欠费提醒标志。另外，通过它，用户可以在12～27 ℃之间自由设置适合的温度。

楼栋热量表的内容这里不再赘述。

4 平台管理层简介

远程数据中心服务器是由负载均衡服务器、数据解析服务器、SqlServer2008R2数据库服务器、数据库备份服务器和Web服务器组成的。负载均衡服务器负责将不同采集计算器发送过来的数据分发给不同的数据解析服务器作解析处理，数据解析服务器将解析处理后的数据存放到数据库服务器中。数据库服务器和备份服务器采用双机热备，能够防止数据丢失。Web服务器用于监控现场设备状态，显示并统计用户分摊数据，下发控制命令等。

5 系统通信协议简介

整个系统集成无线、总线、公网3种通信方式。其中，采集计算器、通断一体阀和室温控制器是采用RF433无线射频技术完成通信的，并进行了扩频、低功耗设计，通过自定义通信协议采集数据。在此仅介绍部分通信协议。通信协议的相关内容如表1所示。

为了实现低功耗设计，在满足传输所有数据的要求下，尽量精简了通信协议的帧结构。通过此协议，采集计算器可以获取到通断一体阀上记录的开阀时间、阀门状态、用户室内温度和设定温度等值。采集计算器通过M-BUS总线与楼栋热量表连接、通信，通信协议为了满足CJ-T 188—2004《用户计量仪表数据传输技术条件》的要求，热量表采用国内某厂家生产的热量表。下面以表号31366732为例，简要说明了采集热表数据的通信协议。读表协议为：FE FE 68 20 32 67 36 31 00 11 11 01 03 1F 90 03 60 16；热量表回码协议为：FE FE FE FE FE FE FE FE FE FE FE FE FE 68 25 32 67 36 31 00 11 11 81 2E 1F 90 12 78 56 34 12 0589 63 71 29 05 99 37 05 00 17 80 11 07 00 35 43 23 38 00 2C 80 93 00 27 26 00 43 09 00 59 57 15 17 11 11 20 04 08 1C 16.通过解析热量表回码的内容，可以得到热量表的当前热量、当前冷量、热功率、累计流量、瞬时流量、进水温度和回水温度等物理量值。采集计算器根据用户供热面积、无线通断一体阀记录的用户开阀时间和楼栋热量表计量的整个楼栋的耗热量，应用通断时间面积法分摊公式即可计算出用户在单位时间内分摊的热量。采集计算器与远程数据中心服务器是通过GPRS网络通信的，通信协议为自定义协议。远程数据中心通过Socket接收采集计算器上传的数据。其中，接收数据协议为（以接收用户分摊热量协议为例）FTSJ|11013005|00002324|2015/01/06 9：30：56|0.00 |0.00|60|45.34|0|18|22|331|0|0|1|2015/01/06 10：01：39|0|0|！ 通过使用字符“|”切割该协议串即可拆分出相应的物理量值。该协议的完整含义是：分摊数据|采集器编号|通断一体阀编号|分摊时间|周期分摊|累积分摊|周期开阀时间供热面积|周期总消耗热量|室内温度|设定温度|总开阀时间|阀门状态|通断器电源|遥控器状态|采集时间|强制开关阀|遥控器屏蔽|结束标志。

6 结束语

该系统已经在新疆、辽宁、北京等地的多个小区成功实施，为现场安装、调试工作的顺利进行创造了条件，各个装置之间的通信都很稳定，室温控制器与无线通断一体阀、室温控制器与采集计算器、无线通断一体阀与采集计算器、楼栋热量表与采集计算器、数据中心与采集计算器之间的数据流都能够有条不紊地相互传递，以达到供热计量的目的。

参考文献

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〔编辑：白洁〕