熱網監(jiān)控系統(tǒng)的設計研究

本文提出了一種基于ADSL的熱網監(jiān)控系統(tǒng)解決方案。整個系統(tǒng)由監(jiān)控中心和若干個控制節(jié)點組成。控制節(jié)點采集現場的溫度、流量、壓力等數據，并通過ADSL傳送到遠程監(jiān)控中心，監(jiān)控中心通過WEB方式顯示工況數據并向控制節(jié)點發(fā)送指令，調整供熱平衡。論文討論了實現該系統(tǒng)的關鍵技術，并給出了控制節(jié)點的軟硬件系統(tǒng)詳細設計。

1. 基于ADSL的熱網監(jiān)控系統(tǒng)總體結構

1.1 概述

城市熱網監(jiān)測與控制是城市市政工程的重要組成部分，熱網監(jiān)控制系統(tǒng)的控制節(jié)點一般在地理上分布范圍較廣，很難用一種接入方式實現所有節(jié)點的接入。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、運行成本高的缺點。本文提出一種基于ADSL的熱網監(jiān)控系統(tǒng)，以ADSL方式實現節(jié)點的通信接入。其優(yōu)點是：(1)接入方便，一般城市中有電話網絡覆蓋的地方都可以提供這種接入方式；(2)帶寬高，最大可以達到2Mbps，可以大幅度地提高監(jiān)控的實時性；(3)投資小；(4)運行成本低。

1.2 系統(tǒng)總體結構

基于ADSL的熱網監(jiān)控系統(tǒng)的總體結構如圖1所示，一個典型的熱網監(jiān)控系統(tǒng)由一個監(jiān)控中心和多個控制節(jié)點組成。監(jiān)控服務器負責與各控制節(jié)點的數據通信，接收控制節(jié)點發(fā)出的工況數據，并根據熱網的的運行狀況，向控制節(jié)點發(fā)送指令，調整整個熱網的供熱平衡。數據庫服務器保存當日及歷史工況數據，為數據分析和決策提供支持；WEB服務器顯示熱網運行工況監(jiān)控界面。

熱力公司下設有若干個熱力站，一般每個熱力站設置一個控制節(jié)點，控制節(jié)點由嵌入式系統(tǒng)構成。控制節(jié)點一方面通過傳感器采集現場的供/回水溫度、流量、壓力等工況數據，并控制電磁閥、調節(jié)閥和變頻器，調節(jié)現場運行參數；另一方面，通過ADSL Modem 接入Internet，將工況數據通過Internet傳送到監(jiān)控中心，控制節(jié)點也可以接收監(jiān)控中心發(fā)出的指令，調整現場工況運行參數。[2]


圖1:基于ADSL的熱網監(jiān)控系統(tǒng)結構圖

2 .基于ADSL的熱網監(jiān)控系統(tǒng)關鍵技術

基于ADSL的熱網監(jiān)控系統(tǒng)中有效地利用了控制技術、計算機技術和通信技術領域的最新成果，采用的關鍵技術有：

2.1監(jiān)控中心基于WEBGIS的監(jiān)控界面的設計與實現

GIS(地理信息系統(tǒng))技術的發(fā)展對熱網監(jiān)控的界面提出了更高的要求，不僅要能夠以表格、曲線等顯示工況數據，還要求能夠以電子地圖導航的方式在瀏覽器中實現熱力站的數據查詢與顯示。目前，WEBGIS的實現有兩種種方法，一種是在商用GIS軟件其基礎上進行二次開發(fā)完成。第二種方法是在開源的WEBGIS服務器的基礎上二次開發(fā)完成。在實際應用中，由于商用GIS造價昂貴，采用開源的Mapserver作為GIS服務器。

2.2網絡控制系統(tǒng)控制算法的研究

熱網遠程監(jiān)控系統(tǒng)是一個網絡控制系統(tǒng)（NCS），其控制對象是一個大滯后的對象，目前還沒有一個很好的數學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驗來完成熱網平衡的調整，研究一個適合熱網監(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。網絡控制系統(tǒng)中由于帶寬的限制會產生時延，研究時延對控制算法的影響也是一個需要解決的問題。

2.3控制節(jié)點軟、硬件系統(tǒng)設計

熱力站控制節(jié)點如果采用工控機、PLC等技術實現的話，控制節(jié)點的成本較高。采用嵌入式系統(tǒng)設計實現控制節(jié)點將降低整個系統(tǒng)的造價，有利于大規(guī)模推廣。

2.4 VPN協(xié)議的設計與實現

采用ADSL的節(jié)點接入方式后，由于利用了Internet傳輸控制數據，存在數據安全性的問題。為了保證數據的安全性，可以采用VPN(虛擬專用網)技術保證傳輸數據的安全性。[3]

3.控制節(jié)點軟、硬件系統(tǒng)設計

3.1 控制節(jié)點硬件系統(tǒng)設計

控制節(jié)點的硬件系統(tǒng)基于三星公司ARM7處理器S3C44B0X實現，如圖2所示：


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

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

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

由于S3C44B0X內部不具有網絡接口，通過擴展RTL8019A網絡控制芯片實現網絡接口，該芯片的通信速率為10Mbps，完全能夠滿足系統(tǒng)要求。該芯片經過網絡隔離變壓器和RJ45接口，與ADSL MODEM通信，完成撥號和網絡通信的功能。

數據采集部分的實現原理如下：供/回水溫度、流量、壓力六路4-20mA模擬信號經過I./V變換電路變?yōu)镾3C44B0X內部A/D要求的0-2.5v信號，完成數據采集。

執(zhí)行機構部分的工作原理如下：

通過擴展D/A轉換器，輸出模擬信號，實現對調節(jié)閥開度的調節(jié)。通過通用I/O和光隔，控制電磁閥的開關動作。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，調節(jié)加壓泵工作狀態(tài)。

3.2 控制節(jié)點軟件系統(tǒng)設計

如圖3所示，整個系統(tǒng)架構采用了層次式體系結構的設計模式，每一層都為其上一層提供調用服務，這種設計模式具有良好的可擴展性和可維護性。



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

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

中間件層上面為應用層，是系統(tǒng)的應用軟件，包括了數據采集模塊、自動控制模塊和遠程通信三個模塊。該層通過調用中間件層提供的服務以及操作系統(tǒng)內核提供的服務實現。

應用層的三個模塊對實時性要求較高，通過設計若干個獨立的任務實現。

數據采集模塊是一個周期性的任務，每隔100ms采集一次數據，利用操作系統(tǒng)內核實現精確定時。當有報警發(fā)生時，采用中斷的方式處理。數據采集模塊和其他兩個模塊的通信采用消息隊列和共享內存的方式實現。

自動控制模塊根據實時數據控制執(zhí)行機構的動作，調整熱網運行工況，也可以接受來自遠程通信模塊的指令，調整運行工況。

遠程通信模塊將實時數據通過網絡傳送到監(jiān)控中心，并接受來自監(jiān)控中心的控制指令。遠程通信模塊和自動控制模塊的任務間通信通過消息隊列實現。

4.結束語

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

本文的創(chuàng)新點是采用ADSL技術作為熱網遠程監(jiān)控的通信方式，并采用嵌入式系統(tǒng)設計實現控制節(jié)點，具有成本低、實時性好的優(yōu)點。本系統(tǒng)在某市經過兩個采暖期的運行,證明系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，通過降低能耗、減員增收等，年創(chuàng)造經濟效益527萬元。