“九五”期间, 原建设部提出了“水、电、气三表出户”的要求。相关行业制订了户用计量仪表数据传输技术条件, 包括水表、燃气表、热量表等仪表数据传输的基本原则等要求。随着时间推移与技术进步, 在自来水行业应用市场上出现了种类繁多的电子远传水表。由于相关行业标准在一些具体细节上没有明确约定和规范, 在组合应用不同厂家的电子远传水表时, 普遍存在兼容性、互换性方面的问题。自来水公司作为用户, 一旦批量采用某厂家的电子远传水表, 就会陷入难以替换、难以组合应用、难以比价采购的“三难”局面, 同时也造成后期表具管理工作的极大混乱。在电子远传水表供应商维修服务不到位的情况下, 一些自来水公司不得不拆除已装的电子远传水表并重新安装普通水表, 造成了不必要的经济损失, 降低了抄表效率。

　　 本文对照行业标准《户用计量仪表数据传输技术条件》 (CJ/T 188-2004) ^[1], 对当前国内具有一定生产规模的20家电子远传水表进行了测试, 深入分析了不同厂家的电子远传水表在数据标识、存储格式、传输指令以及接口形式等方面的异同, 提出了统一编码和接口形式的解决方案, 并初步得到了工程应用检验。

　　 行业标准《电子远传水表》 (CJ/T 224-2006) ^[2]6.3.2条规定“应优先采用CJ/T 188-2004中规定的接口形式、物理性能、数据链路、数据标识、数据表达格式。”《电子远传水表》 (CJ/T 224-2012) ^[3]是对CJ/T 224-2006的修订。据此, 我们对20个厂家生产的电子远传水表的性能参数进行了测试。

　　 被测电子远传水表包括光电直读、摄像直读、脉冲计数和超声波4种类型, 通信总线以M-BUS为主。测试设备主要是数字示波器和通用计算机串口调试软件。

　　 通过实际测试, 发现如下一些影响各家产品相互兼容、互换问题。

　　 CJ/T 188-2004的6.4.1条规定:在发送帧信息之前, 应先发送2~4个字节FEH^[1]。

　　 测试表身码为****1603002601的电子远传水表, 上传水表地址时的前导字节测试结果见表1。

　　 表身码为****1603002601的电子远传水表, 上传累计流量时的前导字节测试结果见表2。

　　 前导字节测试结果:从表1、表2看, 该电子远传水表上传水表地址时, 其前导字节为空, 上传累计流量时的前导字节为非标准字节。不符合规范要求。

　　 CJ/T 188-2004的6.3.2条规定:地址域 (A0~A6) 由7个字节组成, 每个字节为2位BCD码格式。地址长度为14位十进制数, 低地址在前, 高地址在后。其中A5、A6为厂商代码^[1]。

　　 测试中, 表身码为*****201205527的电子远传水表, 其地址域编码测试结果见表3。

　　 地址域编码测试结果是:20家电子远传水表, 有18家的地址域厂商代码均为00H (见表3的地址域A5、A6的内容) ;1个厂商在不同批次的电子远传水表中, 填写了不同的厂商代码;1个厂商填写了厂商代码, 但所有填写的厂商代码均为厂商自行编写。目前行业既没有约定, 也没有分配厂商的代码。

　　 CJ/T 188-2004规定了读计量数据的从站应答报文的格式 (详见8.1.5的表5主站请求读数据的报文格式及从站正常应答报文格式表) , 并对当前累积流量和结算日累积流量的数据格式进行了规定 (详见8.3的表12数据表达格式表) 。

　　 测试中, 表身码为********504570的电子远传水表, 其数据域编码测试结果见表4。

　　 数据域编码测试结果:从表4看出, 该电子远传水表计量数据存储格式为十六进制编码, 而规范为BCD码 (另外, 其地址域的代码格式为十六进制编码, 而规范为BCD码) 。

　　 经测试, 20家电子远传水表中, 有16家电子远传水表的数据域编码没有严格遵守CJ/T 188-2004规范。

　　 参与测试的远传水表总线多为M-BUS型。M-BUS采用半双工通讯协议, 只允许一个主站连接到总线。主站工作时必须向总线提供电源, 每个从站获得不大于2mA的电流^[1]。主站与从站信号传输过程见图1。

　　 主站通过电平的变化传送位信息。发送传号电平V_mark, 即逻辑“1”时, V_mark-V_space>10V, 且V_mark≤42V;发送空号电平V_space, 即逻辑“0”时, V_space>12V。

　　 从站至主站通过电流大小的变化传送信息。发送传号电平I_mark, 即逻辑“1”时, I_mark为0~1.5mA;发送空号电平I_space, 即逻辑“0”时, I_space=I_mark+ (11~20) mA。由于总线驱动器的阻抗影响, 从设备传送低电平时总线上的电压会略微降低一些^[4]。

　　 通过数字示波器, 测试了M-BUS总线的电子远传水表通信过程中传输信号的电压波形。其中, 示波器的信号通道 (CH2) 为主站下发指令的信号波形;信号通道 (CH1) 为电子远传水表返回数据的信号波形, M-BUS模块的采样电阻为11.4Ω。

　　 表身码为****1604000023的电子远传水表空号电平波形如图2。

　　 该电子远传水表回复的空号电流见式 (1) :

　　 式中I_space———电子远传水表空号电流, mA;

　　 ΔV———信号电压振幅, V;

　　 R———采样电阻阻值, Ω。

　　 测试结果表明:该厂家电子远传水表的空号电流已远超出CJ/T 188-2004规定的范围, 不符合其中关于M-BUS接口的规范。

　　 表身码为****1604000023的电子远传水表, 在总线通电瞬间, 电子远传水表峰值电流测试波形如图3所示。电流峰值见式 (2) :

　　 式中I_m———电子远传水表通电时的峰值电流, mA;

　　 ΔV———信号电压振幅, V;

　　 R———采样电阻阻值, Ω。

　　 如采用本测试中的电子远传水表, 当总线上的水表数量增多至100只时, 所形成的峰值电流达3.158A, 将对抄表设备造成大电流冲击、引发过电流保护。

　　 测试的20家电子远传水表, 所发现的问题主要有:

　　 (1) 地址域编码问题。CJ/T 188-2004作为行业标准, 没有分配户用计量仪表生产厂商的具体代码。在地址域的厂商代码部分, 许多生产厂商便均以“0000”填充, 导致不同厂家的电子远传水表在同一物理总线上使用时, 会发生“地址”冲突;即使不在同一条物理总线上使用, 也会因表具地址不唯一而造成表具管理的混乱。

　　 (2) 数据域编码问题。电子远传水表计量的数据存储格式不一致。主站无法进行统一的数据解析。

　　 (3) 指令“异化”。行业标准中, 对于前导字节以及关于“主站请求读数据报文格式及从站应答报文格式”的约定, 没有得到严格遵守, 一些厂家自行定义传输指令。

　　 (4) 校验方式不同。字节校验中, 有的采用奇校验、有的采用偶校验, 也有的采用“无校验”方式;帧校验中, 有的采用累加和校验, 有的采用CRC校验。这样, 在同一条物理总线上使用时, 主站采集电子远传水表数据时, 无法对传输正确性进行统一校验。

　　 (5) 传输速率不同。如1 200bps、2 400bps等不能兼容。远传集中抄表时, 在同一个主站内, 必须从标准速率中只选用一种确定的通讯速率, 与电子远传水表 (从站) 进行通讯 (CJ/T 188-2004中6.4.5规定) 。

　　 (6) 电气接口技术参数差异较大。这样的电子远传水表, 在同一条物理总线上使用时, 会发生硬件冲突。

　　 以上问题可分为以下4个方面: (1) 行业标准没有进一步约定。 (2) 行业标准有约定, 但厂家没有严格遵守。 (3) 行业标准有推荐, 但作为选项, 厂家可以自行选用。 (4) 行业标准有约定但实现电路不同, 性能参数偏离标准。

　　 不同厂家生产的电子远传水表, 甚至同一厂家在不同时期生产的电子远传水表, 其通讯协议、数据存储格式等存在差异, 即使通讯接口形式相同, 在同一条物理总线上使用时, 仍存在兼容性、互换性等诸多问题。

　　 为了从根本上解决电子远传水表兼容与互换问题, 在行业标准CJ/T 188-2004的基础上, 对电子远传水表相关编码和传输参数进行了统一约定。

　　 CJ/T 188-2004^[1]的6.3.2和CJ/T 224-2012^[3]的6.3.3.3.2均约定:“地址域 (A0~A6) 由7个字节组成, 每个字节为2位BCD码格式。地址长度为14位十进制数, 低地址在前, 高地址在后。其中A5、A6为厂商代码。”

　　 CJ/T 188-2004和CJ/T 224-2012均没有给出地址域编码的具体格式及内容。

　　 本方案约定的电子远传水表地址域的编码格式为:厂商代码 (4位) +年 (2位) +月 (2位) +水表流水号 (6位) 。

　　 其中:

　　 (1) 厂商代码 (A6、A5) 。实行厂商代码报备、统一分配。

　　 (2) 水表生产年月 (A4、A3) 。A4:水表生产年号 (短格式, 如2016年, 记作16) ;A3:水表生产月号 (如1月, 记作01) 。明确规定生产年月采用短格式, 利用有限的代码长度, 记录了电子远传水表的生产年月, 为水表后期管理提供了时间参考。

　　 (3) 水表生产流水号 (A2、A1、A0) 。A2、A1、A0:水表生产流水号 (6位) 。电子远传水表地址码 (BCD码, 对应帧格式的地址域为:A0~A6) 按“低地址存低位、高地址存高位”的顺序, 写入电子远传水表的地址域中, 确保电子远传水表地址码格式的统一性和代码的唯一性。

　　 CJ/T 188-2004的6.3.5:“数据域 (DATA) 包括数据标识、序列号和数据, 其结构随控制码的功能改变。”

　　 CJ/T 224-2012的6.3.3.3.5:“数据域 (DA-TA) , 其结构随控制码的功能改变。”

　　 CJ/T 224-2012作为CJ/T 224-2006的代替版本, 还去掉了CJ/T 224-2006中6.3.2数据传输与6.3.3数据安全性的约定, 割断了CJ/T 224-2012与CJ/T 188-2004的联系。也就是说, CJ/T224-2012不再以CJ/T 188-2004为基础, 且没有给出数据域编码的具体格式及内容。

　　 本方案约定的电子远传水表数据域的编码格式为:

　　 累计流量低位在前, 小数部分无数据时填写00H, 单位为立方米 (填写2C) , 其他无数据区域填写00H。例如, 光电编码直读式远传水表, 流量为123 456.78时, 其数据域的累积流量及实时时间的存储格式见表5。

　　 CJ/T 188-2004的8.3.2:“状态占2个字节, 第一字节定义如表14, 第二字节由厂商定义。”

　　 CJ/T 224-2012没有提及状态字。

　　 本方案利用CJ/T 188-2004中预留的状态字中的厂商自定义字节, 对电子远传水表的口径、总线及类型进行统一编码, 便于电子远传水表后期管理。

　　 电子远传水表的类型编码存储在读计量数据的应答帧的厂商自定义ST1^[1]中。读数据的正常应答帧格式见表6。

　　 为实现电子远传水表的兼容与互换, 除约定电子远传水表地址域、数据域的编码规则和电子远传水表的口径、总线及类型编码规则外, 还须对行业标准中的具有多个选项的指标参数进行约定, 这些约定构成电子远传水表的基本技术要求: (1) 通信协议及电气接口性能须严格执行CJ/T 188-2004标准; (2) 传输速率统一为2 400bps; (3) 字节数据传输统一采用偶校验方式; (4) 计量要求和其他技术要求, 须遵守相关国标、行业标准等。

　　 11个厂家提供了符合CJ/T 188-2004及本技术方案的电子远传水表100余只, 并进行了集中抄见测试和初步工程应用。

　　 以光电编码直读式电子远传水表为例。某厂家的远传水表型式为:DN15、M-BUS总线光电直读冷水水表;所分配的厂商代码为0045, 于2016年04月生产, 流水号为123456, 则其表身码为:00451604123456。按照CJ/T 188-2004之表2帧格式, 其地址域的编码格式为:56341204164500, 电子远传水表上传帧格式见表7。

　　 其中:远传水表为光电编码直读式无源远传水表 (按表8约定, ST1=01H) , 表7中的“*”部分均填写“00”;ST0由厂家按CJ/T188-2004协议定义并填写。

　　 目前, 已在3个居民小区高层住宅中, 安装使用了3 000余只光电编码直读式及超声式电子远传水表。结果表明, 这些来自不同厂家、不同类型、具有相同总线型式的电子远传水表, 均能在同一条物理总线上正常运行, 达到了兼容、互换的预期目的。

　　 通过对各厂家电子远传水表通信协议的测试和问题分析, 提出了解决电子远传水表兼容与互换问题的具体方案并通过了应用测试。为进一步修订和完善户用计量仪表行业标准提供了初步的工程样例, 为自来水行业在更大范围内优选和组合应用电子远传水表扫清了障碍。具有广阔的推广应用前景。