（计算机应用技术专业论文）基于gprs技术的热网监控系统研究与设计.pdf

摘要 摘要 集中供热是目前我国北方地区冬季供热的主要形式，经过十几年的发展，现 已颇具规模。与之相比，集中供热监控系统的研究与应用起步较晚，在实际应 用中还存在一些问题和不足，主要体现在通信方式的配合上。 针对这一问题，考虑供热监控系统的实际需要，文中提出了基于g p r s 技 术的热网监控系统的设计方案。该方案将供热监控系统分为三层处理，即现场 控制层、网络通信层、调度中心监控层。在总体设计框架下，文中详细阐述了 网络通信层和调度中心监控层的设计与实现。 首先，文中对通信控制器的硬件和软件的设计及实现进行了深入研究。在硬 件设计中，采用嵌入式a r m 7 微处理器，可以简化外围电路设计，提高数据处 理速度：在软件设计中，采用“轮询和“报警”两种模式相结合的工作模式， 不仅可以减少网络的数据通信流量，还可以减轻调度中心监控系统的负荷。 其次，t c p a p 协议是g p r s 通信的基础。为了满足集中供热监控系统的需 要，文中深入研究了源代码公开的u 口协议栈，对其进行了必要的裁减与改写， 并通过测试，验证其有效性和正确性。 文中最后讨论了调度中心监控层的数据收发流程以及与通信控制器之间的 通信配合问题，进而提出合理的改进方法。改进的通信方式成功的解决了目前 热网监控系统存在的通信方式配合不恰当的问题。 关键词：热网监控系统；g p l 塔；通信控制器；u i p 协议栈 东北电力大学硕士学位论文 曼量皇曼曼蔓曼曼皇曼曼皇曼曼曼皇曼曼曼舅曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼量量舅ii 毫置曼曼| 量曼曼曼曼量曼舅舅笪曼曼皇曼皇鲁毫曼璺舅曼皇量曼量曼量 a b s t r a c t c e n t r a l i z e dh e a t - s u p p l yi st h ep r i m a r yh e a t i n gf o r mi nn o r t hr e g i o ni nw i n t e r , w h i c hh a sb e e nd e v e l o p e df o rm o r et h a nt e ny e a r s h o w e v e r ，t h eh e a t s u p p l y n e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e e na p p l i e df o rs e v e r a ly e a r s t h e r ea r em a n y p r o b l e m si ni t sa p p l i c a t i o n , e s p e c i a l l yi nt h ec o o p e r a t i o no ft h ec o m m u n i c a t i o n m o d e b a s e do nt h ep r a c t i c a ln e e d so ft h eh e a t - s u p p l yn e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e m ，a n e wd e s i g ns c h e m eo ft h es y s t e mi s g i v e nt os o l v et h ep r o b l e m si nt h i st h e s i s h e a t 。s u p p l yn e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e mi sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ，f i e l dm o n i t o r i n g a n dc o n t r o l l i n gl a y e r 、n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n l a y e ra n dd i s p a t c h i n gc e n t e rl a y e r i n t h en e w d e s i g ns c h e m e ，t h es e c o n d a n dt h el a s tp a r t sa r ee m p h a s i z e d f k s t l y ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ec o m m u n i c a t i o nc o n t r o lu n i ti sd e s i g n e d i nh a r d w a r e ，t h ee m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ra r m 7i sa d o p t e di no r d e rt os i m p l i f y p e r i p h e r a lc i r c u i td e s i g na n di m p r o v ed a t ap r o c e s s i n gs p e e d i ns o f t w a r e ，t h e c o o p e r a t i o nm o d eo ft h ep o l l i n ga n da l a r m 啦i sg i v e nt or e d u c et h ed a t af l o wa n d a l l e v i a t et h eo p e r a t i n gp r e s s u r eo ft h em o n i t o r i n gs y s t e m s e c o n d l y t c p i pp r o t o c o ls t a c ki st h eb a s eo ft h eg p r s i no r d e rt om e e t r e q u i r e m e n t so fh e a t - s u p p l ys y s t e m , u l pp r o t o c o ls t a c ki si m p r o v e da n di t sv a l i d i t yi s p r o v e db yt e s t s f i n a l l y , t r a n s c e i v e rp r o c e d u r eo ft h ed i s p a t c h i n gc e n t e rl a y e ri sd i s c u s s e d ，a n d t h ec o o p e r a t i o nc o m m u n i c a t i o nm o d ei si m p r o v e di nt h et h e s i s t h ep r o b l e mi nt h e h e a t - s u p p l ys y s t e mi ss e t t l e dv a l i d l yb yt h ei m p r o v e dm o d e k e y w o r d s ：h e a t - s u p p l yn e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e m ；g p r s ；c o m m u n i c a t i o n c o n t r o l l e r ；u i pp r o t o c o ls t a c k i i 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研 究成果。文中依法引用他人的成果，均己做出明确标注或得到许可。 论文内容未包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不 包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的 名誉损害，进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文作者签名：自冰 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属东北电力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅 以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直 接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名：0 碑日期：塑年上月卫e l 导师签名：举丕塞垒 日期： ：中国优秀博硕士学位论文全文数据库 和 ：中国学位论文全文数据库投稿声明 研究生部： 本人同意中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国学位 论文全文数据库出版章程的内容，愿意将本人的学位论文委托研究 生部向中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社的中国优秀博硕士学位 论文全文数据库和中国科技信息研究所的中国学位论文全文数据 库投稿，希望中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国学 位论文全文数据库给予出版，并同意在中国优秀博硕士学位论文 全文数据库和c n k i 系列数据库以及中国学位论文全文数据库中 使用，同意按章程规定享受相关权益。 论文级别：囱硕士口博士 作者签名：西盔指导教师签名： 作者联系地址( 邮编) ： 作者联系电话： 日 期：至竺墨年三一月三竺日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 在我国北方广大地区，冬季供热是人们普遍关心的问题。随着社会的发展， 节能、降耗和环保意识的增强，特别是工业自动化技术水平的提高，供热也正 在发生深刻变化，以往的分散供热方式已逐步被城市集中供热所取代。 城市集中供热是以热电厂为热源，经供热管道将热媒( 水蒸气或热水) 输送 给一个或几个区域的工业及民用热用户的热能供应方式。其主要任务是按照热 用户的需要和要求，可靠、经济地把热能从热源输送给各热用户和用热设备l l 】。 集中供热系统由热源、热网和热用户三部分组成。热源负责制备热水，热网负 责热媒的输送，热用户是指用热场所。 集中供热系统中的换热站是热网与热用户的连接场所，在换热站内安装了与 用户连接的有关设备、管道、阀门、仪表和控制装置。它的作用是将热网输送 的热媒加以调节、转换，向热用户系统分配热量，以满足用户的需求；同时还 应根据需要，进行集中计量、检测供热热媒的参数和数量。 通常一个城市有几个区域供热网，一个区域供热网包含有几十个到上百个换 热站。近几年来，随着我国房地产行业的快速发展，城市房屋的建筑规模迅速 扩大，使得城市热网的规模也随之不断增大。如何对热网进行科学有效的控制 和管理，使之朝着有利于节约能源、集中治理环境、实现集中管理与集中调度 的方向发展，以便提高热网的经济效益和社会效益，已成为供热行业急需解决 的重要问题。 由于热网中的换热站数量众多，若各换热站实行独立调节，则不能从整体上 进行控制。比如在热源不足的情况下，各换热站容易出现“争热”现象，使热 网末梢换热站无热可供，各供热小区冷热不均，供热质量难以保证，无法实现 整个热网的优化与协调。经调研了解，造成该现象的主要问题反映在：热网的 运行中，缺少对运行参数的远程实时监测手段，无法及时对全网运行工况进行 系统的分析判断；供热参数未能在最佳工况下运行，供热量和需热量不匹配； 故障发生时，不能及时诊断报警，影响可靠运行；数据不全，难以量化管理【2 3 】。 东北电力大学硕士学位论文 为了改变这种落后的状况，提高换热站运行的经济性能，充分发挥现有供热 系统的潜力，实行供热工程的科学化管理，有必要建立一套安全可靠、灵活稳 定的热网监控系统，以便调度人员能随时了解各换热站的运行情况，实现全网 热能的统一调配。可见，热网控制的重点应放在对换热站的监控上f m 。 1 2 课题研究的国内外发展与现状 1 2 1 国外发展与现状 集中供热自1 8 7 7 年在美国开始采用后，到目前己经有一百多年的历史【5 1 。 俄罗斯( 包括前苏联) 发展集中供热系统较早，也比较完善，在发展集中供热 事业方面一直处于领先地位，其中莫斯科有世界上最大的热网、最大直径的供 热管道、最大的热电厂1 6 j 。 北欧诸国因地理环境的影响发展集中供热较早。2 0 世纪5 0 年代，北欧国家 的一些工厂里开始发展集中供热。到7 0 年代，能源危机和对环境保护的重视， 加速了集中供热事业的发展【_ 7 1 。特别是丹麦、瑞典与芬兰，供热规模及供热质 量较好，同时所有的供热系统均采用计算机自动监控，自动化程度较高 s , 9 1 。在 监控系统的设计、施工、安装以及设备质量、技术含量、设备安装环境等方面 都要比我国现有水平高。例如，丹麦哥本哈根市v e k s 和c t r 系统1 1o l l 】，瑞典 马里墨市m a l m o 系统【l2 。，这些监控系统的控制手段完善，控制技术成熟，通信 设备质量高，取得了较好的效果。 1 2 2 国内发展与现状 我国的集中供热技术从上世纪5 0 年代开始起步，在前苏联的影响下建立了 一些热电厂，但主要是服务于工业区的供热。到8 0 年代初，我国的集中供热比 例仍然很小，尤其是城市的民用供热比例偏低。据东北、西北和华北三个北方 寒冷地区同期统计表明，城市民用供热系统中实行集中供热的仅占2 ，即使是 集中供热发展较好的北京市，集中供热的比重也只占8 2 。这一时期，我国集 中供热发展缓慢，供热质量低下【1 3 】。 自改革开放以来，我国政府将热电联产、集中供热确定为优先发展的产业， 第l 章绪论 曼曼= i i i i l li i i i 曼 并相继颁布了一系列指导其发展的文件、法规、条令等，我国的集中供热事业 进入了快速发展的阶段。目前，东北、西北和华北三个地区1 3 个省、市、自治 区的地级以上城市全部设有集中供热设施，并正在向大型化发展。 随着经济的发展、人民生活水平的提高，人们对城市集中供热的要求己不仅 仅在于供热规模的不断扩大，对于供热系统的供热质量、能源利用率及可靠性 也提出了更高的要求。为了适应这种要求，同时在计算机应用日益普及、通信 技术不断完善的情况下，建立热网监控系统是集中供热发展的必然趋势。 由于国情不同，我国的热网监控系统不能完全照搬照抄外国模式。例如北欧 国家的热网监控系统虽然先进，但对监控设备质量要求很高，而且需要在住房 建筑方面进行相应的配套设施建设，投资较大1 9 ，1 4 】。因财力有限，我国大部分地 区的供热系统目前还不能够采用这些国家的监控方法。 从目前情况看，我国己经开始发展适合我国国情的热网计算机监控和调节系 统，国内的许多大学也研究开发了相应的产品，例如，沈阳第二热力公司“沈 海热网、盘锦“辽河油田 等项目，都是使用由清华大学清华人环公司开发的 热网监控系统，并已经取得了一些宝贵经验【1 2 】。 我国现有热网监控系统大多采用分布式集散控制方案，按照集中管理、分散 控制的原则对热网进行监控。其主要有两种不同的形式：一种是中央集中式监 控方式，即所有的指令都由主控中心下达，由换热站远程终端执行上级指令： 另一种是主控中心和换热站远程终端分工协作的监控方式。远程终端对换热站 供热过程运行参数( 如供、回水温度、压力、流量等) 以及环境温度进行监测， 按照制定的温度曲线对换热站供热过程进行控制，对换热站异常工况或者设备 故障进行分析处理。主控中心通过通信网络采集各个换热站运行数据，维护数 据库，实行量化管理。主控中心也可以向远程终端发出控制指令，直接操控现 场设备。 随着系统的扩大，监控水平要求的提高，后一种更是今后发展的方向。这样 的结构使得系统的可扩展性好，比较灵活，出现某一远程终端局部故障，不会 影响到整个热网的正常运行。 东北电力大学硕士学位论文 量皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼量量曼皇曼曼曼鼍皇曼曼皇曼皇曼曼曼曼量量曼曼曼曼曼曼曼曼量皇皇笪i i i i i 皇喜曼曼暑量奠 1 3 课题研究的主要内容 为解决热网目前存在的参数不能优化、调度难以协调和远程实时监控问题， 经课题规划，确立了本课题的研究目标，即如何为城市热网开发设计出一套监 控管理系统，能够对网内全部换热站的运行情况进行远程实时监测，通过遥测 遥控技术来实现换热站的无人值守，以做到对热负荷的实时监测及热源的动态 调配，最大限度地合理利用热能，有效实现集中管理、分散控制的目标。 综合考虑我国城市热网的上述特点，在研究了国内外现有监控系统的基础 上，提出一种基于g p r s 通信技术的远程无线监控系统设计方案。课题具体做 了如下工作： 1 研究供热的工艺流程与监控对象，将监控参数进行分类，对不同类型参 数区分处理，进而研究与确定本系统的通信机制； 2 提出采用g p r s 通信技术构建热网监控系统的解决方案，并进行总体方 案的设计； 、 3 通信控制器的软、硬件设计； 4 分析完整t c p i p 协议栈在本系统中的不适应性，决定移植源代码公开 的u i p 协议栈，并根据热网监控系统的实际需求，进行裁剪与修改； 5 研究调度中心上位机的功能与工作流程，为进一步设计上位机作准备。 第2 章热网监控系统总体设计方案 第2 章热网监控系统总体设计方案 2 1热网监控对象的特性分析 供热系统本身是热惯性很大的系统，影响因素千变万化。其中，气象条件变 化、时间变化、供热区域不同等等因素，对供热品质都有很大的影响；同时， 由于供热系统的滞后性，很难使换热站的供热调节及时跟踪环境温度的变化。 因此，对换热站的监控成为整个热网监控系统的关键。 2 1 1 换热站设备组成 i 臻强、列锻求鬻 曩i 一 缫游翔期求； $ 孓球嘲 妒黼嚣 0 融力变媳嚣 ( d r i 、勾表 一潍一 嫩讶m 傲氍筇 r 2 一一级诲陶f j ：农嚣 k w , h 斗j 漉麓计 。 讯瞪受巍嚣 0 潞唆表 图2 一l换热站工艺流程图【1 5 】 一m 一“、求。涛 一( i 一始| ，吠漪 忍鼗闻 亡；一蹙l j 毒捌# ： 0 随蟛蹙避器 0 誊 髓噬爱记器 厶 霞套残 东北电力大学硕士学位论文 换热站是热网与热用户的连接场所，其内的设备主要由换热器、循环水泵、 定压补水系统、电动调节阀以及相关的阀门、传输管道、压力和温度传感器、 以及监控设备等组成。换热站系统如图2 1 所示。其工艺流程为：一次网的热 介质经换热器，通过热交换作用加热由循环水泵驱动的二次网回水，使二次网 循环水温度升高。升温后的二次网循环水将热能输送至各用户处，在用户处完 成热交换后，循环水再次返回二次网回水管中，由循环水泵驱动在换热器中完 成升温热交换。这样周而复始，将一次网热介质的热能连续不断的输送给热用 白【1 6 】 o 2 1 2 换热站工作原理 2 1 2 1二次供水温度自动调节系统换热站的基本控制策略为：根据室外温 度的变化情况，调节一次网的供水流量，使二次供水温度保持预定值，从而保 证供热品质 1 7 a 8 。调节系统的执行机构是换热器一次供水的电动调节阀门，通 过调节该阀门的开度，达到控制换热器的一次供水流量的目的。图2 2 为换热 站温度控制系统框图。 二敬缴水滋缱 傲绽激 温度调节器l 一调节阀l 一攮热器 一次供求滋擅厦馈效 汰缴本颟蹙 图2 - 2 换热站温度控制系统 2 1 2 2 定压补水系统为了保持热网运行的稳定性，热网应保持一定的水压， 即保持系统运行恒压。但在换热站的运行中，为了净化循环水，防止调节阀门 卡死和换热器堵塞，需要定期进行排污。同时在运行中，热网管路因故障失水 现象以及热用户偷水的现象时有发生，这些因素均影响热网压力，影响系统的 可靠运行。因此，当热网压力降低到一定限值时，需要对热网进行补水。目前， 常用的定压补水方式为变频补水。当系统检测到热网压力降低后，变频器根据 压力降低的程度输出不同的功率，控制水泵转速，水泵从补水箱中抽取储水补 充到热网中，使热网压力满足供热的需要。换热站定压补水系统如图2 3 所示。 第2 章热网监控系统总体设计方案 = 玖承糙力 墩磁值 胍力调节嚣h变顿器l 一补水泵 。：次豳承j 氍七度馈值 旋觏零j 氍力 图2 3 换热站定压补水系统 0 1 3 换热站监控参数分析 为了保持换热站安全、可靠、经济运行，必须对换热站中的相关参数进行监 控。一个完善的换热站监控系统所需的测点如图2 1 所示。根据测点所反映的 监控对象的不同特性，可将参数分为调节系统参数、安全系统参数、性能系统 参数。调节系统参数主要是进行系统调节所必需的参数，例如室外温度测点、 二次供水温度测点、调节阀开度测点等；安全系统参数主要是与系统安全运行 相关的参数，例如二次网回水压力、补水水箱水位i 循环泵运行状态信号等； 性能系统参数反映了换热机组的当前工作性能，例如通过监测管网中一次网供、 回水的温度、压力和流量值，可以计算出换热器当前的换热功率，换热功率对 时间积分，可得到一段时间的供热量。通过对这些参数进行监测，为目前国家 提倡的由按面积收费转向按供热量收费的供热收费方式改革打下良好的基础。 通过对热站监控参数的分析和分类，可以在监控系统中对各种参数加以区分 处理。对于需要实时监测的参数，可以采用定时采集的方式处理；对于只有在 状态发生改变或测点数值达到一定限值才需要监测的参数，可以采用主动上传 的方式处理。这样有利于降低系统的负荷，提高系统数据处理的灵活性。 2 2 系统功能与设计原则 2 2 1 热网监控系统的功能 热网监控系统是计算机技术、通信技术和网络技术相结合的产物，是一个大 的分布式系统，它包括换热站的本地控制、调度中心的监控管理和两者之间的 数据通信。因此，一个完善的热网监控系统应具备实时监测、远程控制、健全 运行档案以及故障诊断报警等功能。 东北电力大学硕士学位论文 曼曼曼曼ii i = , 量曼皇曼曼皇皇曼鼍曼曼曼量曼曹置鼍量曼曼皇皇曼喜璺皇皇量曼曼鼍蔓曼鲁曼曼曼寞皇曼量舅曹量皇邑曼量曼皇曼皇皇皇置| 寡 2 2 2 热网监控系统的设计原则 热网监控系统不但要了解和掌握各换热站的现场参数，提供可靠的供热质 量，还要对整个管网不同时段的参数变化情况进行分析，对不同时间的热负荷 变化进行比较，为热网宏观调度提供有力的保障。热网监控系统的设计应坚持 以下原n - 1 实用性原则：系统的设计首先要考虑到实用性。由于供热区域不断扩大， 供热负荷变化较大，为确保热用户的用热参数，提高供热现代化管理水平，需 要本着能够解决热网运行中存在的实际问题的原则，进行整体规划。无论是网 络体系、通信系统及硬件平台，还是软件功能等方面，必须能够满足整个热网 管理的需要，提高工作效率，更好的服务于广大热用户。 2 可靠性原则：保证2 4 小时监控稳定可靠。 3 先进性原则：采用最新技术，为今后热网自动化发展打下坚实的基础。 4 经济性原则：在满足系统需求的基础上，力争用最少的资金，获得最大 的经济效益和社会效益。 5 开放性原则：为热用户的日益增长，预留较大的扩展空间。 2 3 系统总体设计方案 2 3 1 远程通信组网方式的选择 数据通信方式的选择，是设计热网监控系统的一个重要环节。选择什么样的 组网方式，不仅决定着网络的传输结构，还决定着实时数据传输的有效性和可 靠性，涉及网络通信协议以及通信机制的配合问题。实际设计应考虑到组网成 本和采用的技术是否成熟。从现有通信方式看，可选择有线方式，也可以选择 无线方式。有线方式包括光纤专线、电话拨号、a d s l 等，无线方式有无线数 传电台、g p r s 等。这些方式应用于热网监控系统中，各有优缺点。表2 1 给出 了几种通信方式在覆盖范围、费用、可靠性等方面的比较。 对于有线方式：尽管光纤通信方式是所有通信方式中速率最高、性能最好、 最可靠的一种通信方式，但由于工程造价太高，一般企业很难承受；电话拨号 第2 章热网监控系统总体设计方案 表2 1热网监控系统各种通信方式的比较 。奄 g p r s电话拨号a d s l光纤无线数传电台、 覆盖范围全国全国全国区域不大于2 0 k i n 建设费用一般较低低高较高 计费方式流量时间+ 次数包月无占频费 运行费用一般高高低一般 通信速率较高一般高高低 可靠性较高较高高高一般 实时性较高低较高高较高 维护成本 低 一般一般较高一般 方式简单易行，前期投资小，但缺点是通信速率低、运行期间费用较高。特别 是它采用串行通信技术，对每个换热站采用轮流通信的方式。当换热站数量较 多时，满足不了实时性的要求，无人值守就比较困难；a d s l 和拨号上网相比， 优点是通信速率高，性能稳定。但目前企业用a d s l 月租费大约是3 0 0 元f 1 9 】， 这对于换热站数量众多的供热企业来说，运行费用很高，同样不适宜采用。 对于无线方式：无线数传电台，从上世纪9 0 年代开始在热网监控系统中使 用 2 0 2 1 】，其本身存在很多弊端，如需要向无线电管理委员会申请专用频点，每 年要支付高昂的使用费用；运行中受环境影响大；而且需要人工巡查，维护困 难。随着时代的发展，城市高楼林立，对无线电信号的影响越来越大，有些高 大建筑的换热站建在地下，无线数传电台根本无法使用，这种方式的弊端日益 突出。 g p r s 是由中国移动在现有g s m 系统上发展的一种新的承载业务，目的是 为g s m 用户提供分组形式的数据业务。现有的基站子系统( b s s ) 可以提供全面 的g p r s 覆盖，不存在信号盲区，其实际使用时的数据传输速度可达2 0 - - 7 0 k b i t s 。g p r s 网络具有永远在线、按流量计费、高速传输、组网简单灵活、 维护便捷、使用安全等特点f 2 引，是可以考虑采用的通信方式之一。 近几年，随着g p r s 技术的逐渐成熟，它已在各行各业中得到了广泛的应 东北电力大学硕士学位论文 用。从g p r s 技术的特点可以看出，它非常适合于热网这样地域覆盖范围大、 实时性要求较高、数据通信频繁的系统。因此，本课题在综合考虑工程造价、 施工难度、运行费用以及热网数据的特点，选择了g p r s 通信方式，并针对目 前系统通信模式单一的缺点，研究了报警模式的设计方案，开发设计了一套更 符合热网需求、经济实用的热网监控系统。 2 3 2 系统设计方案 基于g p r s 的热网监控系统由换热站现场控制器、通信控制器、g p r s 网络 和调度中心组成。系统的网络拓扑结构如图2 - 4 所示。换热站内需要监控的各 测控点均连接到现场控制器上，由它实现现场实时数据的采集、现场的自动控 制和调度指令的执行等功能。由于目前多数热力公司的换热站内都安装有现场 控制器并运行良好，因此，本课题在设计时，现场控制器采用换热站内的现有 设备。本课题主要任务是设计通信控制器，研究适用于本系统的通信机制，移 植和修改相应的通信协议。同时，研究调度中心上位机的功能与工作流程，为 进一步设计上位机做准备。 乎站n 诚殷 i 1 心 豫 枫 图2 4 热网监控系统的拓扑结构 由监控系统的网络拓扑结构图可知，通信控制器是换热站与调度中心之间通 信的桥梁，系统通信是否稳定可靠，直接关系到系统能否正常运行。由于换热 站处于高温高湿环境，还伴随有电磁干扰、振动等现象，这些都会对通信设备 造成干扰，因此数据通信部分往往是系统中最薄弱的环节。这也意味着一个监 控系统能否稳定可靠运行，通信部分的设计与实现是至关重要的。 第3 章通信控制器设计 曼置舅曼量曼曼曼曼皇吕量曼曼曼曼曼曼皇鼍量曼舅量| 曼胃量皇奠窟, i ii ij i i , 皇皇篁量_ 第3 章通信控制器设计 3 1 通信控制器的硬件设计 3 1 1 技术要求 为满足实时通信要求，需要对通信控制器的硬件设计方案进行分析和选择， 使其设计简单、使用灵活、成本低。对硬件设计的技术要求有以下几点： 1 供电电源 供电电源为直流5 v 稳压电源。根据c p u 和g p r s 模块的要求提供相应的 供电电压。 2 接口电平 提供与现场控制器的接口，必须支持标准r s 2 3 2 和r s 4 8 5 接口电平。 3 实时在线 上电后自动拨号接入g p r s 网络并保持实时在线，如果意外掉线，能够进 行自动重拨。 4 支持在线编程 支持在线可编程功能，可以方便的修改和升级软件。 3 1 2 硬件组成方案 通信控制器是基于g p r s 模块实现的，g p r s 网络的通信基础是t c p i p 协 议，t c p 1 p 协议处理主要有软件和硬件两种解决方案。硬件t c p f i p 协议解决 方案通常是将t c p i p 协议固化到一个芯片之中，利用其提供的命令协议通过串 口进行数据交互，完成t c p i p 协议的转换，然后外接m o d e m 或网卡芯片来实 现与网络的连接。该方案的主要优点是操作简单，开发周期短，对开发人员的 要求较低，但通常成本较高，灵活性很小。软件t c p f l p 协议解决方案通常是在 软件开发包中提供完整的t c p f l p 协议栈，利用开发软件的接口函数完成t c p i p 协议转换。其主要优点是开发灵活性很大，成本比较低，但编程工作量比较大。 根据本系统数据通信的特点，以及对降低成本的要求，选择了软件解决方案。 东北电力大学硕士学位论文 通信控制器硬件电路设计的总体结构如图3 1 所示，主要由以下几部分组 成： 图3 1通信控制器的硬件结构图 1 c p u 采用p h i l i p s 公司的a r m 7 微处理器l p c 2 1 0 6 ，该处理器具有丰富 的接口资源，配合软件开发平台，利用c 语言可实现在线编程、调试、仿真， 保证了通信控制器强大的功能与良好的可维护性和可升级性。l p c 2 1 0 6 内部带 有一个6 4 k b 的s r a m 和一个1 2 8 k b 的高速f l a s h 2 3 j ，能够满足系统对存储器的 需要，因此无需外扩存储器。 2 g p r s 模块选用工业级双频g p r s 模块s i e m e n sm c 3 9 i ，它支持标准的 a t 指令集和3 vs i m 卡，具有良好的温度特性和稳定的工作性能，其串口( 3 3 v 接口电平) 可以与c p u 直接相连。 3 r s 2 3 2 r s 4 8 5 接口部分采用m a x i m 系列芯片进行电平转换，采用 l p c 2 1 0 6 的u 舢口扩展，用于连接换热站现场控制器。 4 通信控制器的输入电压为5 v 直流稳压电源，共需要4 种电压。其中， 第3 苹通信控制器设计 曼皇曼曼量量曼曼量曼曼曼曼曼量曼量曼暑曼曼鼍曼曼曼曼曼曼i 一 一一一| 曼i c p u 内核1 8 v 供电，c p u 外围i o 口3 3 v 供电，g p r s 模块3 6 v 供电，其余 部分5 v 供电。 此外，还包括j t a g 调试接口、r t c 时钟电路以及振荡电路等。 3 1 3 硬件电路设计 3 1 3 1g p r s 模块外围电路g p r s 模块m c 3 9 i 是将所有控制、所需要的接 口和信号集中到一个4 0 脚z i f 连接器上，包括电源、开机控制信号、r s 2 3 2 通 信接口、s i m 卡接口、同步信号指示以及音频接1 3 等。各控制线和数据线的具 体接法如图3 2 所示。 埔 q t 图3 - 2m c 3 9 i 外围电路 1 电源：m c 3 9 i 模块支持3 3 v 4 8 v 供电，设计时采用3 6 v 供电电压。 电源的接法是直接将标有b 触盯+ 的5 根引脚并联接到电源的正极，把相应的标 东北电力大学硕士学位论文 曼量曼皇曼曼舅舅量量曼曼i 一 i,i 量皇量鼍置量 有g n d 的5 根引脚并联接地，并联一个较大值的电容和一个稳压二极管进行滤 波，以平滑2 a 峰值电流对电源电压的影响。 2 i g t ：m c 3 9 i 模块启动引脚。欲启动m c 3 9 i 模块，需在引脚i g t 上加 一个下拉脉冲且最少需要延时1 0 0 m s ，模块才能正常启动。设计时，采用集电 极开路驱动方式，通过开关控制三极管q 9 0 1 的开关，从而实现m c 3 9 i 的启动。 3 s y n c ：同步信号引脚，用于状态灯控制。在利用该端口作为状态灯控 制前，需在激活m c 3 9 i 后，使用a t s s y n c 指令设置s y n c 引脚。状态灯的 工作模式及当前模块所处的工作状态如表3 1 所示。根据状态灯的显示，可以 清晰的知道当前模块的工作状态。 表3 - 1 状态灯工作模式【2 4 l 状态灯模式 工作状态 灭m c 3 9 i 关机或处于睡眠、报警或者单一充电模式 未插入s i m 卡，或正在搜索网络，或正在进行用户验证，或正 6 0 0 m s 亮6 0 0 m s 灭 在登录网络 7 5 m s 亮俗s 灭已登录网络、没有任何呼叫 7 5 m s 亮月5 m s 灭 一个或多个g p r s 上下文被激活 7 5 m s 亮3 s 灭 闪烁 g p r s 数据传输中，闪烁间隔0 5 s 已经建立语音连接 亮 已经建立数据连接，或者正在建立或拆除连接 4 标准r s 2 3 2 接口：无论是信号线还是电气特性，与a r m 7 上的m o d e m 接口都是无缝连接的，两者同名信号信直连而不能交叉。 5 s i m 卡接口：只要把s i m 卡的管脚同m c 3 9 i 相应的管脚相连即可，方 案中仅用了其中的5 个管脚，附加几个电容以抗干扰。s i m 卡的连接电路如图 3 3 所示。 第3 章通信控制器设计 口i 一r i ll c c i n r r j 毒。一 抖十十一 c c v c c c c i o 6 ；一 = c 约 i l c c v p p 5 ：； r l 一 差 g 8) 3 c c g n d 4 - o e g l 移上一 - - r_h c c c l k 3 c c c l k 一 c c r s t；叠。c c i t t 兰c 8 0 l ! ：b ：e 8 如，i i 捌毫。 l ， 一，t ， i1 n n tl1 n n _ 口 一 c c v c c 卜f ：i 晖：薄 卜_ i f = 簿斟# s i m g a r d 图3 3s i m 卡电路 3 1 3 2r s 2 3 2 和r s 4 8 5 接口电路由于换热站内的现场控制器多为r s 2 3 2 或 r s 4 8 5 接口，因此在设计时使用l p c 2 1 0 6 的u a r t 0 口扩展了这两种接口。r s 2 3 2 或r s 4 8 5 接口电平与微处理器的逻辑电平不致，需要进行电平转换，设计时 采用m a x 2 0 2 e 和m a x 4 8 5 芯片实现电平的转换。r s 2 3 2 和r s 4 8 5 接口转换电 路如图3 - 4 所示。 弛一。e、k 游 程 ll1 6 f 、 6n l 了l cl+7职戈 ，o 2d b 9 是x d 高j 硼r 兰甜 心 7 n e t 2 i o r l o r 一一白 ：3d b 9 丁x d 1 3 2 8 c 1 -冉 o ； 44 ：6 y 9 c 2 +曩 o ! ：丰# 7 0 2 ， | =_ - - c 7 0 4 5 l f 射j a 矿 ： l 曲r 卜一 51 sr | 3 ； c 刍，。， 弋，+ 2 n l 玎2；d b 9 t x vl 濞 t l o u tt l n l l l ! 。碡舀晒t x d ? i ”r 1 n l 了l d b 曰- r x d 1 3 r l l nl 己l o t 1 2 r x d l ， l 7 t 2 。d t t 2 i n 1 0 丽i _ o 硅n e c t o 盘 89 r 殂nr 糊t j ，。之。! | 1 l ”。甲。? 。ii 。 ；l 。l ii a ) r s 2 3 2 接i z l 转换电路 东北电力大学硕士学位论文 l 毒s 鼋一 ， u 为 呦l 8 ： r 古眈 rv c c 2 搿 2 7 瓜eb r 6 西1 2 0 “ 1 8 5 c 丁r l j 3 d e 1 12 削” r x d4 |5 瞄 d ig n d l m a x 4 8 5 锗 b ) r s 4 8 5 接口转换电路 图3 - 4 串口电平转换电路 3 1 3 3电源设计在硬件设计中电源设计是很重要的，关系到系统的稳定性、 可靠性、持久性。通信控制器整体的输入电压为5 v 直流稳压电源，共需要4 种电压。其中，c p u 内核1 s v 供电，c p u 外围i o 口3 3 v 供电，g p r s 模块 3 6 v 供电，其余部分5 v 供电。选用l d o ( l o w - d r o p o u tl i n e a rr e g u l a t o r ) l m l l l 7 m p x 1 8 和l m l l l 7 m p x 3 3 为c p u 提供1 8 v 和3 3 v 电压，选用 l m 2 5 9 6 s a d j 为g p r s 模块提供3 6 v 电压，l m 2 5 7 5 s 5 提供5 v 电压。具体 电路设计如图3 5 所示。 7 ll 一 善 7 。 y 譬矾 ， l | 群式戮t d i l | i i i 一、，一、，一、。r k a h s l 2 c “一 fz：立： 一 卜 a ) 主电源 第3 章通信控制器设计 丁 ，：zi i 一。n 4 1 4 8 嚣 m t l ! 未翱。 一i | ：= ：譬 ”二j 僦n 。l h 咿 一：工0 i _ i l _ 中 - 卜 卜 肯 卜一卜“ + 1 下 r ) 内核供电电源 ，- r v j _t_ ，* 0 ；i j 8 _ 一一 hj“ ii r叫 、 l m i l ；1 1 p ”卡 卜j h 卜卜1 + 5 | 梳 接。l l ，兽卜： 下 接，_ 一l r h 1 9 i 啦5 、i f 一扣卜一 r0 0 一l 矗y j r 。 卜； - 上 | i 上 il = = r - c ) c p u 外围i o 口电源 | | l c 霞拍t i ， i l | 乙m 2 5 鲻s _a d ， 靠2 d 婵3 积 l ： l | i l卜_ 干l ；，： 髓l：d b a i：k t _ r | 椭讶l i 带 、：2 + v 洫0u t p it _ 1 l ! ll ；l1 l 莹。出掣嗡 _ 一 二誓：，1 r t # 纛 一r ? 1 z 1 蟛j i | ；硼 o 争吵 g n d 0 n 灼盯 | ；，一 - 】 一鼙吼 i ：k l ! 幽i 1 。： k ，一 一i l1l 一一i i v |，ll ，丙；三，专l h ：卜j “a 誓，t l ，1 4 o 蠢 d ) g p r s 模块电源 1 7 东北电力大学硕士学位论文 ! l ( ) l 一( ) ： l m 2 5 75 s o r c (矿；“ l f e e d b a c k 琵 l j u 0 2 a ： 3 3 0 l l h 一2 a 、广、 _ + v i l io u t p u t 参i 一 啪 0 1 r 了下 ，。j i 一 g n d o n ，0 f f t c 0 3 0 2 童一l 二 即 “l 一一一 矗i i 嘴2 ； 芏= = r = 慧伪3 口 1 0 毒3 3 0 9 2 5 v c 3 0 i i 1 ；i1 * - 一l l e ) 其余部分5 v 供电电源 图3 5 电源电路设计 3 2 通信控制器的软件设计 3 2 1 通信机制的确定 通信机制是软件设计的一个重要环节，决定着数据传输的有效性和灵活性。 在现有的热网监控系统中，通信控制器采用“主从通信机制，即以轮询模式 工作瞄，2 6 j 。它是以调度中心作为主站，各换热站作为从站，由主站发出轮询指 令，从站予以应答。采用这种通信机制，换热站必须在收到调度中心的轮询指 令后才能向调度中心发送数据，一旦换热站的设备出现故障，也必须要等待轮 询指令，然后才能通报给调度中心，贻误了故障报修的时间。这样，为了保证 热网运行的稳定，主站和从站之间只有频繁地进行通信，因此造成了网络通信 流量较大，监控系统数据负荷重。对于按流量收费的g p r s 网络来说，也提高 了系统的运行成本，增加了企业的经济负担。 供热系统具有运行相对稳定的特点，在运行正常的情况下，有些参数没有必 要进行频繁采集。如果能够做到在热网出现故障时，将故障信息及时通报给调 度中心，那么就可以适当的延长数据的采样间隔，从而降低系统的通信流量。 根据本文2 1 3 节的分析，可以对监控系统的各种参数加以区分处理。对于 需要实时监测的参数，可以采用定时采集的方式处理；对于只有状态发生改变 或测点数值达到一定限值才需要监测的参数，可以采用主动上传的方式处理j 为此，在课题的设计中，采用轮询工作模式处理前一种监测参数，对于后一种 第3 覃通信控制器设计 参数，则设计了报警工作模式，即“从主”的通信机制，从站无需等待主站的 指令，可以主动向主站发送报警数据。 采用这两种通信机制相结合的方法，使其在保证热网安全可靠运行的前提 下，适当延长了采样间隔时间，减少了网络的通信流量，提高热网监控系统数 据传输的灵活性。 3 2 2 软件开发环境 通信控制器作为热网监控系统中g p r s 网络接入和数据传