采用ADSL技術(shù)的熱網(wǎng)監(jiān)控解決方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用優(yōu)勢分析

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)點一般在地理上分布范圍較廣，很難用一種接入方式實現(xiàn)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(shù)傳電臺接入方式、專線接入等方式。

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(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，以ADSL方式實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方都可以提供這種接入方式；

（2）帶寬高，最大可以達到2Mbps，可以大幅度地提高監(jiān)控的實時性；

（3）投資?。?/p>

（4）運行成本低。

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，一個典型的熱網(wǎng)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(wù)器負責與各控制節(jié)點的數(shù)據(jù)通信，接收控制節(jié)點發(fā)出的工況數(shù)據(jù)，并根據(jù)熱網(wǎng)的的運行狀況，向控制節(jié)點發(fā)送指令，調(diào)整整個熱網(wǎng)的供熱平衡。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器保存當日及歷史工況數(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)運行工況監(jiān)控界面。

熱力公司下設(shè)有若干個熱力站，一般每個熱力站設(shè)置一個控制節(jié)點，控制節(jié)點由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成?？刂乒?jié)點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)場工況運行參數(shù)。

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)、計算機技術(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)計與實現(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現(xiàn)熱力站的數(shù)據(jù)查詢與顯示。目前，WEBGIS的實現(xiàn)有兩種種方法，一種是在商用GIS軟件其基礎(chǔ)上進行二次開發(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。在實際應(yīng)用中，由于商用GIS造價昂貴， 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)遠程監(jiān)控系統(tǒng)是一個網(wǎng)絡(luò)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(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)驗來完成熱網(wǎng)平衡的調(diào)整，研究一個適合熱網(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(shè)計

熱力站控制節(jié)點如果采用工控機、PLC等技術(shù)實現(xiàn)的話，控制節(jié)點的成本較高。采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)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(shè)計與實現(xiàn)

采用ADSL的節(jié)點接入方式后，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.控制節(jié)點軟、硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制節(jié)點硬件系統(tǒng)設(shè)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(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，具有點陣輸出，亮度高、視角寬的優(yōu)點。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(xiàn)。

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

由于S3C44B0X內(nèi)部不具有網(wǎng)絡(luò)接口，通過擴展RTL8019A網(wǎng)絡(luò)控制芯片實現(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)镾3C44B0X內(nèi)部A/D要求的0-2.5v信號，完成數(shù)據(jù)采集。

執(zhí)行機構(gòu)部分的工作原理如下：

通過擴展D/A轉(zhuǎn)換器，輸出模擬信號，實現(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)點軟件系統(tǒng)設(shè)計

如圖3所示，整個系統(tǒng)架構(gòu)采用了層次式體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計模式，每一層都為其上一層提供調(diào)用服務(wù)，這種設(shè)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(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、自動控制模塊和遠程通信三個模塊。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)實現(xiàn)。

應(yīng)用層的三個模塊對實時性要求較高，通過設(shè)計若干個獨立的任務(wù)實現(xiàn)。

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

自動控制模塊根據(jù)實時數(shù)據(jù)控制執(zhí)行機構(gòu)的動作，調(diào)整熱網(wǎng)運行工況，也可以接受來自遠程通信模塊的指令，調(diào)整運行工況。

遠程通信模塊將實時數(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。

遠程通信模塊和自動控制模塊的任務(wù)間通信通過消息隊列實現(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、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(shù)作為熱網(wǎng)遠程監(jiān)控的通信方式，并采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)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(jīng)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(jīng)濟效益527萬元。