基于A(yíng)DSL的熱網(wǎng)監控系統

　　1.1 概述

　　城市熱網(wǎng)監測與控制是城市市政工程的重要組成部分，熱網(wǎng)監控制系統的控制節點(diǎn)一般在地理上分布范圍較廣，很難用一種接入方式實(shí)現所有節點(diǎn)的接入。目前比較常見(jiàn)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(zhuān)線(xiàn)接入等方式。[1]

　　這些接入方式都有其適用的場(chǎng)合，但是都存在帶寬低、運行成本高的缺點(diǎn)。本文提出一種基于A(yíng)DSL的熱網(wǎng)監控系統，以ADSL方式實(shí)現節點(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(huà)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控的實(shí)時(shí)性；(3)投資??；(4)運行成本低。

　　1.2 系統總體結構

　　基于A(yíng)DSL的熱網(wǎng)監控系統的總體結構如圖1所示，一個(gè)典型的熱網(wǎng)監控系統由一個(gè)監控中心和多個(gè)控制節點(diǎn)組成。監控服務(wù)器負責與各控制節點(diǎn)的數據通信，接收控制節點(diǎn)發(fā)出的工況數據，并根據熱網(wǎng)的的運行狀況，向控制節點(diǎn)發(fā)送指令，調整整個(gè)熱網(wǎng)的供熱平衡。數據庫服務(wù)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(wù)器顯示熱網(wǎng)運行工況監控界面。

　　圖1:基于A(yíng)DSL的熱網(wǎng)監控系統結構圖

　　熱力公司下設有若干個(gè)熱力站，一般每個(gè)熱力站設置一個(gè)控制節點(diǎn)，控制節點(diǎn)由嵌入式系統構成?？刂乒濣c(diǎn)一方面通過(guò)傳感器采集現場(chǎng)的供/回水溫度、流量、壓力等工況數據，并控制電磁閥、調節閥和變頻器，調節現場(chǎng)運行參數；另一方面，通過(guò)ADSL Modem 接入Internet，將工況數據通過(guò)Internet傳送到監控中心，控制節點(diǎn)也可以接收監控中心發(fā)出的指令，調整現場(chǎng)工況運行參數。[2]

　　2 .基于A(yíng)DSL的熱網(wǎng)監控系統關(guān)鍵技術(shù)

　　基于A(yíng)DSL的熱網(wǎng)監控系統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監控中心基于WEBGIS的監控界面的設計與實(shí)現

　　GIS(地理信息系統)技術(shù)的發(fā)展對熱網(wǎng)監控的界面提出了更高的要求，不僅要能夠以表格、曲線(xiàn)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(shí)現熱力站的數據查詢(xún)與顯示。目前，WEBGIS的實(shí)現有兩種種方法，一種是在商用GIS軟件其基礎上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)完成。第二種方法是在開(kāi)源的WEBGIS服務(wù)器的基礎上二次開(kāi)發(fā)完成。在實(shí)際應用中，由于商用GIS造價(jià)昂貴， 采用開(kāi)源的Mapserver作為GIS服務(wù)器。

　　2.2網(wǎng)絡(luò )控制系統控制算法的研究

　　熱網(wǎng)遠程監控系統是一個(gè)網(wǎng)絡(luò )控制系統（NCS），其控制對象是一個(gè)大滯后的對象，目前還沒(méi)有一個(gè)很好的數學(xué)模型和控制算法能夠解決這一控制問(wèn)題。目前，熱力公司一般采用的方法是通過(guò)人的經(jīng)驗來(lái)完成熱網(wǎng)平衡的調整，研究一個(gè)適合熱網(wǎng)監控的控制算法，并充分考慮的環(huán)境溫度的影響，對節約能源，提高供熱效率意義重大。網(wǎng)絡(luò )控制系統中由于帶寬的限制會(huì )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(wèn)題。

　　2.3控制節點(diǎn)軟、硬件系統設計

　　熱力站控制節點(diǎn)如果采用工控機、PLC等技術(shù)實(shí)現的話(huà)，控制節點(diǎn)的成本較高。采用嵌入式系統設計實(shí)現控制節點(diǎn)將降低整個(gè)系統的造價(jià)，有利于大規模推廣。

　　2.4 VPN協(xié)議的設計與實(shí)現

　　圖2. 控制節點(diǎn)硬件系統結構圖

　　采用ADSL的節點(diǎn)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(wèn)題。為了保證數據的安全性，可以采用VPN(虛擬專(zhuān)用網(wǎng))技術(shù)保證傳輸數據的安全性。[3]

　　3.控制節點(diǎn)軟、硬件系統設計

　　3.1 控制節點(diǎn)硬件系統設計

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

　　S3C44B0X是三星公司生產(chǎn)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(wǎng)監控系統。電源選用5v/24v開(kāi)關(guān)電源，為嵌入式系統和傳感器供電。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(chǎn)生66MHZ的穩定輸出頻率。

　　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(lái)顯示現場(chǎng)的溫度、流量、壓力等工況數據。此外，為了滿(mǎn)足人機交互的要求，還擴展了指示燈和鍵盤(pán)，該部分通過(guò)S3C44B0X的通用I/O實(shí)現。

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

　　由于S3C44B0X內部不具有網(wǎng)絡(luò )接口，通過(guò)擴展RTL8019A網(wǎng)絡(luò )控制芯片實(shí)現網(wǎng)絡(luò )接口，該芯片的通信速率為10Mbps，完全能夠滿(mǎn)足系統要求。該芯片經(jīng)過(guò)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。

數據采集部分的實(shí)現原理如下：供/回水溫度、流量、壓力六路4-20mA模擬信號經(jīng)過(guò)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。

　　執行機構部分的工作原理如下：

　　通過(guò)擴展D/A轉換器，輸出模擬信號，實(shí)現對調節閥開(kāi)度的調節。通過(guò)通用I/O和光隔，控制電磁閥的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。與變頻器的通信由RS-232串行口完成，通過(guò)串行口向變頻器發(fā)送指令，調節加壓泵工作狀態(tài)。

　　3.2 控制節點(diǎn)軟件系統設計

　　圖3：控制節點(diǎn)軟件系統結構圖

　　如圖3所示，整個(gè)系統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(wù)，這種設計模式具有良好的可擴展性和可維護性。

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

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

　　中間件層上面為應用層，是系統的應用軟件，包括了數據采集模塊、自動(dòng)控制模塊和遠程通信三個(gè)模塊。該層通過(guò)調用中間件層提供的服務(wù)以及操作系統內核提供的服務(wù)實(shí)現。

　　應用層的三個(gè)模塊對實(shí)時(shí)性要求較高，通過(guò)設計若干個(gè)獨立的任務(wù)實(shí)現。

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

　　自動(dòng)控制模塊根據實(shí)時(shí)數據控制執行機構的動(dòng)作，調整熱網(wǎng)運行工況，也可以接受來(lái)自遠程通信模塊的指令，調整運行工況。

　　遠程通信模塊將實(shí)時(shí)數據通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳送到監控中心，并接受來(lái)自監控中心的控制指令。遠程通信模塊和自動(dòng)控制模塊的任務(wù)間通信通過(guò)消息隊列實(shí)現。

　　4.結束語(yǔ)

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

　　本文的創(chuàng )新點(diǎn)是采用ADSL技術(shù)作為熱網(wǎng)遠程監控的通信方式，并采用嵌入式系統設計實(shí)現控制節點(diǎn)，具有成本低、實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)。本系統在某市經(jīng)過(guò)兩個(gè)采暖期的運行,證明系統運行穩定可靠，通過(guò)降低能耗、減員增收等，年創(chuàng )造經(jīng)濟效益527萬(wàn)元。

　　參考文獻：

　　[1] 隋強. 熱網(wǎng)監控系統數據傳輸方式的比較［J］.節能, 2007，2: 4,54-55。

　　[2] 劉浩,戴居豐. 集中供熱網(wǎng)絡(luò )微機監控系統［J］. 微計算機信息 , 2005，10-1: 86-87。

　　[3] 李琦 朱林 , 基于VPN的熱網(wǎng)監測系統設計與實(shí)現［J］. 包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報,2005，4: 361-363，372。