换热站智能控制系统的设计

换热站智能控制系统的设计
作者：魏鸣泉
来源：《科学与信息化》2018年第31期
摘要研发一款适用于换热站的智能化控制设备，可以保证换热站在供热现场安全、稳定、高效的运行，在此背景下嵌入式智能控制设备因其具有硬件适应性强、操作方便、稳定性高等特点异军突起。

本文运用嵌入式技术设计出一款针对换热站现场应用的智能化控制器，其具有高可靠性可自动识别接入设备的机架、优化过的控制逻辑等特点并成功应用于控制现场。

关键词换热站控制；智能化；可扩展机架；自动识别
前言
在我国伴随着城市建设高速发展、集中供热产业也蓬勃发展起来，随着供热面积的不断扩大[1]，更加节能、集约、环保的智能化换热站，越来越多地出现在人们身边，为用户提供冬季供暖服务[2]，然而智能化换热站是否能够稳定、高效、可靠的运行，取决于其核心控制器选用是否得当，能否满足供热现场的需求[3]。

本文提出的整体控制设备，包含整体控制逻辑与硬件设备。

为了满足换热站环境因素，控制器在整体硬件设备上充分考虑了换热站安装流程与日后的操作与维护，同时为了更好地提升控制器整体性能，在控制系统硬件设计，电路设计上采用了自主设计研发的体系结构。

其具有以下四方面特点：①具有高采集精度、低误码率的输入输出硬件设备；②具有高可靠性并适应换热站点位变化的机架；③设计根据换热站实际情况优化过的软件系统；④具有高可靠性并能自动识别接入设备的通讯方式，可将换热站的控制达到最优效果。

1 控制器整体控制硬件设计
1.1 模拟量输出＼输入采集卡硬件设计
控制设备的模拟量输出＼输入采集卡硬件部分，在设计时充分考虑到实际应用场景，支持带电扩容以及模块热插拔，并使用了多种防护措施与隔离措施，最大程度的提供了工程使用的灵活性与安全性。

控制其采用模块化系统通过RS-485与Modbus工业总线互相连接。

其中RS-485支持低至1400高至115200的波特率通信，Modbus工业总线实现方式基于100Mbps板载网卡，最大限度降低了工业总线由于硬件限制而引发的多种实际问题。

底板是承接所有接口模块的结构，在设计上充分考虑了要与各个模块通用的智能总线连接，为各个模块提供独立电源，为核心处理器提供相应的电源保护措施。

对外部支持24vde工业电源接口。

CPU部分采用高性能，高内存ARM主控芯片，同时考虑到在高温环境中连续运行，对常见的干扰有很强的抗性。

整体硬件系统的极限参数范围，充分保证了系统的安全可靠
性，自主设计强制通风风扇，启动后可以强制对核心进行温度保护，主要系统参数如表1所示：
1.2 高可扩展性机架设计
如图1所示，机架由若干个单体模块构成，每个单体模块之间可以通过单体模块通用公母插口相互拼接形成一个大的完整的机架，每个单体的数量可控。

设备插座是供设备插拔的插座，使用通用的工业级插座。

高压烧写口也连接到设备上，在紧急情况下，机架通过高压烧写口施加高压，自动烧毁设备中的某些关键部分元件的通信接口，使得其中数据得到保护。

电源管理模块为整个单体模块提供可控的电源。

设备插座中引出一根电荷探测线，每个设备插入后都会引发电荷探测线上电荷的变化，进而使得机架可以侦测到设备的在线情况、工作状态。

电荷检测模块将电荷的变化转换为电压信号后，经过DSP实现的FIR滤波后，经过模拟-数字转换器转换为数字信号传递给中央处理器。

机架通过一个专职数据分发处理系统实现数据的动态分配。

机架之间相互连接后，所有的数据都保存到数据缓存中。

中央处理器根据实际情况有选择性地从数据缓存中读取相应的命令。

虽然所有的设备都连接在一起，但是控制信号被各自的数据缓存隔开，实现了完全独立、可重复配置的操作。

2 控制器整体逻辑设计
2.1 模拟量输出＼输入逻辑设计
控制器模拟量输入模块部分，相比于市场其他同类产品，具有丰富的数据运算与数字信号处理功能。

为屏蔽供热现场信号干扰，模拟输入板的输入电压经过自适应滤波器后，经由模块板载主控芯片发送至智能总线，由CPU进行二次数字滤波后传送到屏幕。

一个物理量真实测点的信息可以通过板载校准、板载自适应数字滤波、CPU数字滤波三层过滤，极大地确保了系统的平稳，同时自适应滤波器的加入也使得合理的瞬态信号能够更加清晰地被CPU读取。

（1）本控制系统主要特点如下：
①模拟输入模块是具有22 比特精度、自动量程、具有多种自适应输入校准与纠偏功能的模拟量测点模块。

②该模块支持电压、电流、温度电阻等多种形式测点的接入，极大地方便了工程使用。

③模拟输入模块每个通道内置校准参数，在出厂时已进行了校准，确保使用过程中精度能够得到最大限度的保证。

④随着电路板随时间、使用次数攀升而发生老化，校准参数也可通过组态软件进行方便的改写。

2.2 控制器整体控制逻辑
CPU模块作为本协议中的“主设备”，其他各种模块作为“从设备”，主从设备之间通过总线连接。

当系统核心设备接通后，首先将发起建立通信信道的请求，对各个主、从设备进行必要的配置。

在通过通信信道进行通信的过程中，各个设备将独自进行指令的解析，与此同时进行信道估计以通过自适应匹配信道的方式对抗信道干扰。

在通讯意外中断或有新设备加入时，进行冲突判决，重新分配各个从设备的配置，动态重构整个通讯总线。

在有恶意用户接入系统试图伪造发送、接收命令时，通过侵入判决进行检测，在判决肯定为恶意用户后，对系统内的关键信息予以擦除防止秘密信息泄露。

最后，在从总线上取下从设备时，执行消除连接操作，关闭主设备与该被取下的从设备的通讯连接。

2.3 行指令解析逻辑
其中，公式上层代表解析中的负载电压，公式下层为数据流入比特，公式代表了行指令在核心控制单元中的解析逻辑。

是解析后的指令电压，是输入电源电压，当接入设备后，总电荷量为，新入设备后，将对所有指令侦测电压产生影响，利用非线性化处理。

3 控制器通讯策略设计
3.1 通讯建立
控制器各模块上电后，主设备首先通过侦测总线电荷的方式自动识别外围扩展设备数量与相应的配制。

从设备在设计制造过程中，控制每个从设备引脚有等效果电容。

主设备通电后，通向负载侦测先注入的频率为的正弦电压信号，观察负载侦测上电流的变化。

当某一个频率的正弦电压信号注入总线后，可以计算出等效的电容，从而得到总线的设备数量。

公式中的N为总线的实际测量频率数量。

Nslave为得到的从设备个数，Vin是输出电压的幅度。

确定从设备个数后，主设备向总线发送一个包含已经应答从设备数量与发送本命令时间的探测指令。

3.2 命令数据流设计
主从设备数据通信的数据包格式规定主设备默认地址为0，从设备地址从1开始，一个完整的数据流由目标地址、本机地址、数据包内容、信道估计部分1、CRC校验、信道估计部分2这六部分组成，其中目标地址为32位二进制，本机地址为32位二进制，数据包内容为1000位二进制，信道估计部分1为256位二进制，CRC校验为10位二进制，信道估计部分2为128位二进制。

数据包具体功能如表3所示：
3.3 通信信道保持与通信动态维持
在系统中，通过对逻辑设定，我们默认变化率区间为20%左右，也就是说如果状态改变在这个范围之内，系统则不做任何处理。

在系统通信信道中，我们默认信道是被某种特性的加性噪声污染，并假设其主要影响信号的一、二、三阶统计特性。

如果超系统干扰超过了定义区间，系统逻辑判定为通信信道被外界干扰，此时另外一个默认逻辑运行，进行干扰次数判定，如果信道在10次之内变化又恢复了正常，系统则判定为正常，否则系统将重新进行地址分配逻辑。

当判定次数超过30次依然无法恢复后，系统则判定为不可逆干扰状态，则按照错误异常处理，整个系统将显示为通信状态错误。

经过一个信道后，X 阶矩的情况是很难线性化的，我们在此基础上进一步假设X 阶矩的情况对于其本身值而言是一阶小量可以使用线性化公式进行近似。

那么，虽然从设备无法准确获知主设备发送的序列到底是多少，通过从设备回复给主设备后，主设备可以知道原始序列和经过信道变化两次后的序列分别是多少，从而可以推断恶化两次后的统计特性。

我们进一步假设每次统计特性的恶化都是一个固定的线性的百分比。

如方差变为x 倍，平均值变为y 倍，且系数保持不变。

4 结束语
本文对智能化换热站核心控制器相关的软硬件设计以及相关的技术进行了研究，对控制器的系统功能、整体逻辑功能、整体硬件架构以及相关指标进行了设计。

根据本文设计开发的智能化换热站控制系统已经成功应用在供热现场，根据现场运行情况标明，本控制系统能够满足现场控制需求，并好于市场同类产品，达到了设计预期目标。

参考文献
[1] 吴洁.集中供热智能控制系统应用论述[J].江西建材，2016，9（186）：73，77.
[2] 聂夏洪.集中供热系统中热网的自动化控制[J].科学之友，2012，（3）：44-45.
[3] 卢秋实.集中供热控制系统的研究与应用[D].潘阳：潘阳建筑大学，2011.。