热网监控系统的设计研究

本文提出了一种基于ADSL的热网监控系统解决方案。整个系统由监控中心和若干个控制节点组成。控制节点采集现场的温度、流量、压力等数据，并通过ADSL传送到远程监控中心，监控中心通过WEB方式显示工况数据并向控制节点发送指令，调整供热平衡。论文讨论了实现该系统的关键技术，并给出了控制节点的软硬件系统详细设计。

1. 基于ADSL的热网监控系统总体结构

1.1 概述

城市热网监测与控制是城市市政工程的重要组成部分，热网监控制系统的控制节点一般在地理上分布范围较广，很难用一种接入方式实现所有节点的接入。目前比较常见的接入方式有PSTN接入方式、GPRS接入方式、数传电台接入方式、专线接入等方式。[1]

这些接入方式都有其适用的场合，但是都存在带宽低、运行成本高的缺点。本文提出一种基于ADSL的热网监控系统，以ADSL方式实现节点的通信接入。其优点是：(1)接入方便，一般城市中有电话网络覆盖的地方都可以提供这种接入方式；(2)带宽高，最大可以达到2Mbps，可以大幅度地提高监控的实时性；(3)投资小；(4)运行成本低。

1.2 系统总体结构

基于ADSL的热网监控系统的总体结构如图1所示，一个典型的热网监控系统由一个监控中心和多个控制节点组成。监控服务器负责与各控制节点的数据通信，接收控制节点发出的工况数据，并根据热网的的运行状况，向控制节点发送指令，调整整个热网的供热平衡。数据库服务器保存当日及历史工况数据，为数据分析和决策提供支持；WEB服务器显示热网运行工况监控界面。

热力公司下设有若干个热力站，一般每个热力站设置一个控制节点，控制节点由嵌入式系统构成。控制节点一方面通过传感器采集现场的供/回水温度、流量、压力等工况数据，并控制电磁阀、调节阀和变频器，调节现场运行参数；另一方面，通过ADSL Modem 接入Internet，将工况数据通过Internet传送到监控中心，控制节点也可以接收监控中心发出的指令，调整现场工况运行参数。[2]


图1:基于ADSL的热网监控系统结构图

2 .基于ADSL的热网监控系统关键技术

基于ADSL的热网监控系统中有效地利用了控制技术、计算机技术和通信技术领域的最新成果，采用的关键技术有：

2.1监控中心基于WEBGIS的监控界面的设计与实现

GIS(地理信息系统)技术的发展对热网监控的界面提出了更高的要求，不仅要能够以表格、曲线等显示工况数据，还要求能够以电子地图导航的方式在浏览器中实现热力站的数据查询与显示。目前，WEBGIS的实现有两种种方法，一种是在商用GIS软件其基础上进行二次开发完成。第二种方法是在开源的WEBGIS服务器的基础上二次开发完成。在实际应用中，由于商用GIS造价昂贵，采用开源的Mapserver作为GIS服务器。

2.2网络控制系统控制算法的研究

热网远程监控系统是一个网络控制系统（NCS），其控制对象是一个大滞后的对象，目前还没有一个很好的数学模型和控制算法能够解决这一控制问题。目前，热力公司一般采用的方法是通过人的经验来完成热网平衡的调整，研究一个适合热网监控的控制算法，并充分考虑的环境温度的影响，对节约能源，提高供热效率意义重大。网络控制系统中由于带宽的限制会产生时延，研究时延对控制算法的影响也是一个需要解决的问题。

2.3控制节点软、硬件系统设计

热力站控制节点如果采用工控机、PLC等技术实现的话，控制节点的成本较高。采用嵌入式系统设计实现控制节点将降低整个系统的造价，有利于大规模推广。

2.4 VPN协议的设计与实现

采用ADSL的节点接入方式后，由于利用了Internet传输控制数据，存在数据安全性的问题。为了保证数据的安全性，可以采用VPN(虚拟专用网)技术保证传输数据的安全性。[3]

3.控制节点软、硬件系统设计

3.1 控制节点硬件系统设计

控制节点的硬件系统基于三星公司ARM7处理器S3C44B0X实现，如图2所示：


S3C44B0X是三星公司生产的ARM7(Advanced RISC Machine)内核的32位微处理器，具有8路十位A/D转换器和其他硬件资源，该芯片成本低，非常适合用于热网监控系统。电源选用5v/24v开关电源，为嵌入式系统和传感器供电。晶振采用10MHZ的晶振模块，S3C44B0X内部具有锁相环，可以在该晶振的基础上产生66MHZ的稳定输出频率。

显示部分采用VFD高亮度显示屏，具有点阵输出，亮度高、视角宽的优点。该屏用来显示现场的温度、流量、压力等工况数据。此外，为了满足人机交互的要求，还扩展了指示灯和键盘，该部分通过S3C44B0X的通用I/O实现。

系统通过MAX232芯片扩展了2个RS-232串行口，一个用于调试，另外一个用于与变频器的通信。

由于S3C44B0X内部不具有网络接口，通过扩展RTL8019A网络控制芯片实现网络接口，该芯片的通信速率为10Mbps，完全能够满足系统要求。该芯片经过网络隔离变压器和RJ45接口，与ADSL MODEM通信，完成拨号和网络通信的功能。

数据采集部分的实现原理如下：供/回水温度、流量、压力六路4-20mA模拟信号经过I./V变换电路变为S3C44B0X内部A/D要求的0-2.5v信号，完成数据采集。

执行机构部分的工作原理如下：

通过扩展D/A转换器，输出模拟信号，实现对调节阀开度的调节。通过通用I/O和光隔，控制电磁阀的开关动作。与变频器的通信由RS-232串行口完成，通过串行口向变频器发送指令，调节加压泵工作状态。

3.2 控制节点软件系统设计

如图3所示，整个系统架构采用了层次式体系结构的设计模式，每一层都为其上一层提供调用服务，这种设计模式具有良好的可扩展性和可维护性。



最底层是操作系统层，采用vxWorks实时操作系统,该层还提供了TCP/IP协议的封装供中间件层调用。

操作系统层的上面是中间件层，该层为应用层提供服务。包括硬件驱动模块和通信协议模块两部分。

中间件层上面为应用层，是系统的应用软件，包括了数据采集模块、自动控制模块和远程通信三个模块。该层通过调用中间件层提供的服务以及操作系统内核提供的服务实现。

应用层的三个模块对实时性要求较高，通过设计若干个独立的任务实现。

数据采集模块是一个周期性的任务，每隔100ms采集一次数据，利用操作系统内核实现精确定时。当有报警发生时，采用中断的方式处理。数据采集模块和其他两个模块的通信采用消息队列和共享内存的方式实现。

自动控制模块根据实时数据控制执行机构的动作，调整热网运行工况，也可以接受来自远程通信模块的指令，调整运行工况。

远程通信模块将实时数据通过网络传送到监控中心，并接受来自监控中心的控制指令。远程通信模块和自动控制模块的任务间通信通过消息队列实现。

4.结束语

本文提出的基于ADSL的热网监控系统是一种廉价、可靠、带宽高的热网监控解决方案，该方案同样适用于其他城市管网（如水、煤气）的监测，有较宽泛的应用领域。目前，该系统还有一些技术问题需要解决，如网络控制系统的控制算法和时延的问题等，有待于在今后的工作中继续研究。

本文的创新点是采用ADSL技术作为热网远程监控的通信方式，并采用嵌入式系统设计实现控制节点，具有成本低、实时性好的优点。本系统在某市经过两个采暖期的运行,证明系统运行稳定可靠，通过降低能耗、减员增收等，年创造经济效益527万元。