范繼寧，劉 寅，謝小敏

（重慶市電力公司，重慶 401123）

基于AM3359的多通信方式用電采集控制終端的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

范繼寧，劉 寅，謝小敏

（重慶市電力公司，重慶 401123）

基于ARM Cortex-A8的微控制器AM3359的智能控制終端是一種具有能夠?qū)崿F(xiàn)自組網(wǎng)、多種通信方式融合、良好的人機(jī)交互功能的用電信息采集系統(tǒng)終端。介紹了該系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方案，闡述了多通信方式的實(shí)現(xiàn)和精細(xì)化控制的原理和設(shè)計(jì)方法。應(yīng)用證明，該終端可以應(yīng)用在各種工礦企業(yè)、城市建筑和路燈系統(tǒng)中，性價(jià)比高，穩(wěn)定可靠。

AM3359；用電信息采集；多通信方式；精細(xì)化控制

用電信息采集控制系統(tǒng)是一個(gè)微型系統(tǒng)，包括需求側(cè)管理終端、采集監(jiān)控模塊、通信網(wǎng)路、顯示單元等，而用電信息采集控制終端（以下簡(jiǎn)稱“終端”）是該系統(tǒng)最重要的組成部分，終端的主要功能為企業(yè)用電信息的采集以及企業(yè)內(nèi)部有序用電的精細(xì)化管理，可以在滿足用電管理的同時(shí)，通過功能擴(kuò)展支持對(duì)其他能源數(shù)據(jù)及狀態(tài)的采集及管理，如：水、汽、油的流量、壓力、溫度等參數(shù)。具有接口可擴(kuò)展、現(xiàn)場(chǎng)安裝方便、操作和使用界面友好的特點(diǎn)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，支持集中布置或分布式布置。

1 當(dāng)前用電信息采集控制終端應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前需求側(cè)管理系統(tǒng)多采用單一的電力負(fù)荷管理終端作為主要控制負(fù)荷、節(jié)約電能的裝置。主要根據(jù)DL/T 698—2008、DL/T 614—2007等標(biāo)準(zhǔn)要求提供相應(yīng)的功能，包括公變計(jì)量基本硬件、專變檢測(cè)基本硬件等；采用現(xiàn)場(chǎng)控制的方式，支持1—8路開關(guān)量輸入的采集功能，1—8路脈沖輸出的控制功能；通過RS485作為通信方式，每路RS485支持32個(gè)測(cè)量表計(jì)，內(nèi)部主要采用基于ARM9架構(gòu)的AT91SAM9260作為主控芯片，存儲(chǔ)容量為64 M的FLASH，數(shù)據(jù)可重復(fù)擦寫3年時(shí)間。當(dāng)前終端主要應(yīng)用于專線用戶，具有4輪控制功能。主要的不足是不能支持更多輪的精細(xì)化控制和精細(xì)化采集，無線通信和組網(wǎng)功能不足，只適合現(xiàn)場(chǎng)有線方式的使用，同時(shí)與企業(yè)生產(chǎn)和工作互動(dòng)不足，不能很好體現(xiàn)企業(yè)工況，不能使企業(yè)生產(chǎn)者了解各工序的能耗情況。針對(duì)節(jié)能降耗的基本要求和方法，目前研制出了一種增加了企業(yè)能耗監(jiān)控和精細(xì)化采集和控制的用電信息采集控制終端。

2 新型多通信控制終端的特點(diǎn)

2.1 新型終端應(yīng)用體系架構(gòu)

該終端與以往的電力負(fù)荷控制終端應(yīng)用基本類似，分為2部分：一部分為用電信息控制終端,負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，終端基于嵌入式32位RISC處理器ARM平臺(tái)上擴(kuò)展方式實(shí)現(xiàn)。硬件采用AM3359處理器作為主要基礎(chǔ)，軟件采用嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)。顯示器采用7英寸以上的彩色觸摸屏，支持各種主流通信方式；另一部分為實(shí)現(xiàn)精細(xì)化控制而采用的各種采集模塊、控制模塊、傳感器等，采集各種傳感器設(shè)備（壓力傳感器、電能表、液體流量計(jì)、霍爾傳感器、頻率計(jì)等）的用電信息，根據(jù)分站用電情況，計(jì)算出各分站子系統(tǒng)的用電信息，將電耗情況上報(bào)電網(wǎng)公司的主臺(tái)軟件系統(tǒng)。圖1展示了終端系統(tǒng)的體系。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，靈活選取合適的通信組件，支持集中式或分布式的組網(wǎng)方式。

圖1 終端系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

2.2 新型終端設(shè)計(jì)方案

終端采用的是AM3359作為主控芯片。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 終端系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

終端軟件架構(gòu)如圖3，分為3個(gè)層次：操作系統(tǒng)層、平臺(tái)層及應(yīng)用層，實(shí)際上，平臺(tái)層及應(yīng)用層均屬于操作系統(tǒng)的應(yīng)用，它們運(yùn)行于操作系統(tǒng)之上，利用操作系統(tǒng)提供各種服務(wù)。

所有的與硬件直接相關(guān)的工作全部放在操作系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)，平臺(tái)層通過操作系統(tǒng)提供的API服務(wù)完成對(duì)設(shè)備的操作。在實(shí)際的實(shí)現(xiàn)中，將與業(yè)務(wù)相關(guān)的一些驅(qū)動(dòng)或設(shè)備文件封裝起來，形成一個(gè)業(yè)務(wù)庫。

圖3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

操作系統(tǒng)利用API為負(fù)控平臺(tái)提供服務(wù)，負(fù)控平臺(tái)通過將基礎(chǔ)功能封裝利用API為應(yīng)用服務(wù)或以獨(dú)立程序的方式利用進(jìn)程間通信為應(yīng)用層提供服務(wù)，這樣各層間的界面將非常清晰，也避免高耦合的情況發(fā)生。由于各層以二進(jìn)制方式提供，在接口不改變的情況下，某一層內(nèi)部的修改不會(huì)影響到其他層的工作。

2.3 新型終端功能特色

新型需求側(cè)終端的主要特色是加入了更多適合企業(yè)用戶生產(chǎn)特色的功能，可以實(shí)現(xiàn)目前在用終端不能實(shí)現(xiàn)的精細(xì)化采集與控制、企業(yè)綜合能效管理、互動(dòng)式的查詢與人機(jī)交互功能等。

2.3.1 分散式采集與控制

所謂分散式采集與控制是通過多路通信方式，將分散在各遠(yuǎn)方的控制點(diǎn)通過映射方式靈活的在主站中加以配置。主站不需要對(duì)從設(shè)備進(jìn)行管理；而主設(shè)備通過從設(shè)備的采集功能來實(shí)現(xiàn)分散式采集優(yōu)點(diǎn)。如圖4所示，對(duì)于本地的控制和采集節(jié)點(diǎn)來說，有1—2路RS485，這2個(gè)端口可以直接連接采集或控制設(shè)備，也可以通過控制和采集模塊，來延伸和擴(kuò)展控制的節(jié)點(diǎn)數(shù)。對(duì)于控制，終端最多可以實(shí)現(xiàn)64輪，每輪的物理位置可以是在主終端上，也可以是接在主終端的控制模塊上，更可以在跟主終端對(duì)應(yīng)的從終端上。而從終端是一個(gè)功能相對(duì)簡(jiǎn)單的小終端，通過小型無線電臺(tái)、以太網(wǎng)以及470 MHz實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)功能。圖4中云表示的就是從終端的組網(wǎng)方式是靈活和多樣的。從終端可以與主終端距離相距較遠(yuǎn)，這樣有利于大型企業(yè)不同生產(chǎn)部門間的能耗統(tǒng)計(jì)和負(fù)荷統(tǒng)計(jì)與控制。從終端下也連接了數(shù)量不等的控制采集模塊，可以測(cè)量不同類型的表計(jì)數(shù)據(jù)，統(tǒng)一通過數(shù)據(jù)字典得到控制邏輯所需數(shù)據(jù)及參數(shù)，進(jìn)行當(dāng)?shù)氐拈]環(huán)控制和遙控，完成告警、記錄；通過平臺(tái)提供的控制輸出驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)閘的控制輸出；告警維護(hù)；通過擴(kuò)展的規(guī)約實(shí)現(xiàn)對(duì)電、水、氣、煤等不同能源量的統(tǒng)計(jì)和控制功能。

圖4 分散式采集與控制

2.3.2 能耗統(tǒng)計(jì)與計(jì)算

能耗統(tǒng)計(jì)與計(jì)算功能主要是實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)能耗動(dòng)態(tài)過程，收集生產(chǎn)過程中大量分散的用電及能耗數(shù)據(jù)，提供實(shí)時(shí)及歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析、對(duì)比功能，以發(fā)現(xiàn)能源消耗過程和結(jié)構(gòu)中存在的問題，建立企業(yè)能耗評(píng)估、管理體系，提高企業(yè)能源效率水平。

能效管理的主要內(nèi)容如圖5顯示的框架。主要有5個(gè)部分組成：

圖5 能耗管理主要功能

?能耗顯示：在線監(jiān)測(cè)整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)能耗動(dòng)態(tài)信息（電、煤、水、油、氣），現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行管理人員可了解和掌握生產(chǎn)工序的實(shí)時(shí)能耗狀況、能耗變化趨勢(shì)等信息。

?能耗統(tǒng)計(jì)：終端將采集到的能耗數(shù)據(jù)與相對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)相結(jié)合（此數(shù)據(jù)需企業(yè)錄入），進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、單位產(chǎn)品綜合能耗、工序能耗的統(tǒng)計(jì)（以日、月為周期）。

?能耗對(duì)比：終端可按不同需要靈活設(shè)置對(duì)比參數(shù)，在不同時(shí)段（日、月為周期）、不同工序進(jìn)行環(huán)比和同比，同時(shí)生成能耗圖表。

?班組對(duì)比：終端可按不同需要靈活設(shè)置對(duì)比參數(shù)，在不同時(shí)段下（日、月為周期），針對(duì)不同工序的班組進(jìn)行環(huán)比和同比，同時(shí)生成能耗圖表。

?數(shù)據(jù)錄入可以輸入當(dāng)前所選時(shí)間的生產(chǎn)信息（總產(chǎn)值、總產(chǎn)量、總增加值）。錄入內(nèi)容可以按照時(shí)間、總產(chǎn)量、總產(chǎn)值、總增加值選擇列表。

2.3.3 人機(jī)交互與顯示

根據(jù)終端平臺(tái)的硬件資源，數(shù)據(jù)交互采用USB方式，在顯示控制板上建立和主控板上一樣的存儲(chǔ)方式，顯示的內(nèi)容為主頁面，分為：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析、參數(shù)配置、終端信息、系統(tǒng)管理、調(diào)試信息、控制狀態(tài)等。設(shè)計(jì)時(shí)采用10英寸的可觸摸的液晶顯示器，與當(dāng)前的負(fù)控終端相比，屏幕更大，交互更好。如圖6所示。

圖6 實(shí)時(shí)交互的查詢測(cè)量信息

3 應(yīng)用與展望

本系統(tǒng)終端可以實(shí)現(xiàn)普通電力負(fù)荷控制管理系統(tǒng)的基本功能，并通過模塊化的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展，可以合理統(tǒng)計(jì)和計(jì)算每個(gè)裝置下用電負(fù)荷的信息，根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)和總負(fù)荷指標(biāo)，智能判斷和調(diào)節(jié)不同生產(chǎn)單位的供需能耗。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了豐富、靈活的組網(wǎng)方式，具備過程可視化以及有序用電管理功能，為實(shí)現(xiàn)企業(yè)綜合能效管理留下了豐富的接口，便于精細(xì)化管理。系統(tǒng)為有效實(shí)施用電監(jiān)控、推行階梯定價(jià)、開展負(fù)荷管理和線損分析提供了技術(shù)支撐，最終達(dá)到錯(cuò)峰用電、負(fù)荷預(yù)測(cè)和節(jié)約用電成本等目的。

Design of multy?communication mode power acquisition control terminal based on the AM3359

FAN Ji?ning,LIU Yin,XIE Xiao?min
（Chongqing Electric Power Company,Chongqing 401123,China）

This paper introduces a design based on ARM Cortex?A8 micro controller AM3359 intelligent control terminals,the terminal has can realize AD hoc network,a variety of commu?nication mode fusion,good interactive function.Detailed introduc?es the system of main structure,the system hardware and software design,this paper focuses on the realization of the more communi?cation mode and fine control principle and design method.Appli?cations show that the terminal can be used in various industrial and mining enterprises,energy consumption enterprise and urban architecture and street lamp system,the cost performance is high,stable and reliable.

AM3359;electricity information collection;mu?lti?commutations;fine control

TP273；TM764

B

1009-1831（2013）01-0048-03

2012-10-26