熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

本文提出了一種基于ADSL的熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)解決方案。整個(gè)系統(tǒng)由監(jiān)控中心和若干個(gè)控制節(jié)點(diǎn)組成?？刂乒?jié)點(diǎn)采集現(xiàn)場的溫度、流量、壓力等數(shù)據(jù)，并通過ADSL傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，監(jiān)控中心通過WEB方式顯示工況數(shù)據(jù)并向控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令，調(diào)整供熱平衡。論文討論了實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，并給出了控制節(jié)點(diǎn)的軟硬件系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)。

1. 基于ADSL的熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 概述

城市熱網(wǎng)監(jiān)測與控制是城市市政工程的重要組成部分，熱網(wǎng)監(jiān)控制系統(tǒng)的控制節(jié)點(diǎn)一般在地理上分布范圍較廣，很難用一種接入方式實(shí)現(xiàn)所有節(jié)點(diǎn)的接入。目前比較常見的接入方式有PSTN接入方式、GPRS接入方式、數(shù)傳電臺接入方式、專線接入等方式。[1]

這些接入方式都有其適用的場合，但是都存在帶寬低、運(yùn)行成本高的缺點(diǎn)。本文提出一種基于ADSL的熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，以ADSL方式實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的通信接入。其優(yōu)點(diǎn)是：(1)接入方便，一般城市中有電話網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方都可以提供這種接入方式；(2)帶寬高，最大可以達(dá)到2Mbps，可以大幅度地提高監(jiān)控的實(shí)時(shí)性；(3)投資??；(4)運(yùn)行成本低。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于ADSL的熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，一個(gè)典型的熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)由一個(gè)監(jiān)控中心和多個(gè)控制節(jié)點(diǎn)組成。監(jiān)控服務(wù)器負(fù)責(zé)與各控制節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信，接收控制節(jié)點(diǎn)發(fā)出的工況數(shù)據(jù)，并根據(jù)熱網(wǎng)的的運(yùn)行狀況，向控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令，調(diào)整整個(gè)熱網(wǎng)的供熱平衡。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器保存當(dāng)日及歷史工況數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)分析和決策提供支持；WEB服務(wù)器顯示熱網(wǎng)運(yùn)行工況監(jiān)控界面。

熱力公司下設(shè)有若干個(gè)熱力站，一般每個(gè)熱力站設(shè)置一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)，控制節(jié)點(diǎn)由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成?？刂乒?jié)點(diǎn)一方面通過傳感器采集現(xiàn)場的供/回水溫度、流量、壓力等工況數(shù)據(jù)，并控制電磁閥、調(diào)節(jié)閥和變頻器，調(diào)節(jié)現(xiàn)場運(yùn)行參數(shù)；另一方面，通過ADSL Modem 接入Internet，將工況數(shù)據(jù)通過Internet傳送到監(jiān)控中心，控制節(jié)點(diǎn)也可以接收監(jiān)控中心發(fā)出的指令，調(diào)整現(xiàn)場工況運(yùn)行參數(shù)。[2]


圖1:基于ADSL的熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 .基于ADSL的熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

基于ADSL的熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中有效地利用了控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)領(lǐng)域的最新成果，采用的關(guān)鍵技術(shù)有：

2.1監(jiān)控中心基于WEBGIS的監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

GIS(地理信息系統(tǒng))技術(shù)的發(fā)展對熱網(wǎng)監(jiān)控的界面提出了更高的要求，不僅要能夠以表格、曲線等顯示工況數(shù)據(jù)，還要求能夠以電子地圖導(dǎo)航的方式在瀏覽器中實(shí)現(xiàn)熱力站的數(shù)據(jù)查詢與顯示。目前，WEBGIS的實(shí)現(xiàn)有兩種種方法，一種是在商用GIS軟件其基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)完成。第二種方法是在開源的WEBGIS服務(wù)器的基礎(chǔ)上二次開發(fā)完成。在實(shí)際應(yīng)用中，由于商用GIS造價(jià)昂貴，采用開源的Mapserver作為GIS服務(wù)器。

2.2網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)控制算法的研究

熱網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（NCS），其控制對象是一個(gè)大滯后的對象，目前還沒有一個(gè)很好的數(shù)學(xué)模型和控制算法能夠解決這一控制問題。目前，熱力公司一般采用的方法是通過人的經(jīng)驗(yàn)來完成熱網(wǎng)平衡的調(diào)整，研究一個(gè)適合熱網(wǎng)監(jiān)控的控制算法，并充分考慮的環(huán)境溫度的影響，對節(jié)約能源，提高供熱效率意義重大。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中由于帶寬的限制會產(chǎn)生時(shí)延，研究時(shí)延對控制算法的影響也是一個(gè)需要解決的問題。

2.3控制節(jié)點(diǎn)軟、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熱力站控制節(jié)點(diǎn)如果采用工控機(jī)、PLC等技術(shù)實(shí)現(xiàn)的話，控制節(jié)點(diǎn)的成本較高。采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)控制節(jié)點(diǎn)將降低整個(gè)系統(tǒng)的造價(jià)，有利于大規(guī)模推廣。

2.4 VPN協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

采用ADSL的節(jié)點(diǎn)接入方式后，由于利用了Internet傳輸控制數(shù)據(jù)，存在數(shù)據(jù)安全性的問題。為了保證數(shù)據(jù)的安全性，可以采用VPN(虛擬專用網(wǎng))技術(shù)保證傳輸數(shù)據(jù)的安全性。[3][!--empirenews.page--]

3.控制節(jié)點(diǎn)軟、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制節(jié)點(diǎn)的硬件系統(tǒng)基于三星公司ARM7處理器S3C44B0X實(shí)現(xiàn)，如圖2所示：


S3C44B0X是三星公司生產(chǎn)的ARM7(Advanced RISC Machine)內(nèi)核的32位微處理器，具有8路十位A/D轉(zhuǎn)換器和其他硬件資源，該芯片成本低，非常適合用于熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。電源選用5v/24v開關(guān)電源，為嵌入式系統(tǒng)和傳感器供電。晶振采用10MHZ的晶振模塊，S3C44B0X內(nèi)部具有鎖相環(huán)，可以在該晶振的基礎(chǔ)上產(chǎn)生66MHZ的穩(wěn)定輸出頻率。

顯示部分采用VFD高亮度顯示屏，具有點(diǎn)陣輸出，亮度高、視角寬的優(yōu)點(diǎn)。該屏用來顯示現(xiàn)場的溫度、流量、壓力等工況數(shù)據(jù)。此外，為了滿足人機(jī)交互的要求，還擴(kuò)展了指示燈和鍵盤，該部分通過S3C44B0X的通用I/O實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)通過MAX232芯片擴(kuò)展了2個(gè)RS-232串行口，一個(gè)用于調(diào)試，另外一個(gè)用于與變頻器的通信。

由于S3C44B0X內(nèi)部不具有網(wǎng)絡(luò)接口，通過擴(kuò)展RTL8019A網(wǎng)絡(luò)控制芯片實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口，該芯片的通信速率為10Mbps，完全能夠滿足系統(tǒng)要求。該芯片經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器和RJ45接口，與ADSL MODEM通信，完成撥號和網(wǎng)絡(luò)通信的功能。

數(shù)據(jù)采集部分的實(shí)現(xiàn)原理如下：供/回水溫度、流量、壓力六路4-20mA模擬信號經(jīng)過I./V變換電路變?yōu)?strong>S3C44B0X內(nèi)部A/D要求的0-2.5v信號，完成數(shù)據(jù)采集。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分的工作原理如下：

通過擴(kuò)展D/A轉(zhuǎn)換器，輸出模擬信號，實(shí)現(xiàn)對調(diào)節(jié)閥開度的調(diào)節(jié)。通過通用I/O和光隔，控制電磁閥的開關(guān)動作。與變頻器的通信由RS-232串行口完成，通過串行口向變頻器發(fā)送指令，調(diào)節(jié)加壓泵工作狀態(tài)。

3.2 控制節(jié)點(diǎn)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖3所示，整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)采用了層次式體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)模式，每一層都為其上一層提供調(diào)用服務(wù)，這種設(shè)計(jì)模式具有良好的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。



最底層是操作系統(tǒng)層，采用vxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),該層還提供了TCP/IP協(xié)議的封裝供中間件層調(diào)用。

操作系統(tǒng)層的上面是中間件層，該層為應(yīng)用層提供服務(wù)。包括硬件驅(qū)動模塊和通信協(xié)議模塊兩部分。

中間件層上面為應(yīng)用層，是系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，包括了數(shù)據(jù)采集模塊、自動控制模塊和遠(yuǎn)程通信三個(gè)模塊。該層通過調(diào)用中間件層提供的服務(wù)以及操作系統(tǒng)內(nèi)核提供的服務(wù)實(shí)現(xiàn)。

應(yīng)用層的三個(gè)模塊對實(shí)時(shí)性要求較高，通過設(shè)計(jì)若干個(gè)獨(dú)立的任務(wù)實(shí)現(xiàn)。

數(shù)據(jù)采集模塊是一個(gè)周期性的任務(wù)，每隔100ms采集一次數(shù)據(jù)，利用操作系統(tǒng)內(nèi)核實(shí)現(xiàn)精確定時(shí)。當(dāng)有報(bào)警發(fā)生時(shí)，采用中斷的方式處理。數(shù)據(jù)采集模塊和其他兩個(gè)模塊的通信采用消息隊(duì)列和共享內(nèi)存的方式實(shí)現(xiàn)。

自動控制模塊根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作，調(diào)整熱網(wǎng)運(yùn)行工況，也可以接受來自遠(yuǎn)程通信模塊的指令，調(diào)整運(yùn)行工況。

遠(yuǎn)程通信模塊將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控中心，并接受來自監(jiān)控中心的控制指令。遠(yuǎn)程通信模塊和自動控制模塊的任務(wù)間通信通過消息隊(duì)列實(shí)現(xiàn)。

4.結(jié)束語

本文提出的基于ADSL的熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)是一種廉價(jià)、可靠、帶寬高的熱網(wǎng)監(jiān)控解決方案，該方案同樣適用于其他城市管網(wǎng)（如水、煤氣）的監(jiān)測，有較寬泛的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，該系統(tǒng)還有一些技術(shù)問題需要解決，如網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制算法和時(shí)延的問題等，有待于在今后的工作中繼續(xù)研究。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)是采用ADSL技術(shù)作為熱網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的通信方式，并采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)控制節(jié)點(diǎn)，具有成本低、實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)在某市經(jīng)過兩個(gè)采暖期的運(yùn)行,證明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，通過降低能耗、減員增收等，年創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益527萬元。