摘要：分析现有燃气表远程集抄系统及其优缺点，提出一种新型燃气表远程集抄系统，探讨了其组成、通信方式以及系统中关键设备(集中器和采集器)的实现。
关键词：远程抄表；集中器；采集器；无源直读燃气表
Reasonable Realization of Gas Meter Remote Reading System
DONG Pei
Abstract：The present gas meter remote centralized reading system as well as its advantages and disadvantages are analyzed.A new gas meter remote centralized reading system is proposed，and its composition，communication mode and realization of key equipment including concentrator and acquisition unit in the system are discussed.
Key words：remote meter reading；concentrator；acquisition unit；passive direct-reading gas meter
1 现有居民小区燃气表集抄系统分析
集抄系统最主要的功能就是在一定的时间内(每天或每月)定时自动地将燃气表的数据传送给主站。这个系统主要由燃气表、集抄设备、主站组成。燃气表负责计量，集抄设备负责抄收燃气表数据并传给主站，主站进行数据分析、输出报表、与营销系统对接等工作。主站还要有一定判断问题的能力，并作出相应标记或报警。
1.1 燃气表
目前可用于集抄系统的燃气表主要有脉冲式燃气表和无源直读式燃气表两种。脉冲式燃气表用于集抄系统，必须有稳定可靠的电源支持。集抄设备采集燃气表的输出脉冲，累计相加计算用气量。外界电磁干扰、机械振动和传感器退磁等都会使采集的信号受到影响，经常导致燃气表计数器数据和远程抄读的数据不一致。脉冲式燃气表集抄系统在运行前需要初始化，这需要专业人员和设备才能进行。敷设通信线时采用分线制，即每户需单独布通信线，系统构成复杂、施工量大、调试困难、造价高。
无源直读式燃气表的原理是在每一位字轮的一侧设置固定的光电发射源，在与其对应的字轮上设置反射面或接收点，利用多个(一般5个)接收点或反射面的不同位置状态来判断字轮转到某个数的位置，从而确定所对应的数据。它的电子部分平时不工作、无功耗，不受电磁干扰影响。在抄表瞬间由外部给燃气表的电子部分供电，直接读取表计量的实时数据，因此远传数据和燃气表显示数据绝对相等，没有误差。因为平时不带电，所以整机故障率和功耗大大降低，使用寿命更长，系统也更稳定。无源直读式燃气表集抄系统使用前不需要初始化。采用总线布线方式、任意的拓扑结构。在敷设通信线时要用4芯线缆，两根用于通信，两根用于给燃气表的电子部分供电。系统构成简单，施工量小，调试容易，造价低[1～3]。
1.2 集中器和通信
集中器通过通信总线与无源直读燃气表直接相连。通信总线方式有多种选择，如RS485总线、M-BUS总线、CAN总线、短距离无线等通信方式。大多数集抄系统采用RS485总线或M-BUS总线[4]，其他几种通信方式应用在这个系统里不是很合适。
无线方式没有施工布线的工作量，但是要求燃气表支持无线方式，那么燃气表必须自带电源。电池须燃气表用户定期更换，这就不能充分体现公益企业的服务理念。无线系统的核心问题是供电问题，是本系统的最大障碍。目前还没有实际应用的证据证明已有效地解决了无线燃气表的供电问题。因此，无线方式的应用并不多。CAN总线通信的可靠性、实时性都是最好的，但是它的成本也是比较高的。远程抄表系统对实时性的要求并不高，而对成本却有一定要求，因此，CAN总线通信在现场应用也不多。
与上述几种通信方式相比，RS485和M-BUS总线用在燃气表集抄系统中更合适。RS485和M-BUS总线都是采用普通双绞线，按任意拓扑结构，布线简单灵活。M-BUS总线与RS485总线相比，M-BUS可以支持更长的距离和更多的节点，而且抗干扰能力比RS485强，通信速率比RS485高，但成本比RS485总线高。无论是采用RS485总线还是M-BUS总线，在敷设通信总线的时候，应同时再敷设两根电源线给直读式燃气表的电子部分供电。另外，如果总线在室外架空布线，容易遭到雷击。因此，这种情况下，应在每栋楼的传输线入口处增加一个相应等级浪涌保护器来防止雷击电磁脉冲对信息产品的侵害[4]。
集中器与主站的数据传送大多数还要通过一个通信管理器或通信适配器的设备，这个设备采用GPRS、CDMA或3G的模块等实现。集中器通过RS232接口或RS485接口和这些设备连。如果集中器与主站距离不远(在一栋楼内)，也可采用RS485总线或局域网的网线连接。这样可以降低成本，而且通信质量也比较可靠。一般1台集中器管理120～160块燃气表[2]。
2 居民小区燃气表集抄系统的实现
2.1 居民小区燃气表集抄系统组成和通信
居民小区燃气表集抄系统见图1。系统由3部分组成，即燃气表、集抄设备和主站。与传统方式不同的是集抄设备不再是集中器一种设备，而是由集中器和采集器组成。集中器每天或每月轮抄1遍所辖的燃气表，这个过程需要通过采集器转发配合完成。集中器把数据保存在储存器中然后等待主站发命令读取。主站每天或每月定时读取集中器内的数据，也可以通过集中器和采集器实时地读取燃气表的数据。这个系统中燃气表选用无源直读燃气表。
集中器和主站之间的通信方式可以选择GPRS、CDMA、3G或短信的通信方式。如果距离很近，可以选择局域网网线或RS485总线的通信方式。但一般主站都在燃气公司，距离小区很远，用得最多的是GPRS和CDMA的通信方式。
集中器和采集器之间最好的通信方式是电力线载波通信一。或短距离无线通信。这是因为总线方式最大的缺点就是施工量大。总线的敷设在一栋楼内施工难度和施工量还不算大，但要在整个小区内施工，无论是架空布置还是埋地敷设，难度和施工量都非常大。而且，RS485或M-BUS总线的长度不可太长(一般不大于500m)，总线上节点数也有限制(RS485小于32个节点，M-BUS小于500个节点)，否则整个系统的传输特性发生很大变化，通信不稳定。如果集中器和采集器之间距离很近并且布线很容易，那么RS485或M-BUS总线的通信方式也是可以考虑的。每栋楼根据燃气表的数量安装1台或多台采集器。这样把布线这项有施工量、有施工难度的工作放在一栋楼内，避免总线在室外架空或埋地敷设，减小总线网络的规模，降低施工难度，提高通信的可靠性。电力线载波通信虽然有可靠性差、通信不稳定、易受外界干扰等缺点，但是它最大的优点是省去了布线的麻烦。并且随着技术的进步，电力线载波通信采用过零点监控通信、软件自组网等方式，使抄表成功率和稳定性都大大提高。电表行业的集抄系统已经大量采用了电力线载波的通信方式，电表的实时抄表成功率基本能达到95%以上，电表日冻结(集中器每天保存每块电表的一个数据)数据成功率全部达到100%。按这个结果考虑，燃气表集抄系统的应用是满足要求的。无线通信方式也可供选择。无线通信方式的可靠性和稳定性都比电力线载波通信好，但无线通信方式的造价比电力线载波通信高出很多。
燃气表通过RS485或M-BUS总线与采集器相连。总线在敷设时应用4芯电缆，其中2根作为通信线，另2根给燃气表的电子部分提供电源。布线施工时可任意拓扑结构布线。1台采集器下最多带32只燃气表。采集器可以放置在楼梯电表箱内，可以从楼梯间灯借用电源，这样采集器供电可以很容易地解决。因为在同一个楼内，距离不会太远，用户数量也不会很多，M-BUS的硬件实现比RS485接口的成本要高，所以采集器选用RS485接口。
2.2 集中器的实现
集中器主要任务就是通过采集器把燃气表的数据抄回、储存和等待主站的命令。集中器要有日冻结或月冻结燃气表数据的自动任务，即每天或每月1次自动轮抄1遍所带的燃气表，并将数据保存作为历史日冻结或月冻结数据。这样要求集中器带有上行通信单元、下行通信单元、储存器、日历时钟等模块。集中器通过上行通信模块接收主站命令，判断是要采集燃气表的历史数据还是实时数据，如果是历史数据，则从集中器的储存器内直接读取数据并通过上行通信模块发给主站；如果是实时数据，则集中器通过下行通信模块经采集器转发给燃气表，然后采集器再把燃气表返回的数据转发回集中器，集中器再通过上行通信模块发给主站。另外，集中器还要对保存在其内部的数据进行分析，以确定燃气表是否有故障，并将有故障燃气表的信息主动上传给主站。
集中器的任务较多，主站抄读实时数据时也要求集中器有一定的实时性要求，这就要求集中器中的微处理器(MCU)有较高的运算速率。集中器的通信接口较多，要求集中器至少有3个通用异步串行接口(UART)：1个UART和上行通信模块通信，1个UART和下行通信模块通信，另1个UART设计成RS485接口，这个RS485接口主要用于当集中器和采集器距离很近时，集中器直接通过这个RS485接口和采集器直接通信，而不需要通过下行通信模块了。集中器内选择同步串行接口(SPI)的储存器，它具有接线少、储存量大的优点。MCU需要有至少1个SPI接口。集中器做日冻结数据和月冻结数据时所需要的日历时钟大多采用两线制串行接口(TWI)，这就需要MCU要有TWI接口。随着电子技术和计算机通信技术的发展，能实现这样功能的MCU有很多。集中器设计时还要内置防雷器件。集中器硬件框图见图2。
集中器外壳选用国家电网公司企业标准Q/GDW 375.2—2009《电力用户用电信息采集系统型式规范：集中器型式规范》中的集中器外壳。外形见图3。可以看到，这个外壳上面有上行通信模块和下行通信模块两个小盒子，这两个小盒子采用了可插拔设计。左边小盒子是和采集器通信的通信模块，右边小盒子是和主站通信的通信模块。集中器在设计时先规定好集中器和这两个通信模块之间的通信协议和物理层的接口，所有通信模块的设计都遵守这个协议。根据现场选择通信方式的不同更换不同的通信模块，这样就大大提高产品的适应能力。
2.3 采集器的实现
采集器的任务就是转发集中器和燃气表之间的通信数据，并在抄读燃气表的时候短暂地给燃气表的电子部分供电。采集器和集中器之间的通信采用了电力线载波通信方式。电力线载波通信有通信不稳定、易受干扰的缺点，但采集器只要在软件上做些改进就能极大地弥补这一缺点，例如能短时间地储存燃气表的数据。这样当给集中器返回的燃气表数据因信道不稳定而丢失时，集中器再次下发抄这块表的数据时，采集器就不用再去抄燃气表了，而是很快地直接返回采集器储存的数据，这样就使抄表成功率大大提高。采集器也要求采用可更换的通信模块，储存容量不需要太大，采集器MCU要有至少3个UART，还要有给燃气表供电单元。采集器的硬件框图见图4。MCU的1个UART和上行通信模块相连，2个UART设计成RS485总线。这2个RS485接口，1个是和燃气表通信用，1个保留和集中器通信。如果采集器和集中器距离很近，就用保留的RS485接口直接和集中器相连。同时MCU控制1个继电器给直读式燃气表的电子部分供电。
采集器外壳选用国家电网公司企业标准Q/GDW 375.3—2009《电力用户用电信息采集系统型式规范：采集器型式规范》中的外壳，其外形见图5。
外壳上有1个上行通信模块的小盒子，这个小盒子也采用可插拔的设计，它的作用是和集中器进行通信。模块的通信方式要和集中器下行通信选择相同的通信方式。给燃气表供电的电源线和RS485总线从采集器的辅助端子输出。采集器与上行通信模块的通信协议和物理接口都要标准化。
3 结语
本套燃气表集抄系统在通信方式上利用现有的公共通信网络，极大地减少了施工量，最大程度地降低了系统的成本。在设备上实现通信单元的模块化，通信规约的标准化，集抄设备的统一化。远程抄表系统应该用适合的技术，做适合的应用，最终达到优质的服务。就目前的技术来看，本方案是一套比较合理解决居民小区用户的燃气表、水表、热表等不带电计量设备的远程集中抄表方案。而且，电表的集抄也能很容易地加到这个系统里，最终可以构建成四表集中统一管理的综合自动远程抄表系统。
参考文献：
[1] 袁赓，朴贞花，孙海涛，等.远程抄表及燃气泄漏监控系统的应用[J].煤气与热力，2005，25(2)：17-19.
[2] 刘威垣，李陆弘，俞智斌，等.远程抄表及燃气泄漏监控系统在住宅区的应用[J].煤气与热力，2009，29(9)：B21-B23.
[3] 杨建华，冯海鸥.远传抄表技术的应用和发展趋势[J].煤气与热力，2008，28(11)：B40-B43.
[4] 齐海鸥，段常贵.燃气自动抄表系统通信方式的确定[J].煤气与热力，2007，27(11)：41-43.
[5] 刘广智，邵飞，董佩.加油加气站电力线载波通信组网的设计[J].煤气与热力，2010，30(11)：A28-A30.
(本文作者：董佩 陕西省燃气设计院 陕西西安 710043)
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