施工企业大型用电设备远程抄表的设计与实现

岳 海

（中铁隧道股份有限公司，河南郑州 455000）

0 引言

为了有效率、准确地采集施工现场大型用电设备电能消耗与质量情况，需要对效率低下的人工抄表进行改革。施工管理人员采用远程抄表方式无需配备专职人员，可以采用施工现场已布设的网络线路，具有抄表准确度高、省时省力等优点。基于智能电表和云端平台的电能参量采集系统，可以将施工现场用电设备的电能参量迅速传输至云端平台及现场用电施工企业管理人员所组态的人机界面[1]。

1 系统总体设计

通常情况，电能在线监测系统可分为现场控制设备层、网络信息传输层和云平台组态层。

（1）现场控制设备层：主要用于电能等参量采集测量的各类型的仪表等，也是构建该配电系统必要的基本组成元素。这些设备肩负着采集数据的重任，包括公司各系列带网络信息传输层功能的电力仪表。

（2）网络信息传输层：包含企业路由器、光纤线路、网络交换机、串口服务器等设备。串口服务器主动采集现场控制设备层的数据，通过网络把数据上传至搭建好的数据库服务器。串口服务器可在网络故障时将采集到的数据存储在本地，待网络恢复时从中断点处继续上传数据，保证采集到的数据连续不中断。

（3）云平台组态层：又称为组态监控系统，是指在自动控制系统监控层的软件平台和开发环境。云平台组态层实际上也是一种通过灵活的组态方式，为施工企业管理人员提供快速构建施工企业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。

2 系统硬件设计

2.1 智能电表回路设计

智能电表是基于物联网的设备，可帮助施工企业管理人员了解每台用电设备消耗的电能。智能电表将收到的数据合并、存储和分析。智能电表有一个智能的实时仪表板可用于查看平均性能和维护警报。智能电表为施工企业管理人员的运营支出带来了透明度和清晰度。施工企业管理人员可以知道电费消耗的原因。此外，它们还具有通信功能，允许施工企业管理人员远程查看和读取数据。施工企业管理人员可以访问有关电能参量的历史信息[2]。

电表自带RS485 接口，利用RS485 传输线将多台电表直接与单串口服务器连接起来，建立数据传输网络，可应用于集中安装场所等。RS485 电表不用增加通信模块组件，单价较低。且采用有线传输相较于无线传输更稳定。

CPM-12A 三相智能电表电路如图1 所示，工作流程如图2所示。

图1 三相智能电表电路

图2 智能电表工作流程

2.2 单串口服务器

单串口服务器已实现模块化，一个单串口服务器可抄读256 台电表，各电表通过RS485 与单串口服务器连接，单串口服务器通过有线网络将数据传至云服务器，实现了电表联网。

单串口服务器上自带以太网接口，可以将传统的RS485 设备接入互联网。单串口服务器是一种实现RJ45 网口与RS485接口之间直接的数据透明传输的设备，内部集成了TCP/IP 协议栈，可以轻松完成嵌入式设备的网络功能。串口服务器是一种带有CPU、实时操作系统和TCP/IP 协议的微型计算机，它在串口和网络设备之间传输数据。使用串口转以太网服务器通过互联网从远程计算机访问、管理和配置设备，实现网络管理和远程控制。

信号采集和传输的工作，相当于一个修路的工作。通过这条路运输什么、获取什么，都是根据不同的应用场景，搭配不同的抄表系统完成的。例如在施工现场，存在传统人工电力计量方式效率低，造成电能参数数据不全面、不准确、不完整，因而无法进行电能参数分析与诊断，造成用电管理不到位、用电浪费现象，就适合搭配电能参数管理，帮助施工企业实现能源实时监控和协调控制。

串口服务器远程控制特点：支持远程Internet 监控，支持客户端远程配置串口服务器参数，施工企业管理人员可以远程修改串口参数、设备名称、设备IP 等。施工企业管理人员在无需了解串口的校验码、波特率等参数的情况下，串口服务器能够自动设别波特率、校验码。支持断网续传：串口服务器可在网络故障时将采集到的数据存储在本地，待网络恢复时从中断点处继续上传数据，保证采集到的数据连续不中断。

单串口服务器整体框架如图3 所示。

2.3 系统硬件接线系统

通信协议采用RS485 串口通信协议。有线网络采用网线和光纤组网，采集的数据统一传送至云平台进行保存和可视化管理。

RS485 通信线一般可以使用带屏蔽层的双绞线。使用RS485 传输线，线长与波特率成反比。

RS485 理论传输距离可达1200 m，但在实际应用中，传输距离不到1200 m，具体距离取决于周围环境。但是在长距离传输过程中，使用单模光纤可支持更长传输距离，要求在千兆速率的以太网中，单模光纤都可支持超过5000 m 的传输距离。通过串口服务器RJ45 网口与RS485 接口之间转换，可以满足施工企业传输距离要求。

系统硬件接线系统如图4 所示。

图4 系统硬件接线

3 系统软件设计

3.1 单串口服务器设置

串口服务器内置有Web 服务器，使用浏览器来访问它。通过Web 来访问串口服务器时，串口服务器和PC 的IP 地址必须在同一个网段中。

单串口服务器获取IP 的方式设置为固定静止IP，校验/数据停止位修改为NONE、8、1，串口波特率设置为9600，和智能电表的校验/数据停止位、串口波特率保持一致。设置透传类型和目标云平台IP[3]。

3.2 智能电表设置

三相智能电表安装完成后。RS485 群组设置中，每个智能电表需要设置不同的站号。RS485 群组设置流程如图5 所示。

图5 RS485 群组设置流程

4 云端平台设计

4.1 云端平台配置

根据需要采集的智能电表参量，在云平台录入寄存器地址，设置数值类型，读写方式。

4.2 云端平台功能

云平台自动抄表：根据施工企业管理人员需求，可按分/时/日/月进行自动抄读数据。为施工企业管理人员监控提供数据支撑，实现用电可视化，免去人工抄表及财务数据核对，极大节省了人力成本，提高电能参数数据的准确性。

云平台生成综合报表：云平台可根据施工企业管理人员需求按不同时间段展示电量报表，实时生成电流电压频率、功率、功率因数及四象限无功总电能报表。所有的数据可以自动生成折线图、柱状图等，综合对比分析各项数据。通过比较当前消耗量与基准量来证明实现的节能效果。以客观的方式证明和验证节省效果。实时监控能效措施组合，实现量化节约。

云平台可以查看电能参量历史数据，历史数据为变量的原始数据。同时可在云端设置报警规则，当智能电表发生报警后可通过微信、短信、邮件、语音的一种或者多种方式推送给施工企业管理人员。云平台可以根据区域、个人资料和任何选择的参数设置警报。它会在偏离标准条件的瞬间生成警报，并立即发送电子邮件或短信[4]。

4.3 云组态

云平台可以对电能参量进行组态，可以通过手机访问云组态。

物联网云组态能够让施工企业管理人员自行设计所需要的监控画面，配合云端进行显示、配合网关进行数据采集。类似于传统的组态软件，可以通过拖拽图标来设计组态画面，可以设计电力控制画面。可以提供动态的画面，在相应的数据采集点用数值或者图形表示数据大小。同时提供按钮可以在组态界面中对设备进行控制。

画面设计：拖拽组态组件，自定义想要的样式，然后拖动“数据位”组件绑定设备的点位（采集点），选中后点击绑定数据点。下发按钮：拖动“开关”组件，然后选择设备，再键入开启与关闭指令，点击保存即可。保存界面：最后再点击蓝色保存按钮保存组态编辑，然后返回列表选择需要置顶的组态，即可完成操作。卓岚云中左侧树状的“组态”名称的页面会展示置顶的组态页面。

5 结束语

针对抄表难、管理难的问题，设计实现施工企业大型用电设备远程抄表系统，通过硬件、软件设计实现了智能电表参量的远程终端显示。可以通过PC 主机登录云平台获取历史数据，也可以通过手机实时访问云平台组态界面，获得实时电能参数。