熱網監測管理系統的研究和實現

張 潔 徐彥青 魏國富 高 珂 王金龍

1(青島理工大學信息與控制學院 山東 青島 266520) 2(青島前景互聯信息技術有限公司 山東 青島 266073)

0 引 言

熱網監控是城市供熱的基礎保障。目前大部分城市的供熱系統，尤其是換熱站數量較多的供熱系統都已按照國家規范安裝了監控系統[1-3]，監控系統對整個熱網的熱力參數進行跟蹤監測，快速、準確地反映儀表故障報警信息。因此，城市供熱中的監控系統是否能夠正常且有效地運行，是整個熱網控制系統中自動監測與控制的關鍵一環。但在城市供熱的正常運行中，對其監督和監控往往局限在對壓力、溫度等各功能模模塊單元中，對熱電廠以及熱力公司等供熱企業未能形成有效監管。供熱企業對各功能模塊單元的監控，往往局限于供熱企業自檢和定期的現場檢查，對于各功能模塊硬件設備工作狀況實時監控缺少有效的手段[4-8]。因此，建立完善的監控系統具有重要的現實意義，能夠有效節省人力物力，保證數據可靠傳輸，加強對供熱系統的監督，提高供熱系統的儀器設備預警能力，提高現場修檢人員快速反應能力，保護管網和儀表儀器設備的安全[9-10]。針對監控系統對熱網監測分析不完善的問題，本文設計了協議轉換方法，利用GIS技術，實現了熱網監測管理系統，主要包括報警監測、監督管理、GIS管理、實時數據管理等功能。對于沒有安裝熱網相關設備的供熱企業，通過安裝電磁流量計、超聲波流量計、壓力變送器等流量傳感器，利用智能流量顯示儀收集傳感器數據，然后為智能流量顯示儀配置(Data Transfer unit, DTU)設備。這是專門用于將串口數據轉換為IP數據或將IP數據轉換為串口數據通過無線通信網絡進行傳送的無線終端設備。并與前置軟件(一種連接智能流量儀表和后臺的通信處理機)相連通，在前置軟件中對數據進行協議解析處理，并將數據的格式統一化，然后把數據存入數據庫中。熱網監控管理系統解決了目前國內監控系統對熱網運行狀態監測與分析不完善、監管力度不足的問題，并在江蘇省某熱電廠工程中成功運行至今，驗證了系統的性能。

1 協議解析技術

隨著熱網規模不斷擴大，熱網數據越來越多，傳統的數據采集處理無法實時、準確地獲取熱網范圍內的全部熱網數據。另外，目前的熱網設備來自不同廠商，其使用的傳輸協議各不相同，因此在采集數據和處理數據時，需要對數據進行協議預處理。

文獻[3]對供熱企業提供監控管理，利用控制器(可編程邏輯控制器)PLC采集處理換熱站信號，并基于該信號設計數據庫表，但是對使用不同傳輸協議的設備不能進行處理。文獻[4]針對鍋爐設計了監控云平臺，該平臺可與使用擴展協議的設備進行數據傳輸，但是對擴展協議有要求，擴展協議不可與平臺原通信協議中所使用或保留的控制命令相沖突。

在熱網監控中，首先各種熱網傳感器將數據傳輸到智能流量顯示儀中，智能流量顯示儀配置DTU并與前置軟件相連，前置軟件定時向智能流量顯示儀發送查詢數據的指令，智能流量顯示儀返回對應的數據包給前置軟件。由于傳感器設備來自不同廠商，通信協議各不相同，造成數據庫存儲的障礙，本文通過對不同協議進行判斷和處理，再根據對應協議對通信包中數據進行解析，將數據轉換成統一格式再存入數據庫中實現對熱網數據的實時獲取。同時系統可以根據需要進行規模擴展，兼容現有設備或加入更新設備。圖1為協議轉換圖。

圖1 協議轉換圖

2 協議轉換方法

熱網監測管理系統在每個供熱企業的使用現場部署超時波流量計、平衡流量計、壓力變送器、電磁流量計等傳感器設備，設備采用MODBUS標準通信協議(應用層報文傳輸協議)，以 485總線為基礎，組成問答式的局部通信網絡，智能流量/熱量顯示儀在此通信網絡下采集、解釋、換算實時數據(傳感器設備中的各種熱網數據)，并負責處理、存儲、管理。系統的前置軟件通過ICP/IP協議連接到裝配置了DTU的智能流量顯示儀。配置硬件人員在DTU中刷入遠程平臺IP、配置心跳規則、注冊包等，將不同設備和遠程平臺的端口進行匹配，以便獲取實時數據和下發指令。但不同設備或者不同供熱企業因實際情況可能使用不同的協議，即使是同一個供熱企業使用一類設備，也可能存在設備之間的協議類型不同。表1列出了系統中前置軟件與 DTU之間的數據格式。

表1 數據格式表

表2是對數據格式的解釋說明。

表2 數據格式說明

以本系統中熱網系統“Xuyi”協議為例解析數據。前置軟件向智能流量/熱量顯示儀發送9C 01 01 77 79 00指令，查詢“聯誼生物”機構的數據，返回一個數據包，如下：

22 09 94 17 86 00 15 43 00 56 51 00 00 13 26 00 01 73 07 00 00 69 27 00 00 00 00 23 00 00 99 00 00 05 01 34

表3是基于“Xuyi”協議對上述數據包的解析說明。

表3 數據包解析表

Web服務器通過前置軟件獲取數據主要包括3個過程：信息獲取、信息提取、信息發送。

(1) 信息獲取 Web服務器從DTU配置中獲取設備和遠程平臺IP端口對應順序，根據實際情況，設置時間間隔，定時通過前置軟件向配置了DTU的智能流量顯示儀傳輸指令，然后獲得對應設備的數據包，當數據包過長時，將一個數據包分成長度合適的多個數據包進行傳輸，避免發生TCP/IP丟包的情況。

(2) 信息提取 從數據包中解析數據，根據不同需求和協議，進行不同的解碼和提取，去除冗余字段，進行格式統一處理。

(3) 信息發送 本系統存在2種信息發送情況。一種是Web后臺服務器向前置軟件發送指令(如控制閥門等設備的打開、關閉或者對某個設備進行充值等)，前置軟件根據指令中涉及設備所使用的協議對Web后臺服務器傳輸的指令進行解析并轉化成ASCII碼形式指令，然后再下發給智能流量顯示儀。另一種是前置軟件定時根據協議拼接特殊指令(整點數據上報指令，監測采集指令等)并下發給智能流量顯示儀，同時設置監聽將獲取的實時數據及時推送給Web服務器。

3 系統設計與實現

3.1 系統架構

系統總體架構設計采用站控層、通信層和間隔層三層架構。在間隔層采集傳感器與熱網設備運行的實時數據，經通信層的Web服務器、交換機，通過網絡傳輸的方式與站控層進行數據傳輸，實現遠程監控管理熱網。系統網絡拓撲架構圖如圖2所示。

圖2 熱網監控拓撲架構圖

該系統將數據展示和處理嚴格分開，系統邏輯結構更加清晰，同時提高系統安全性能。業務邏輯和數據處理完全分開的設計方法有利于對系統的維護和功能擴展。本文的系統框架如圖3所示。

圖3 熱網監控系統框架

首先熱網監測管理系統定時通過前置軟件向智能流量儀表發送不同指令，通過指令查詢數據，同時前置軟件連接后臺與傳感器、壓力計等傳感器，智能流量儀表定時以報文形式發送數據包應答前置軟件。然后前置軟件獲取相應的數據報文并按照協議進行解析，再提取出設備端口、壓力、溫濕度等主要信息，并對信息進行格式統一處理再存入數據庫中。最后瀏覽器向后臺服務器發出請求，后臺接收請求后解析并對數據庫進行相應處理。處理完成后，將結果封裝成JSON字符串然后傳到前臺頁面，在瀏覽器上展現。

3.2 后臺設計

本系統采用SSM框架開發，分為數據訪問層、業務邏輯層、業務控制層。數據訪問層封裝操作數據的方法，該層包括2個部分：封裝的SQL語句和調用SQL的方法接口類。通過調用接口使用相應的數據庫操作方法；創建公用業務邏輯層，并在此層中封裝基礎業務邏輯操作，然后將數據訪問層注入該層，通過在公共方法類中調用相應的數據接口，進行不同的業務邏輯預處理；通過控制層調用業務邏輯層來完成業務邏輯操作。

系統采用模塊化設計,圖4為實時數據信息的UML類圖。業務控制器AtYewushujuController封裝了為不同的頁面傳遞數據的方法,它通過調用業務邏輯層AtYewushujuService里面封裝的操作數據接口，完成對實時數據信息的操作，包括：定時刷新實時數據和鍋爐數據；加載負載曲線(熱網分表、總表和鍋爐的瞬時流量對比曲線)；加載管損曲線(熱網分表、總表和管損的瞬時流量對比曲線)；批量刪除和展示歷史數據(前一個月的實時數據)；根據條件查詢歷史時刻數據和超限數據報警信息，根據機構、日期和變量的查詢條件展示變量曲線對比圖；蒸汽日報、蒸汽時報、蒸汽月報、蒸汽天報、蒸汽年報等統計報表信息。

圖4 熱網實時信息的UML類圖

對于系統在線用戶的操作，在傳統的Web應用模式中使用同步加載操作，服務器處理完HTTP請求后需重新加載整個頁面。本系統采用AJAX技術(一種通過異步通信實現客戶端頁面局部更新的技術)實現頁面的分步刷新。

3.3 數據庫設計

系統前置軟件接收的數據包有4種類型信息：熱網數據信息、設備信息、機構信息和充值信息。系統將設備管理表與系統機構表關聯得到供熱企業的設備狀態信息；實時業務數據表與設備管理表關聯得到設備的熱網數據；系統機構表、設備管理表和充值表關聯得到供熱企業的充值信息。由于一個設備每隔幾分鐘產生一條實時數據并存入實時業務數據表，為避免冗余數據過多，提高查詢效率，將實時業務數據表中超過6個月的數據提取出來，再轉存至業務數據表。實時業務數據表、系統機構表、充值表和設備管理表的關系如圖5所示。

圖5 系統表關系圖

3.4 前端設計

前端使用jQuery+Bootstrap技術來渲染頁面并通過瀏覽器展現給用戶。本系統定時刷新首頁單位監控模塊中的數據，單位監控模塊展示了熱網單位的名稱和狀態，實時數據一旦超過該單位設置的上下限值，就將狀態改為超限報警，同時刷新首頁的單位詳情模塊。單位詳情模塊默認展示單位監控模塊中排列在第一行的單位的所有熱網數據，用戶可通過點擊不同的單位名稱來切換單位詳情模塊的數據。單位詳情模塊中所展示的單位狀態為超限報警的情況下將超出限制值的熱網數據標記為紅色，以引起熱網用戶的注意，并快速確認出現異常的數據。標出超線數據和單位狀態報警的javascript代碼如下：

//首頁監控實時單位報警

function addLianWangTr(obj ,_index) {

var type = "1";

//在頁面拼接出監控單位的狀態：工作正常，斷電狀態，

//網絡異常或者超限報警

var _tr = ′′+

′′+

′′+

′′;

＄′#lianwang_body_max′).append(_tr);

}

function openDanWeiViewInit(obj) {

for (var o in obj) {

//對超出限度的某個數據進行頁面報警

//判斷密度的數據是否需要報警

changedivcolor(midumax,midumin,midu,"midu");

//判斷頻率的數據是否需要報警

changedivcolor(pinlvmax,pinlvmin,pinlv,"pinlv");

//判斷溫度的數據是否需要報警

changedivcolor(wendumax,wendumin,wendu,"wendu");

//判斷壓力的數據是否需要報警

changedivcolor(yalimax,yalimin,yali,"yali");

//判斷流量的數據是否需要報警

changedivcolor(liuliangmax,liuliangmin,liuliang,"liuliang");

}

}

//改變數據顏色，實現報警的方法

function changedivcolor(limitmax,limitmin,limitcanshu,id) {

var canshudiv=document.getElementById(id);

if(parseInt(limitcanshu)>parseInt(limitmax)||parseInt(limitcanshu)

canshudiv.style.color="red";

}else {

canshudiv.style.color="#00d0fe";

}

3.5 系統功能

系統具備報警監測，監督管理，GIS管理，實時數據管理四大功能,功能模塊結構如圖6所示。

圖6 系統功能模塊圖

3.5.1報警監測

系統分為余額報警、余量報警和頁面報警。余額報警的流程如下：系統定時獲取熱網的實時數據(包含實時的余額數據)和報警信息，如果接收到的報警信號為余額報警，系統將日期、充值類型、余額不足的機構名稱、當前余額剩余量，以及余額限度等數據拼接為余額報警短信，然后將短信發送給用熱網單位相關負責人，負責人及時對余額不足的設備進行充值；如果實時獲取的余額數據低于一定的余額下限值，則再發送一條余額報警提醒短信。余量報警短信與余額報警短信流程一致。頁面報警流程：系統實時接收顯示聯網供熱企業各個監測點的設備數據，當數據超過供熱企業設置的對應的數據限制，在頁面做突出顯示處理。

3.5.2監督管理

監督管理用于對供熱企業的添加和管理，對項目的機構、崗位、用戶等進行相應操作設置，設置擁有余額下限權限(接收余額報警短信)、余量下限權限(接收余量報警短信)和充值成功權限(充值成功后接收充值成功短信)的人員，為不同的登錄該系統的人員設置不同的權限、展示不同內容，或者改變權限的分配情況，對系統不同權限人員(如系統管理員，二級管理員)進行添加、分配權限等操作，擁有不同系統權限的系統用戶對充值記錄有不同的審核權限。

3.5.3GIS管理

系統可以自由地為每個機構標注熱網管道，或者修改已標注的管道信息，在GIS上的對應地理位置標注管道的走向、長度等。該標注信息實時展示在瀏覽器首頁，供各用戶查看。標注每個供熱企業位置并高亮顯示企業名稱，各系統登錄用戶可通過點擊企業名稱快速查看企業詳情。

3.5.4實時數據管理

主要是對不同區域不同供熱企業的設備數據進行統計和分析、展示數據、提供數據對比、制作報表，為各級供熱企業管理提供信息支撐。

4 系統應用

4.1 GIS地圖展示

系統首頁展示所有供熱企業的GIS標注和實際管道標注情況如圖7所示。點擊GIS上的企業標簽展示該企業的實時數據、實時曲線、歷史數據、歷史曲線。

圖7 GIS管道圖

4.2 曲線對比圖

對系統內大規模的熱量數據，除了如GIS內的數據列表和實時曲線等展示形式，本系統還提供如圖8所示的對比曲線圖形式，用戶從選擇機構的下拉框中選擇任意一個或多個機構，改變日期(默認為當天)和變量(默認為流量)即可查詢出選擇日期下，所選擇機構的變量對比圖，直觀提供了不同機構的變量差異。

圖8 曲線對比圖

4.3 數據報表

系統展示熱網數據的另一種方式為統計并生成報表。本系統提供蒸汽日報、蒸汽時報、蒸汽月報、蒸汽年報、蒸汽天報等多種報表。圖9就是蒸汽年報圖，展示了不同區域熱用戶使用流量的情況和單位，將一年分為1月到12月份并顯示合計數據。

圖9 蒸汽年報圖

4.4 頁面報警

系統對熱網中的異常數據提供頁面報警，如圖10所示，其中：(a) 是熱網的單位監控模塊，單位監控模塊是熱網中的單位名稱和狀態的列表，一頁展示5條記錄，可以翻頁查看剩余單位列表，列表對超出設定限度的單位顯示超限報警，如科思化學；(b) 是單位詳情模塊，默認展示單位監控模塊中的第一條數據，單位詳情模塊中標紅具體的超限數據如溫度數據。點擊單位監控模塊中的不同單位名稱可以切換單位詳情模塊中的單位數據，展示所點擊單位的具體數據。

(a) (b)圖10 熱網綜合監控圖

4.5 角色管理

系統提供角色權限服務，針對不同用戶提供不同的可操作范圍，如圖11展示登錄系統的角色名稱、角色編碼、是否為系統角色、用戶的類型，其可以訪問的數據范圍為更新的時間、備注信息、用戶的狀態以及對該用戶的操作和新增系統使用者。操作的類型有編輯、停用、刪除、功能菜單、系統權限、分配用戶。

圖11 角色管理圖

系統實施過程中，涉及到智能儀器儀表、壓力變送器、平衡流量計等儀器設備，表4列舉了項目中設計的所有設備型號。

表4 采集設備表

現場設備通過局部通信網絡，被智能流量顯示儀收集數據，再通過有線的VPN和無線GPRS建立的通信網絡將數據傳輸到前置軟件進行處理。圖12是現場的設備圖，左側位智能渦街流量計，右側為智能流量顯示儀設備。

圖12 現場設備圖

5 結 語

對于大部分供熱系統中安裝的監控系統缺乏對整個供熱系統的實時監測與分析的問題，本文設計了協議轉換方法。利用GIS技術完成了熱網監控管理系統的搭建，本文設計的協議轉換方法可以對多種協議進行解析，使供熱系統中的使用不同通信協議的設備與熱網監控系統實時通信，完成本系統對供熱系統的實時監測。該系統已在江蘇省某熱電廠項目中投入使用，且經過長時間的運行驗證，證明了系統的可靠性。