基于ZigBee的水泥生产过程电量无线采集
昆明电器科学研究所、拉法基瑞安（红河）水泥有限公司的研究人员刘清茂、万春红等，在2015年第3期《电气技术》杂志上撰文，利用ZigBee无线通信装置的高稳定性、易使用性、可拓展性等优点，结合LM-Gateway数据采集网关，将智能电表的专用通信协议转换为通用组态软件的通信协议，实现水泥生产过程电量无线采集，无缝接入水泥DCS系统，有效降低EMS系统建设的施工难度和投入成本。
我国水泥行业是国民经济的重要基础产业，也是能耗和污染排放的重点领域，和其它流程工业一样，水泥生产实现“节能、环保、安全、高效”已成为业界共识，绿色水泥和清洁化生产是水泥企业的必由之路。
降低水泥生产过程能耗是一个系统工程，涉及工艺、设备、原料、管理、操作等等，实现能耗基础数据采集，完成综合能耗计算、分析、监测、评估，是降低水泥能耗的首要基础，建立水泥企业能耗信息管理平台，被列为国家水泥工业节能减排重点专项工程。
水泥生产过程自动化发展至今，国外和国内先进的水泥企业已实现工艺设备层DCS、生产执行层MES和工厂（集团）管理层ERP，集团化管理的控制力和执行力明显提高，精细化运行方式使得物流成本和原材料成本得到控制，实现了综合效益的大幅增长，水泥企业能耗信息管理平台的建设，将进一步提高水泥企业的节能降耗减排效益。
电量采集和电耗计算是水泥企业综合能耗的重要组成部分，现有水泥生产过程DCS大多只完成了基础控制功能，并未全面采集电耗相关数据，为搭建水泥企业能耗信息管理平台，不影响正常生产，降低项目施工难度和节约经费，利用ZigBee无线通信装置的高稳定性、易使用性、可拓展性等优点，结合LM-Gateway数据采集网关，实现水泥生产过程电量无线采集，无缝接入水泥DCS系统，有效降低EMS系统建设的施工难度和投入成本。
一、数据采集软硬件构架
电量采集系统由智能电表完成数据采集，然后通过ZigBee模块无线发送，经过LM-Gateway数据采集网关将智能电表的DL/T 645-2007通信协议转换成MODBUSTCP/IP协议，最终由Cimplicity HMI完成数据的处理计算。
1.1 ZigBee简介
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。它是一种高可靠的无线数传网络，通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。
一个ZigBee网络平台最多可由65000个无线数传模块组成，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，由于ZigBee技术的自组网功能，多个模块通电后正确配置即可实现无线通信功能。
1.2 数据采集系统通信协议
根据国家相关标准，现在市面上的多功能电表通信协议均为DL/T645-1997或者DL/T645-2007，而通用组态软件的通信协议一般不支持这种通信协议，因此，如果要将智能电表的数据采集到上位组态软件，需要将通信协议进行转化。
在本项目中使用的组态软件Cimplicity HMI在原有的DCS系统中使用的是MODBUS TCP/IP的通信协议，为了让电能数据采集无缝接入原有系统，所以使用了西安罗米控的LM-Gateway数据采集网关，该网关能将DL/T645-2007通信协议转换成MODBUS TCP/IP的通信协议。
通过网关配置软件编程，一个网关的一个485通信串口最多能连接20块智能电表，一个网关可配4个485通信串口，完全能满足本项目的需求。
1.3数据采集系统通信拓扑图
图1 数据采集系统通信拓扑图
数据采集系统通信拓扑如图1所示，在该系统中，配电室的多块（最多20块）多功能电表通过485通信方式并联连接到ZigBee模块，经过ZigBee模块无线透明传输后在远方同样用ZigBee模块接收，然后将传输协议是DL/T645-2007的数据送给LM-Gateway数据采集网关，由网关实现DL/T645-2007到MODBUS TCP/IP协议的转换，经过转换的数据就可以被Cimplicity HMI所使用了，从而后续的计算也能够实现。
图1所示的通信拓扑图是一个通道的示意图，由于受网关串口通信能力限制，一个通道最多能带20块智能电表。根据需要，一个网关最多可以配4个485通信串口，如果现场有超过20块智能电表的数据需要采集，那么就要根据实际需求增加相应的ZigBee模块和更改网关的配置程序来实现。
二、电量无线采集实现
2.1 ZigBee无线模块的配置
ZigBee无线模块的配置软件打开如图2所示，用串口线将电脑和模块连接起来，进入配置模式后，需根据多功能电表的通信协议设置“ZigBee配置”；需要给该项目所使用的所有的ZigBee模块指定一个网络号，这个网络号可以随机指定一个，但是不能选择“随机”，必须是“指定”里输入一个随机的号码，设定一个后，所有的模块的网络号都应该是一样的。
“节点类型”一项里，整个ZigBee网络里必须有一个模块是设置成“协调器”，其他的模块如果是连接设备的就设置成“终端设备”，如果是为了桥接加长通信距离的，那就设置成“路由器”；“分节点网络地址”就是配置的这个模块的地址；“透传地址”这里，如果是连接电表的模块，就选择“指定”输入连接LM-Gateway数据采集网
图2 ZigBee模块配置界面
关的那个模块的分节点网络地址，如果是连接网关的模块，那这里选择“广播”；“物理信道”一项为了减少其他无线通信对ZigBee网络的干扰，选择26；应用模式选在透传，其他配置选项默认即可。
在实际使用的时候如果发现无线通信质量不好，丢包较大，或者是两个ZigBee模块之间的距离较远，两个模块之间不能相互可视，那么可以在两个模块之间合适的位置添加一个配置成为“路由器”的模块，以增加无线传输的稳定性和可靠性。
2.2 LM-Gateway数据采集网关配置编程
打开配置软件后，需要在配置软件里编程设置网关串口的通信参数，以太网口的IP地址以及端口号等基本参数。网关进行协议转换的基本原理是将多功能电表的数据通过DL/T 645-2007的协议读取到网关里，然后将相应参数的值解析出来，再把解析出来的值按照MODBUS的通信协议存储到网关里。因此，在网关配置里需要做的就是设置通信接口参数，定义电表的表号，需要读取的多功能电表参数有哪些，读出来之后存储在哪里。
三、结论
该系统在水泥生产厂实际生产中得到了很好的应用，在不影响生产的情况下，简单、方便的完成了电能量数据的采集与传输，系统施工难度低，耗费资金少，充分利用ZigBee无线模块的优点，可靠的完成了数据的无线传输；配合LM-Gateway数据采集网关，将电能量数据无缝接入了传统DCS系统中，避免了为采集电能量数据而专门建立一套配电监控管理后台的复杂系统。
该电能数据采集系统所采集的电能量数据，结合原来DCS系统采集的相关能耗数据，根据国家相关标准，通过在上位组态软件编程即可计算出水泥熟料的综合能耗数据，为水泥厂EMS系统的建立打下了良好的基础，同时也有效推进了水泥厂信息化建设。