昆明電器科學(xué)研究所、拉法基瑞安（紅河）水泥有限公司的研究人員劉清茂、萬(wàn)春紅等，在2015年第3期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，利用ZigBee無(wú)線通信裝置的高穩(wěn)定性、易使用性、可拓展性等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合LM-Gateway數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，將智能電表的專用通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為通用組態(tài)軟件的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)過程電量無(wú)線采集，無(wú)縫接入水泥DCS系統(tǒng)，有效降低EMS系統(tǒng)建設(shè)的施工難度和投入成本。

我國(guó)水泥行業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，也是能耗和污染排放的重點(diǎn)領(lǐng)域，和其它流程工業(yè)一樣，水泥生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)“節(jié)能、環(huán)保、安全、高效”已成為業(yè)界共識(shí)，綠色水泥和清潔化生產(chǎn)是水泥企業(yè)的必由之路。

降低水泥生產(chǎn)過程能耗是一個(gè)系統(tǒng)工程，涉及工藝、設(shè)備、原料、管理、操作等等，實(shí)現(xiàn)能耗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集，完成綜合能耗計(jì)算、分析、監(jiān)測(cè)、評(píng)估，是降低水泥能耗的首要基礎(chǔ)，建立水泥企業(yè)能耗信息管理平臺(tái)，被列為國(guó)家水泥工業(yè)節(jié)能減排重點(diǎn)專項(xiàng)工程。

水泥生產(chǎn)過程自動(dòng)化發(fā)展至今，國(guó)外和國(guó)內(nèi)先進(jìn)的水泥企業(yè)已實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)備層DCS、生產(chǎn)執(zhí)行層MES和工廠（集團(tuán)）管理層ERP，集團(tuán)化管理的控制力和執(zhí)行力明顯提高，精細(xì)化運(yùn)行方式使得物流成本和原材料成本得到控制，實(shí)現(xiàn)了綜合效益的大幅增長(zhǎng)，水泥企業(yè)能耗信息管理平臺(tái)的建設(shè)，將進(jìn)一步提高水泥企業(yè)的節(jié)能降耗減排效益。

電量采集和電耗計(jì)算是水泥企業(yè)綜合能耗的重要組成部分，現(xiàn)有水泥生產(chǎn)過程DCS大多只完成了基礎(chǔ)控制功能，并未全面采集電耗相關(guān)數(shù)據(jù)，為搭建水泥企業(yè)能耗信息管理平臺(tái)，不影響正常生產(chǎn)，降低項(xiàng)目施工難度和節(jié)約經(jīng)費(fèi)，利用ZigBee無(wú)線通信裝置的高穩(wěn)定性、易使用性、可拓展性等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合LM-Gateway數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)過程電量無(wú)線采集，無(wú)縫接入水泥DCS系統(tǒng)，有效降低EMS系統(tǒng)建設(shè)的施工難度和投入成本。

一、數(shù)據(jù)采集軟硬件構(gòu)架

電量采集系統(tǒng)由智能電表完成數(shù)據(jù)采集，然后通過ZigBee模塊無(wú)線發(fā)送，經(jīng)過LM-Gateway數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)將智能電表的DL/T 645-2007通信協(xié)議轉(zhuǎn)換成MODBUSTCP/IP協(xié)議，最終由Cimplicity HMI完成數(shù)據(jù)的處理計(jì)算。

1.1 ZigBee簡(jiǎn)介

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。它是一種高可靠的無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無(wú)限擴(kuò)展。

一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)最多可由65000個(gè)無(wú)線數(shù)傳模塊組成，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，由于ZigBee技術(shù)的自組網(wǎng)功能，多個(gè)模塊通電后正確配置即可實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信功能。

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通信協(xié)議

根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在市面上的多功能電表通信協(xié)議均為DL/T645-1997或者DL/T645-2007，而通用組態(tài)軟件的通信協(xié)議一般不支持這種通信協(xié)議，因此，如果要將智能電表的數(shù)據(jù)采集到上位組態(tài)軟件，需要將通信協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

在本項(xiàng)目中使用的組態(tài)軟件Cimplicity HMI在原有的DCS系統(tǒng)中使用的是MODBUS TCP/IP的通信協(xié)議，為了讓電能數(shù)據(jù)采集無(wú)縫接入原有系統(tǒng)，所以使用了西安羅米控的LM-Gateway數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)能將DL/T645-2007通信協(xié)議轉(zhuǎn)換成MODBUS TCP/IP的通信協(xié)議。

通過網(wǎng)關(guān)配置軟件編程，一個(gè)網(wǎng)關(guān)的一個(gè)485通信串口最多能連接20塊智能電表，一個(gè)網(wǎng)關(guān)可配4個(gè)485通信串口，完全能滿足本項(xiàng)目的需求。

1.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通信拓?fù)鋱D

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通信拓?fù)鋱D

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通信拓?fù)淙鐖D1所示，在該系統(tǒng)中，配電室的多塊（最多20塊）多功能電表通過485通信方式并聯(lián)連接到ZigBee模塊，經(jīng)過ZigBee模塊無(wú)線透明傳輸后在遠(yuǎn)方同樣用ZigBee模塊接收，然后將傳輸協(xié)議是DL/T645-2007的數(shù)據(jù)送給LM-Gateway數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)DL/T645-2007到MODBUS TCP/IP協(xié)議的轉(zhuǎn)換，經(jīng)過轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就可以被Cimplicity HMI所使用了，從而后續(xù)的計(jì)算也能夠?qū)崿F(xiàn)。

圖1所示的通信拓?fù)鋱D是一個(gè)通道的示意圖，由于受網(wǎng)關(guān)串口通信能力限制，一個(gè)通道最多能帶20塊智能電表。根據(jù)需要，一個(gè)網(wǎng)關(guān)最多可以配4個(gè)485通信串口，如果現(xiàn)場(chǎng)有超過20塊智能電表的數(shù)據(jù)需要采集，那么就要根據(jù)實(shí)際需求增加相應(yīng)的ZigBee模塊和更改網(wǎng)關(guān)的配置程序來實(shí)現(xiàn)。

二、電量無(wú)線采集實(shí)現(xiàn)

2.1 ZigBee無(wú)線模塊的配置

ZigBee無(wú)線模塊的配置軟件打開如圖2所示，用串口線將電腦和模塊連接起來，進(jìn)入配置模式后，需根據(jù)多功能電表的通信協(xié)議設(shè)置“ZigBee配置”；需要給該項(xiàng)目所使用的所有的ZigBee模塊指定一個(gè)網(wǎng)絡(luò)號(hào)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)號(hào)可以隨機(jī)指定一個(gè)，但是不能選擇“隨機(jī)”，必須是“指定”里輸入一個(gè)隨機(jī)的號(hào)碼，設(shè)定一個(gè)后，所有的模塊的網(wǎng)絡(luò)號(hào)都應(yīng)該是一樣的。

“節(jié)點(diǎn)類型”一項(xiàng)里，整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)里必須有一個(gè)模塊是設(shè)置成“協(xié)調(diào)器”，其他的模塊如果是連接設(shè)備的就設(shè)置成“終端設(shè)備”，如果是為了橋接加長(zhǎng)通信距離的，那就設(shè)置成“路由器”；“分節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址”就是配置的這個(gè)模塊的地址；“透?jìng)鞯刂贰边@里，如果是連接電表的模塊，就選擇“指定”輸入連接LM-Gateway數(shù)據(jù)采集網(wǎng)

圖2 ZigBee模塊配置界面

關(guān)的那個(gè)模塊的分節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址，如果是連接網(wǎng)關(guān)的模塊，那這里選擇“廣播”；“物理信道”一項(xiàng)為了減少其他無(wú)線通信對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的干擾，選擇26；應(yīng)用模式選在透?jìng)?，其他配置選項(xiàng)默認(rèn)即可。

在實(shí)際使用的時(shí)候如果發(fā)現(xiàn)無(wú)線通信質(zhì)量不好，丟包較大，或者是兩個(gè)ZigBee模塊之間的距離較遠(yuǎn)，兩個(gè)模塊之間不能相互可視，那么可以在兩個(gè)模塊之間合適的位置添加一個(gè)配置成為“路由器”的模塊，以增加無(wú)線傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

2.2 LM-Gateway數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)配置編程

打開配置軟件后，需要在配置軟件里編程設(shè)置網(wǎng)關(guān)串口的通信參數(shù)，以太網(wǎng)口的IP地址以及端口號(hào)等基本參數(shù)。網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換的基本原理是將多功能電表的數(shù)據(jù)通過DL/T 645-2007的協(xié)議讀取到網(wǎng)關(guān)里，然后將相應(yīng)參數(shù)的值解析出來，再把解析出來的值按照MODBUS的通信協(xié)議存儲(chǔ)到網(wǎng)關(guān)里。因此，在網(wǎng)關(guān)配置里需要做的就是設(shè)置通信接口參數(shù)，定義電表的表號(hào)，需要讀取的多功能電表參數(shù)有哪些，讀出來之后存儲(chǔ)在哪里。

三、結(jié)論

該系統(tǒng)在水泥生產(chǎn)廠實(shí)際生產(chǎn)中得到了很好的應(yīng)用，在不影響生產(chǎn)的情況下，簡(jiǎn)單、方便的完成了電能量數(shù)據(jù)的采集與傳輸，系統(tǒng)施工難度低，耗費(fèi)資金少，充分利用ZigBee無(wú)線模塊的優(yōu)點(diǎn)，可靠的完成了數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸；配合LM-Gateway數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，將電能量數(shù)據(jù)無(wú)縫接入了傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)中，避免了為采集電能量數(shù)據(jù)而專門建立一套配電監(jiān)控管理后臺(tái)的復(fù)雜系統(tǒng)。

該電能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采集的電能量數(shù)據(jù)，結(jié)合原來DCS系統(tǒng)采集的相關(guān)能耗數(shù)據(jù)，根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通過在上位組態(tài)軟件編程即可計(jì)算出水泥熟料的綜合能耗數(shù)據(jù)，為水泥廠EMS系統(tǒng)的建立打下了良好的基礎(chǔ)，同時(shí)也有效推進(jìn)了水泥廠信息化建設(shè)。