城镇供热一级网热计量点的数据无线传输系统架构的研究

刘冠宇 高立亮 朱国喜 常文伟

摘  要：简单描述城镇热电联供一级网热计量点的主要作用和工艺流程，介绍热计量点数据传输的方式、工业无线路由器以及物联网卡在城镇热电联供一级网热计量点的应用，阐述无线传输系统架构中工业无线路由器的选型标准、产品属性、配置重点等，并以物联网卡作为通信基础，搭设后台，根据生产的实际需求将热计量点的生产参数展示出来，文章着重表达工业无线路由器在通信、数据转换方面的功能应用与特点。

关键词：工业无线路由器;热量表;通信;热计量点

中图分类号：TN929.5               文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）03-0165-05

Research on Data Wireless Transmission System Architecture of Heat Metering Point in Urban Heating Primary Network

LIU Guanyu， GAO Liliang， ZHU Guoxi， CHANG Wenwei

（Shandong Shengli Tonghai Group Dongying Tianlan Energy Saving Technology Co.， Ltd.， Dongying  257200， China）

Abstract： This paper briefly describes the main functions and process flow of heat metering points in the primary network of urban combined heat and power （CHP）， introduces the data transmission mode of heat metering points， the application of industrial wireless router and IOT card in the primary network of urban combined heat and power （CHP）， expounds the selection standard， product attributes， configuration key points of industrial wireless router in the wireless transmission system architecture， and takes IOT card as the communication basis， setting up the background， according to the actual needs of production， the production parameters of heat metering points are displayed. This paper focuses on the function application and characteristics of industrial wireless router in communication and data conversion.

Keywords： industrial wireless router; caloric table; communication; heat metering point

0  引  言

热电联供集中供暖模式，热源利用发电厂产生的余热，经由供热主管线输出热水，在重要节点处设置分支管线，再经由各小区或生产区域的换热站进行换热，将热量最终送至用户。目前我市各换热站实现了站内自控系统全覆盖，并且实现了站内水、热、电的计量。

在电厂与各换热站之间的各一级管网，均在合理位置设置了热计量点，其主要功能是对其所在的一级网分支管线进行整体的计量，包括热力、流量、温度等。

热计量点工艺流程相对简单、设备相对较少，但其數据是生产指挥中心调度人员进行全网的平衡调节的重要基础，利用各热计量点的数据，调度人员可以对全市整个一级网按热量分配更合理，使供热系统运行更经济，从而能够达到降低能耗的目的。

当前我市的热计量点的数据主要依靠各个站点的巡站人员按时间节点进行抄表、上报，个人的读数习惯不同，因此数据存在较大的误差，利用人工抄表的方式同时也消耗了大量的人力、物力、财力，时效性差。因此迫切需要将每一个热计量点的生产参数数据分别上传至生产指挥中心，以供调度人员实时监控。

1  工艺流程介绍

热计量点主要分布于电厂与各换热站之间的各一级管网，如图1所示。

热计量点内主要包含以下设备：供水热量表、回水热量表、数据远传系统等，供水热量表安装在供水管线的直管段中，用于测量供水管线的流量、温度、热量等参数，回水热量表安装在回水管线的直管段中，用于测量回水管线的流量、温度、热量等参数。热计量点内工艺流程如图2所示。

2  方案确定

热计量点的位置多处于绿化带中、公园角落、河道边等人烟稀少的地方，并且周围空旷，我市的热计量点采用板房搭建，由于其所选址位置的特殊性，也导致了房屋内无法接入正常的220 V交流市电，并且房屋内地下为管道井，温度高、湿度高，对房屋内的设施设备的选型也提出了较高的要求。

热计量点的热量表是通过标准的Modbus信号向外传输数据，485总线的通信距离可以达到1 200米。根据485总线结构理论，在理想环境的前提下，485总线传输距离可以达到1 200米，但其前提条件是通信线材优质达标，波特率为9 600，只负载一台485设备，才能使得通信距离达到1 200米。每处热计量点的热量表为2台，并且施工使用的通信线线材阻抗不合乎标准、线径过细、转换器品质不良、设备防雷保护复杂等多种因素综合，通常485总线实际的稳定的通信距离无法达到1 200米。

在最终确定数据远传的方案之前，我们考虑过如下几个方案：

方案一：各热计量点至生产指挥中心分别敷设通信线路，将数据接引至中心，该方案不可行，原因是热计量点与生产指挥中心的直线距离大都数十千米，远远超過485总线信号的最大传输距离;

方案二：采用市政光缆，将数据接入生产指挥中心。所需设备：室外光缆熔接盒、光纤收发器、串口服务器等，但需要用到的设备基本都需要220 V交流电供电才可以正常运行，且热计量点所处的位置大部分没有市政光缆敷设到位;

方案三：利用无线网络，协调通信公司办理专用APN物联网卡，将数据传输至生产指挥中心，在热计量点安装带串口转换功能的无线路由器，考虑到现场没有220 V交流电，在其房外安装太阳能发电装置或风光互补发电装置，为站内设备提供电源;

方案四：利用无线网络，协调通信公司办理专用APN物联网卡，将数据传输至生产指挥中心，现场安装触摸屏或者工控机，将热量表的数据采集至触摸屏或工控机，再通过普通无线路由器转发即可，同样利用太阳能发电装置或风光互补发电装置，为站内设备提供电源;

针对以上四个实现方案，对比如表1所示。

通过与业主单位沟通结合，热计量点的数据最终目的是展示在生产指挥中心，而热计量点内可不查看数据，且数据传输的频率在每分钟或每5分钟更新一次就能满足实际需求，再综合施工难度、工期长短、费用等多种因素考虑，最终确定使用第三种方案。

在方案三的基础上，继续优化了细节：

（1）无线路由器选用工业级，且要求本身携带RS485端口，功耗低，支持全网通、多频段，并且为了保证无线路由器的信号强度和信号的稳定性，我们为无线路由器选择配备高增益的信号天线;

（2）无线路由器与热量表通信线的接口处采用航空插头，保证密封、耐高温、耐振动;

（3）标准工况下，路由器的功耗按照8.1 W计算，折算电流为0.337 5 A，若电池需要保证10天即240 h以上的续航，储能电池选用容量为100 Ah的电池;

（4）办理物联网卡，要求通信公司开通专用APN通道。

（5）由于本数据为市政重要的生产现场数据，网络必须要有很高的安全性，因此在生产指挥中心的机房内部署防火墙硬件和软件，防火墙可以使得在防火墙内部的伺服主机与外界网络隔绝，避免有问题的封包影响到内部主机的安全;

最终整个数据传输的链路如图3所示。

可以看出，工业无线路由器在传输的链路中扮演了重要的角色，它让传统的RS485设备立即联网，利用基于TCP/IP的串口数据流传输的实现来控制管理的设备硬件，是专为串口转以太网设计连接的桥梁，排除了距离的限制，并且本身功耗低，符合节能环保的思想要求，下面将重点介绍本系统中工业无线路由器的配置设置。

3  工业无线路由器的配置

配置无线路由器需要使用电脑，无须使用专门的应用软件，在网页即可完成操作。

为保证电脑可以正常连接到工业无线路由器，电脑设置ip为192.168.1.5，掩码255.255.255.0，DNS设为当地可用的DNS服务器或不设置，启动浏览器登录工业无线路由器，缺省ip为192.168.1.1，缺省用户名和口令为admin，如图4所示。

配置WAN连接类型目录中的“连接类型”“APN”“在线保持检测主服务器IP”“在线保持检测副服务器IP”等参数，如图5所示。

连接类型：根据办理的物联网卡的制式选择相应的连接类型，本系统选用dhcp-4G，该方式是4G无线网络模块高速率通信网络连接方式;

APN：接入点名称，办卡时通信商提供;

网络类型选择：有强制2G、强制3G、3G优先、2G优先、4G优先等，建议选择“Auto”即自动;

在线保持：在线保持功能用于检测Internet链路是否处于有效状态。如果设置了此项，路由器将自动检测Internet链路，一旦检测到链路断开或者无效，系统将自动重联，重新建立有效;

在线保持方式：选择Ping，即发送ping包检测链路;

在线保持检测主服务器ip：响应路由器在线检测数据包的主服务器的ip地址，该ip地址一般可在通信商查询到;

配置网络地址服务器设置（DHCP）目录中的“DHCP类型”“起始ip地址”等参数，如图6所示。

将防火墙的保护去掉，如图7所示。

配置串口应用目录的各项参数，热计量点的数据传输重点使用了无线路由器的串口功能，此项配置尤为重要，每一个参数都必须配置正确，如图8所示。

工业无线路由器的Console口在出厂时已经配置成普通串口，因此做RS485接口使用，无线路由器内置了串口转TCP/IP程序。通过配置，将无线路由器的Console口作为一个串口协议转换设备。

注意：以上每一步配置完成后，都需要将页面迁移至最下面，找到“保存设置”按钮并单击，所有配置完成之后，将页面迁移至最下面，找到“应用”按钮并单击，此时工业无线路由器会自动重启，重启完成后，即可正常使用。

4  数据传输

将物联网卡安装在工业无线路由器的卡槽中，我们在向运营商办理APN卡的时候，对方会将其ip地址段、APN名称等提供给我们，在使用的时候，我们需将物联网卡正确地安装在卡槽中，并且保证现场连线正确、工业无线路由器配置正确，即可实现将热计量点的温度、流量等数据实时传输至远处的生产指挥中心。

5  生产指挥中心软件设置

若要将现场的数据最终通过生产指挥中心的上位机监控软件进行展示，监控软件需要依据无线路由器的配置和仪表的参数进行配置，协议选用Modbus TCP协议进行通信。

首先配置连接参数，建立I/O硬件，配置好更新周期、设备地址、远程ip以及端口号等参数，如图9所示。

硬件通道搭建完成之后，进行数据库的搭建，數据库是生产运行调度管理的核心，生产指挥中心的数据库选用一定要考虑其性能、可靠性、数据吞吐能力等多种因素，并且可以满足采集、压缩、存储、加工、分析任何带有时间特性的生产信息。数据库搭建主要是描述采集点位的信息，包括属性、数据来源地址、报警、存储等，如图10和图11所示。

每个站点的数据库里包含了供回水的瞬时流量、瞬时热量、累积流量、累积热量、温度、温差、报警信息等数据，设置每60 s保存一次历史数据。

数据库搭建完成之后，在操作界面，需要显示的地方连接相应的点名即可，对于数据的展示，可以利用不同的颜色区分不同的生产参数，如温度以深蓝色显示、流量和热量以黑色显示、温差以深绿色显示、报警以红色显示等，在连接点名的地方，鼠标右键单击，选择“属性”，修改颜色的字体等。

6  结  论

通过整个过程我们可以看出工业无线路由器在通信、信号转换等方面的强大功能，使用起来十分方便。设备配置界面一目了然、简单易上手，并且能够进行在线修改和保存，保存完可以实现设备的自动重启。对于类似热力站、热计量点等数据上传这样的项目，选用该通信方案完全可以实现所需的功能，且配置的可复制性强、通信费用较低、施工难度不大，有效节约成本和缩短工期。

近年来，我国移动通信技术发展迅速，随着移动网络的发展，依附于其平台的应用服务也逐步升级，表现为涉及范围更广、服务针对的项目更加多元化以及使用更加便捷等，其集便捷、多元的特点已经使其进入了我们日常工作和生活之中。

在该项目中，使用了无线信号网络将各生产现场的生产数据全部上传至生产指挥中心，替代了传统的人工抄表的模式，在减少了数据误差的同时，提高了工作效率，节省了大量人力、物力、财力的消耗，热计量点实现了无人值守，应用效果明显。以下是费用对比：

（1）人工抄表模式：人工1人×供暖季120天×330元/天=39 600元;车辆1台班×供暖季120天×450/台班=54 000元，合计约93 600元/供暖季。

（2）无线传输模式：整体施工费约17 000元，整体设备材料费约57 690元，通信费约10 000元/年，系统集成、维护费55 000元，合计约139 690元。

经过对比分析，人工抄表的模式每年的费用支出比较稳定，而无线传输模式的第一年的投资较大，之后每年只需支付小部分的通信费和维护费即可，长期而言，对于业主方的投资控制而言，采用无线传输模式更有利于控制成本。

参考文献：

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作者简介：刘冠宇（1992—），男，汉族，山东滨州人，工程师，本科，研究方向：PLC控制系统在各种工艺场所的搭建与应用;高立亮（1981—），男，汉族，山东东营人，技术经理，工程师，本科，研究方向：工业自动化及信息技术;朱国喜（1987—），男，汉族，山东枣庄人，工程师，本科，研究方向：工业自控系统应用;常文伟（1985—），女，汉族，山东临沂人，工程师，学士学位，研究方向：油田自动化产品开发研究及应用。