（信号与信息处理专业论文）换热器远程监控相关技术的研究与应用.pdf

换热器远程监控相关技术的研究与应用 摘要 随着计算机技术、通信技术与控制技术的飞速发展，远程控制技术得到越来 越多的应用，成为当前自动控制研究领域的热点课题。 本文以换热器的监控应用为背景，综合利用传感器技术、数据接收与发送技 术、网络通信技术和浏览器的实时显示技术，构建了基于w e b 的换热器远程监 控系统。在详细介绍现场换热器的控制方法的基础上，采用x m l 语言对通讯双 方传递的数据进行封装，利用x m ls o c k e t 技术进行远程设备数据主动推送，不 但有效地克服了传统b s “请求响应”模式的被动性与滞后性，而且实现了网页 的局部更新；并运用先进的嵌入式w e b 传感器技术来获取现场数据；在此基础 之上建立了原型系统，用户通过运行在浏览器端的虚拟控制面板a e t i v e x 控 件即可实现向远端换热器系统发送指令，接受换热器原型状态等的反馈信息，实 现了换热器的远程监测与控制。 取得了以下的结论： 1 ) 本文设计的换热器监控系统是建立在w e b 基础上的，改进了现有的在局 域网内对换热器进行监控的方案。 2 ) 将嵌入式w e b 传感器与先进的p l c 技术结合起来应用到远程监控系统 中，大大简化了监控系统的复杂程度，有助于未来远程监控系统的开发。 3 ) 采用x m l 这一完全支持所有现代平台的平台作为数据传输、采集、显示 j 的标准，更有利于完成整个工业信息的纵向集成。 关键词：换热器；远程监控；w e b ：x m l ：a s p s t u d yo nt h er e m o t em o n it o r & c o n t r oit e c h n oio g yf o r t h eh e a te x c h a n g e r a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y , n e t w o r kt e c h n o l o g ya n d c o m m u n i c a t i n gt e c h n o l o g y , r e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g yi sa p p l i e d m o r ea n dm o r ew i d e l y i th a sb e c o m eah o tt o p i ci nt h ef i e l do f a u t o m a t i o n ar e m o t em o n i t o r & e o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ew e bi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r , w h i c hs y n t h e s i z e st h et e c h n o l o g yo fs e n s o r , d a t ar e c e i v ea n dp u s h , n e t w o r k c o m m u n i c a t i o n , a n dt h er e a l t i m ed i s s e m i n a t i o no nt h eb r o w s e r , b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no ft h eh e a te x c h a n g e rc o n t r o l ，t h i ss y s t e mu s e s a d v a n c e dl a n g u a g eo fx m lt oe n v e l o p et h ed a t a , a n da l s ou s e sx m ls o c k e tt o r e c e i v ea n dp u s ht h ed a t aa c t i v e l y t h s et e c h n o l o g yo v e r c o m et h es h o r t a g eo ft h e p a s s i v ea n dl a go f t h e “a s k - a n s w e r m o d e a n dr e a l i z el o c a lr e n e wo f t h ew e bp a g e i n t h i sp a p e r , a d v a n c e d 锄h e d d e dw e bs e i l s o ri su s e d w h i c hh a sat c m pp r o t o c o l i n t e r f a e e o nt h er e m o t et e r m i n a l ，e x p e r t sc a l lm o n i t o ra n dc o n t r o lt h er e m o t ep r o c e s s b yr u n n i n gt h ev i r t u a lc o n t r o l l i n gp a n e l 以c t i v e xo nt h eb r o w s e r 1 1 1 i st h e s i sg a i n st h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n ： 1 ) 1 1 ss y s t e mi sb a s e do nw 曲，i th a so v e r c o m et h es h o r t a g eo ft h ee x i s t i n g m o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mf o rt h eh e a te x c h a n g e rb a s e do nl a n 2 1c o m b i n e dt h ee m b e d d e dw e bs e n s o rw i t ht h ea d v a n c e dp l ct e c h n o l o g yt o r e d u c et h ec o m p l e x i t yo ft h es y s t e m ，i th e l p st od e v e l o pt h em o n i t o r i n ga n d c o n t r o l l i n gs y s t e mi nt h ef u t u r e 3 ) x m li su s e da st h ec r i t e r i o no ft h ed a t at r a n s f e ld a t ac o l l e c t i o na n dd a t a s h o w n i ti su s e f u lf o rt h ei n f o r m a t i o ni n t e g r a t e d k e yw o r d s ：h e a te x c h a n g e rs y s t e m ；r e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n g ；w e b ；、 x m l ；a s p 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含未获得 ! 洼! 垫遗直墓丝益要缱型直盟 鲤：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 兰竺竺竺盟一二竺竺竺竺一 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签字： 签字日期：口z 年6 月讧日 签字日期 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编 换热器远程监控相关技术的研究与应用 1 绪论 1 1 课题的背景 随着国民经济和科学技术的发展以及人民生活水平的提高，人们对日常工作 的条件和环境的要求也在不断提高。在这种情况下，对于以往一些工作环境恶劣， 地理位置较远或者有可能危及人身健康甚至生命的场合，采用无人职守作业的需 求就日益突出了【1 1 。 ， 无人职守作业已成为现今社会的一个迫切要求，特别是对于现场操作有一定 危险的换热器系统更是如此。对于远距离无人职守的换热器，为了及时了解现场 的工作情况，就需要一套远程监控系统，使之能把现场设备的工作情况及时的反 应给客户端，并由客户端发出控制命令，达到实时控制现场的目的。开发这种通 过公用或者专用网络，将远程现场展现在远端控制中心值班人员面前的系统既可 以避免工作的危险性，又大大地提高工作效率，更重要的是，它提高了控制的准 确性和实时性，因而提高了供热系统的自动化控制水平和供热行业的管理水平。 1 2 换热器远程监控技术的发展 基于w e b 的远程监控指本地计算机或监控设备通过快速发展的网络系统( 主 要是广域网i n t e r n e t ) ，得到远程监控终端的运行情况、参数指标、视频等信息， 实时了解远程设备的工作情况，实现对远程监控终端的监视、控制，它是实现远 程操作和远程故障诊断的关键技术【2 】。 远程监控技术是网络技术、计算机技术和监控技术的结合，是生产发展的需 要和科技发展的必然结果。充分利用该技术，可以有效的利用异地的物质和智力 资源，例如进行网上专家会诊、科学研究数据的获取、设备故障的诊断与排除等； 可以建立网上共享资源库；可以观察远程设备的运行状态等。因此该技术对工业 的发展及至整个国民经济有着十分深远的意义。 i 2 1 远程监控技术的发展 远程监控技术是2 0 t 岘6 0 年代美国开展的故障诊断技术研究的基础和前提， 换热器远程监控相关技术的研究与应用 在短短的几十年间，远程监控已经历了以下几个发展阶段p ： 1 ) 单机远程监控：以多用户联机、集中式控制为特征的单机远程监控系统， 这是第一代监控远程系统。这时的远程监控系统主要是针对某一特定被 监控的设备而设计的，它主要由1 台计算机和l 块或多块监控功能模板 构成，信息的交换与处理仅限于监控系统内部，因而是一种封闭式的系 统。 2 ) 基于i n t r a n e t 的远程监控：以局域网络、集散化控制为特征的分布式远 程监控系统。它主要是针对大型机电设备主机和多辅助功能分布和地域 分布的特点，通过企业局域网把分布于各个局部现场，独立完成特定功 能的本地计算机互联起来，以实现资源共享、协同工作、分散监控和集 中操作、管理与诊断功能的工业计算机网络系统，这是基于工业局域网 的相对开放的系统，监控信息的处理在局域网内部进行。 3 ) 基于p s t n 网络的远程监控：基于p s t n 公共电话网络的远程监控系统，是 九十年代末发展起来的一种远程监控技术，监控中心和监控设备之间是 通过p s t n 网络建立点对点的联接来实现对远程设备的监控。 4 ) 基于无线通信网络的远程监控：基于无线通信网络的远程监控系统，是近 几年发展起来的一种远程监控技术，监控中心和监控设备之间无需建立 联接，通过无线专网或公共无线通信网络进行数据的传输，其中利用g s m 公共网络进行远程监控由于网络的覆盖范围大、普及率高、可靠性高、 技术成熟且价格低而发展迅速，尤其是利用短消息业务，一问世就因其 低廉的价格、可靠的传输性能得到广大用户的青睐。因此，利用g s m 公 用网进行远程监控是未来远程监控的一个发展方向。 5 ) 基于8 s 结构的利用w e b 技术的远程监控系统：基于b s 结构的利用w e b 技术的远程监控是以网络作为通信平台的监控系统，以t t t t p 技术为基 础，具有更简单、高效的优点，已经成为信息网络的一种最普遍应用的 信息交互平台4 1 。利用网络通信技术s o c k e t 技术、数据采集技术及面向 对象等软件技术实现了整个系统的系统管理、用户管理、设备监控数据 显示及报警等模块，其优点是充分利用了现有的局域网资源和广域网资 源，以信息的实时获取和实时控制为中心，实现信息、资源及任务的综 换热器远程监控相关技术的研究与应用 合共享和全局一体化的管理。例如：监控系统将现场设备的运行情况提 供给服务器，并由服务器发送到各个节点客户机，工作人员在客户机端 ( 也就是远端) 便可了解整个系统的工作状态及运行情况。简单地讲，对 企业来说就是充分利用现代技术解决实时数据的采集、传输和处理以及 进行实时控制的问题。正是这些优点使得它目前得以飞速发展。 1 2 。2 换热器远程监控技术的发展 在国内的换热器控制系统中，虽然已经基本上脱离了原始的手工操作的状态， 而采用了控制现场无人值班的工作状态。但是，还局限于在局域网内对现场设备 进行控制。这种基于局域网的换热器控制系统虽然已经大大提高了工作效率，减 少了危险的几率，但是，对于换热器的控制专家并不一定只局限在工厂的内部， 也可能在生产过程中遇到的一些特殊情况需要研究所的、其他城市的甚至是外国 的专家来帮助解决，这就需要设计一个完善的远程监控的系统，使得i n t e r n e t 上的某地址的用户能够实时的监控着现场的设备端。一旦有了这样的系统，对于 那些对城市的市区污染严重的工业来说，就可以将控制的工作站建立在市区，而 将工厂建立在远离市区的无人的地方，满足了保护城市环境的要求。 换热器的远程监控就是在这种情况下提出来的。出于保护城市环境的目的， 美国、日本、西欧等大多数的发达国家已经开始将远程监控技术实施应用在供热 行业的换热器系统中。 本文就是在国内外换热器控制研究的背景下，利用先进的技术来达到实现换 热器的远程监控的目的。 1 3 本文主要研究工作 鉴于远程监控技术的广泛应用，本文针对供热系统中的换热器提出了一种基 于w e b 的远程监控系统方案。在i n t c m c t 环境下，本系统采用先进的x m l 语言 实现对通讯双方传递的数据进行封装，采用x m ls o c k e t 技术进行远程设备数据 主动推送，有效地克服了传统b s “请求- 响应”模式的被动性与滞后性，实现了 网页的局部更新，并对系统中的关键技术远程设备数据采集和监控进行了深 入的研究，并运用先进的嵌入式w e b 传感器技术来获取现场数据；在此基础之上 换热器远程监控相关技术的研究与应用 建立了原型系统，用户通过运行在浏览器端的虚拟控制面板a c t i v e x 控件即 可实现向远端换热器系统发送指令，接收换热器原型状态等的反馈信息，实现了 换热器系统的远程监测与控制。 换热器远程监控相关技术的研究与应用 2 换热器远程监控系统的分析与设计 2 1 系统的结构框架 基于w e b 的远程监控系统可分为现场监控( 智能终端) 、监控中心( 包括数据库 服务器、w e b 服务器) 和客户( 即浏览器) 3 个子系统，分别完成监控数据的采集、 处理和显示功能。其结构示意如图2 1 所示。 臣 卜臣互 h 匣野圈 j ： ： ； ： ； ：； ： ： ： ： 客户端：监控中心 ；现场控制端 ： j 图2 1 结构示意图 其中现场终端是一个现场控制服务器，它一方面负责采集现场设备的运行状 况数据，并传送给监控中心，另一方面接收监控中心的控制命令，使得p l c 采取 相应的动作来控制换热器的运行情况。在控制端的被控对象是换热器，本文的换 热器是指应用在供热系统中的换热器。在这里，换热器是一个冷暖交换设备，不 但可以进行加热和换气，而且可以回收余热进行二次利用，为系统节约了大量的 能源，提高了锅炉系统的供热效率。监控中心是整个监控系统的中枢，它主要由 两部分组成，其中的w e b 服务器是用于网络的连接，通过它完成换热器控制端和 客户端的交互。数据库服务器是用于数据库的网络连接和数据的交换，由于换热 器的运行信息全都是存放在数据库中的，通过访问它来获取实时数据和对历史数 据的查询，因此在本系统中，数据库是必不可少的。监控中心总的任务是完成数 据传输和处理工作。它从功能模块上来说主要包括设备监控功能模块、通信设置 功能模块、设备查询功能模块、参数设置功能模块和统计报表功能模块等基本的 功能模块，其功能模块如图2 2 所示，监控中心通过通信模块实现与现场控制器 的数据传送任务，通过w e b 服务器完成与客户子系统以及现场子系统的交互，数 据库则用于存储现场得到的实时数据；客户子系统由浏览器实现，是专家直接与 其交互的部分，它接受专家、工作人员的输入，并且从监控中心获取监测数据或 换热器远程监控相关技术的研究与应用 通过监控中心发送控制命令1 5 1 。 远程监控系统 远 程 监 测 模 块 】匹 程 查 询 模 块 远 程 处 理 模 块 远 程 控 制 模 块 惩 程 通 讯 模 块 系 统 设 置 模 块 附 加 功 能 模 块 图2 2 监控中心系统功能模块 如果按系统的功能划分，可分为远程监控级和现场监控级 6 1 。其中的远程监 控级包括上述的客户端和监控中心，它的主要任务是通过i n t e r n e t 与现场监控 计算机进行数据的通讯，然后通过发出控制命令，实现对现场设备的控制；现场 控制级的任务是由现场控制服务器通过嵌入式传感器获取现场的信息并管理其 下位p l c 动作，实现对现场设备的监视与控制。 2 2 远程监控模式的选择 2 2 1c s 模式 2 0 世纪8 0 年代末，人们提出c l i e n t s e r v e r 结构，基本框架如图2 3 所示。c s 模式是一种松散耦合结构，客户端与服务端通过消息传递机制进行对话，客户向 服务器发出请求，服务器进行相应的处理后将结果返回客户。c l i e n t s e r v e r 使得 处理和被处理的数据合理分布，网络开销和响应时间都大大降低，从而减少了对 网络带宽和成本的需求7 。当前的工业所用监控系统多以c s 结构开发完成， c s 结构有着很强的数据操纵和事务处理能力，具有安全性高、网络通信负荷小、 速度快等优点。但随着系统功能的扩展和应用复杂程度不断提高，c s 结构的不 足也越来越多地暴露出来，主要有： 1 ) 对客户端软硬件要求较高，尤其是常常要求软件和硬件不断升级，增加 了整个系统的成本。 2 ) 系统的开放性差，网络资源得不到充分的利用。 3 ) 在特定的应用中，无论是客户机端还是服务器端都需要特定的软件，因 6 l i l 换趣器远程监控相关技术的研究与应用 此系统功能的更新和维护工作量大，扩展性和灵活性较差1 9 1 。 客户端 2 2 2b s 模式 图2 3c s 结构 服务器端 浏览器w e b 服务器 数据库服务器 图2 4b s 结构 浏览器月艮务器( b s 结构) 是随着i n t e m e t 技术的兴起对c s 结构的一种变 化或者改进结构。b s 模式采用的是三层体系结构，即客户端、服务器和数据库 服务器，其体系结构如图2 4 所示。它将原来客户机一侧的应用程序模块与用户 操作界面分开，把原来客户机负责的功能交给中间层来实现，因而形成了表示层 ( 浏览器) 、事务逻辑层( w e b 服务器) 、数据层( 数据库服务器) 3 层结构，采 用浏览器作为统一的客户端【1 0 l 。客户端仅仅使用浏览器即可访问服务器，事务处 理放在服务器端，数据处理则由数据库服务器进行，这样通过网络就可以进行异 地数据访问。相对于传统的c s 结构，b s 结构具有许多显著的优点： 1 ) 无需在不同客户机上安装不同的客户程序( 只要安装i e 即可) ，所有信 息都通过w e b 发布，信息类型也更加丰富，可以是文本、声音、动画等 多媒体； 2 ) 用户操作变得十分简单。用户界面一致友好、方便了用户的使用； 3 ) 系统具有良好的可扩展功能。扩展的工作只需在服务器上完成，所有客 户端软件都无需改动，大大减少了工作量。 7 换热器远程监控相关技术的研究与应用 为了更充分的利用w e b 技术，本系统要采用b s 体系结构，这时客户端已经 统一为w e b 浏览器的单一平台，无需安装客户端软件。作为终端用户，只要使 用通用w e b 浏览器，各种各样的处理任务都可以通过w e b 浏览器调用系统资源 来完成。下图2 5 是b s 模式的工作原理图。 请 查询要 互巫叵困 求 ，f ， w e b 服务器 it 蒙ii 查诒 数据库服务器 结果 图2 58 s 模式工作原理 但是在使用b s 体系结构时，无法回避两个限制：被动性与滞后性。首先， 使用者必须通过浏览器发出请求，服务器端才能响应，而在实时监控系统中，需 要服务器端主动发送数据给客户端。如果使用传统b s 技术，实现该目的就很困 难：其次，对每个请求服务器端都必须启动一个会话，加上服务器端处理与网络 传送所消耗的时间，这自然就形成了客户端的滞后性。而且，即使网页中仅有局 部数据发生了变化，服务器也必须重新发送整张网页，从而加重了服务器的负担， 降低了数据传输的效率。 自从f l a s h5 发布后，其中的x m l 与x m ls o c k e t 技术很好地解决了b s 体 系结构被动性与滞后性的限制，同时没有了j a v a 的安全限制。本文就将介绍利 用x m l 与x m ls o c k e t 技术对控制现场进行实时监控】。 2 3 系统的工作原理 远程的专家或工作人员通过浏览器这一界面来完成对现场数据的查询，通过 u r l 向w e b 服务器请求h t m l 页，经过验证用户名、密码以及用户权限等信息 后，w e b 即对数据库的进行访问，然后w e b 服务器根据用户的请求返回查询结 果。在控制现场终端的设备主要有嵌入式w e b 传感器、p l c 和现场服务器，嵌 入式w e b 传感器通过t c p i p 协议接1 ：3 和w e b 服务器交互，通过连接在i n t e r n e t 上的数据库服务器将数据导入数据库，完成了数据的存放。专家一旦发现有超出 8 换热器远程监拧相关技术的研究与应用 阂值的数据信息时，马上通过操作浏览器上的控件，通过w e b 发出指示命令来 动作p l c ，达到控制换热器中阀门开度的目的。 图2 6 系统的工作原理图 2 4 现场换热器系统的控制 本系统的现场控制端主要是由换热器、嵌入式w e b 传感器和p e g 组成。本系 统所控制的换热器是一个用在锅炉系统中换热器设备，它的流体是水，蒸汽是换 热器的加热介质。根据以往的经验，管壳式换热器的工作压力可以从高真空到 8 0 m p a ，工作温度可以从- 1 0 0 到1 2 0 0 。c 的高温，有较高的换热强度，结构又要 求简单、紧凑、便于安装和维修，且造价低，运行安全，这些特点都适合将它应 用于供热系统中。所以本系统采用的是管壳式换热器，图2 7 是换热器车间的换 热器外观图。 在换热器工作时，水从具有一定高度的水槽流出，水的流量是由相应的水位 高度确定。其系统模型图如图2 8 所示。换热器进口水温是室温，水温为n 。，水 流入换热器经过蒸汽加热流出。我们控制的任务就是控制换热器的出口水温t 帕， 出口水温k 的控制扰动因素很多，例如进口水温、进口水流量、进口蒸汽流量、 进口蒸汽温度、环境温度等，因而控制复杂，存在严重的非线性和大滞后。 9 换热器远程监控相关技术的研究与应用 图2 7 换热器车间图 ： 一一一一一一一一一一一一一一- 图2 8 换热器系统模型图 根据实际的经验，我们将出口水温调节自动控制系统设计成由温度变送器、调节 器( p i d 或f u z z yc o n t r o l l e r ) 、执行器( 蒸汽调节阀门) 和被控对象( 出口 水温) 组成的闭合回路。如图2 9 所示。图中的被调参数( 换热器出口水温) i o 换热器远程监控相关技术的研究与应用 经检测元件测量并由温度变送器转换处理获得的测量信号c ，测量值c 与给定值r 的差值e 送调节器，调节器对偏差信号e 进行运算处理后输出控制作用h ；该信号 由执行器和调节器转换后控制对象被调量的变化。当被调量偏离给定值时，调节 器动作，执行机构及调节阀开度变化，调节流入量，使流入量与流出量重新平衡， 而将被调量保持在给定值或在其偏差允许的范围内。实际中，在求取对象的动态 特性时往往将调节阀开度做扰动，从变送器输出信号的变化曲线来获取。 图2 9 原理框图 对于决定换热器动态响应的特性参数，机理分析和工程实践都表明，换热器 是一个惯性和时间滞后均较大的被控系统，且是分布参数的。若将动态特性用低 阶近似的方法处理，换热器可用一个三容时滞对象来近似描述，为简化起见，将 换热器的动态特性取为： g ( s 户志8 式( 2 3 ) t _ 时间常数； f 滞后时间，由多容对象处理为单容对象而引入的容量滞后时间tc 与由工 艺介质传输距离引起的纯滞后时间td 两部分组成； k 放大系数，即式( 2 3 ) 中的k 。 根据实践经验，取t = 2 4 3 ，t = 1 1 7 ，k = l ，得到换热器出口温度的传递 函数为： g o ) 。而1 p 。” 式( 2 4 ) 为了能提高基本模糊控制器的精度和跟踪性能，就必须对语言变量值取多个 语言值，即分档越细，性能越好，但同时带来的缺点和规则数计算量也大大的增 加，以致模糊控制规则表也很难把握，调试更加困难，或者不能满足实时控制的 要求。为了解决这个矛盾，我们在换热器出口水温的控制中，也采用在论域内用 不同控制方式实现控制。当偏差大于某一个阀值时，用比例控制，以提高系统晌 换热器远程监拧相关技术的研究与应用 应速度，加快响应过程；当偏差减小到阀值以下时，切换转入模糊控制，以提高 系统的阻尼性能，减小响应过程中的超调。这样就综合了比例控制和模糊控制的 优点。在这种方法中，模糊控制的论域仅是整个论域的一部分，这就相当于模糊 控制论域已被压缩，所以这就等效于语言变量的语言值即分档数增加，提高了灵 敏度和控制精度。另外，采用比例一模糊双模控制算法来实现比例和模糊控制的 长处，不但可以使系统具有较快的响应速度和抗参数变化的鲁棒性，还可以使系 统只有较少超调量。其结构图如图2 1 0 所示。 图2 1 0 比例一模糊双模控制 这里选用t a k a g i - s u g e n o 型模糊推理系统构建模糊控制器，并以系统偏差e ( k ) 和系统偏差变化率d e ( k ) 作为模糊控制器的二维输入变量，表示为e ( k ) 和d e ( k ) 。 系统控制增量u ( k ) 作为模糊控制器的输出，表示为d u ( k ) 。e ( k ) 取三个语言 变量值分别为“正大( p l ) ”、“负大( n l ) ”、“近零( n z ) ”。d e ( k ) 取两个语言 变量值，分别为“正( p ) ”、“负( n ) ”。因为是t a k a g i s u g e n o 型模糊推理系统， 推理规则表示形式为： i fxi saa n dyi sbt h e nz = p * x + q * y + r 本系统推理规则可以表示为： i sp la n dd e ( k ) i sp la n dd e ( k ) i sn la n dd e ( k ) i sn la n dd e ( k ) i sp ， i sn ， i sp i sn ， e 1 d u ( k ) e 1 d u ( k ) e nd u ( k ) e bd u ( k ) i ss i ss s i s s s i s s l i fe ( k ) i sn z ，t h e nd u ( k ) i sk e ( k ) 输出模块中输出变量有五个，分别为s 。、s s 、一s s 、一s ，、i ，。用模糊控制语言 描述如下： 【s y s t e m n a m e = w s a d c 4 t y p e - s u g e n o 。 v e r s i o n = 2 0 k k k k v v v ( e e e e f f f f!i 换热器远程监控相关技术的研究与应用 n u m l n p u t s = 2 n u m o u t p u t s = l n u m r u l e s = 5 a n d m e t h o d = p r o d o r m e t h o d = p r o b o r i m p m e t h o d = m i n 。 a g g m e t h o d = m a x d e f u z z m e t h o d = w t a v e i n p u t l n a m e = e ( k ) r a n g e = - 1l 】 n u m m f s = 3 m f l = n l ： t r a p m f ，【- l - 1 - o 1 5 一o 1 5 】 m f 2 = 7 n z ： t r a p m f ， - o 1 5 - 0 1 50 1 0 1 5 】 m f 3 2 p l ： t r a p m f ，【0 1 5o 1 588 】 i n p u t 2 n a m e = = 。d e ( k ) r a n g e 2 【- 0 1o 1 】 n u m m f 铲2 m f l 2 t n ： t r a p m f ， - o 1 0 100 】 m f 2 d p ： t r a p m f ， o0o 1o 1 】 o u t p u t l 】 n a m e = d u ( k ) r a n g e = 01 】 n u m m f s = 5 m f l = - s l 。： c o n s t a n t , - 4 e 0 0 6 m f 2 _ t s s ：c o n s t a n t 1 3 e 0 0 6 m f 3 = s l ：c o n s t a n t , 4 e 一0 0 6 m f 4 = 。s s ：c o n m a n t , 1 3 e 0 0 6 m f 5 = 。：l i n e a r , 1 4 e 0 0 600 1 r u l e s 】 11 ，1 ( 1 ) ：1 i2 ，2 ( 1 ) ：1 32 ，3 ( 1 ) ：i 3i ，4 ( 1 ) ：i 20 ，5 ( 1 ) ：1 模糊控制曲面图如图2 1 l 所示： 1 3 换热器远程监控相关技术的研究与应用 图2 1 1 出口水温的模糊控制曲面图 在s i m u l i n k 下的动态结构框图如下： 1 4 换热器远程监控相关技术的研究与应用 得到仿真如下图所示： ? 霎薹 从图中可以看出，被控对象存在着严重滞后，如果采用史密斯预估控制是一 种有效的解决方法。史密斯预估器的基本控制思路是：预先估计出过程在基本扰 动下的动态特性，然后由预估器进行补偿控制，力图使被延迟了时间t 的被调量 提前反映到调节器，并使之动作，以此来减小超调量与加速调节过程。下面我们 对换热器出口水温的控制采用史密斯预估控制。 i x p m c lt ”。” | 。 f 一 t 最后，采用比例一模糊双模控制方案，对系统进行仿真，如下图所示。 t h ep - f u z z yc 口n t r o lf o ra u t l e tw a t 日rt 5 m 口d r 引啪 换热器远程监控相关技术的研究与应用 从图中可看出，比例模糊控制在控制初期使用了比例控制，极大的提高了系 统的响应速度，同时具有模糊控制方法的超调量小、振荡周期少、稳态性能好的 优点，而且系统抗干扰能力强。 这样就完成了下位机的控制，下面就需要通过传感器来获得换热器上的数据 信息，然后将这些数据信息存放到连接在i n t e r n e t 网上的数据库中，远方的专家 就可以查询数据库里的数据信息。一旦换热器设备端有错误发生，就会实时地在 数据库中反映出来，这时，专家通过浏览器修改数据库中的数据，然后通过修改 好的数据信息指导p l c 工作。 2 5 系统的硬件设计 在远程监控系统中，远程计算机是通过现场的传感器获取数据再将数据传送 给数据库的，以达到远程监测的目的；而一旦监测到现场数据不符合换热器的工 作要求，我们就需要去调整它，这就需要一动作它的设备：p l c 。这是完成本系 统要求的两大硬件设备，下面将分别给予介绍。 2 5 1 传感器的应用 由于在本系统中，传感器不但要获得换热器设备上的温度等参数的值，还需 要将获得的数据传给数据库服务器，这样传统的传感器就需要设计一个接口，使 得它能够与数据库通信，为了使系统更简单，这里应用了嵌入式w e b 传感器来 完成此功能。 嵌入式w e b 传感器与传统的传感器相比，基于i n t e m e t 的嵌入式w e b 传感器 更加可靠、便宜、扩展性更好，它与传统的传感器输出模拟信号不同，这种传感 器可以在内部实现对原始数据的加工处理，并通过i n t e m e t 和外界实行数据交换， 从而实现传感器的微型化、网络化、智能化；更重要的是基于i n t e m e t 的嵌入式 w e b 传感器可以根据实际的需要通过i n t e m e t 网络，矛9 用内嵌的w e b 服务器改变 传感器的功能，实现检测、制造及维修人员的“虚拟到场”，给系统的扩展带来 了很大的发展余地，减少了维护费用b1 钔。 在本文的换热器系统中，通过嵌入式w e b 传感器完成对现场换热器出口水 温、环境温度、进口水温、进口蒸汽温度和阀门开度等测量，以供专家分析诊断。 1 6 l 换热器远程监控相关技术的研究与应用 1 ) 嵌入式w 曲传感器的体系结构 基于i n t e r n e t 的嵌入式w e b 传感器的实质是在传统传感器的基础上实现信息 化、网络化、智能化和微型化，其核心是使传感器本身实现t c p i p 网络通信协 议，将传感器作为网络节点直接与计算机网络通信，确切地说，嵌入式w 曲传 感器已不再是简单意义上的传感器，它已经将传感器、计算机以及数据智能处理 功能融为一体。图2 1 2 是嵌入式w e b 传感器的体系结构图。 图2 1 2 嵌入式w e b 传感器的体系结构 从图中可看出，传统的传感器只是嵌入式w e b 传感器中的一部分，其核心部 分是完成信号处理、数据交换和控制的嵌入式智能单元以及完成数据传输的 t c p i p 网络接口，通过微处理器和嵌入式操作系统的使用，使传感器本身即可实 现数据采集、处理的智能化和数据传输的t c p i p 网络化。整个传感器的工作机 理是：传感器将被测物理量转换为电信号，通过a d 转换为数字信号，经过微处 理器的数据处理( 滤波、校准) 后将结果传送给网络；与网络的数据交换由基于 t c p i p 协议的网络接口模块完成。嵌入式w e b 传感器的内部存储器存储传感器 的物理特征，如偏移、灵敏度、校准参数等：微处理器实现数据的处理和补偿以 及输出校准；t c p i p 协议实现传感器的直接网络连接【l ”。这样，就把传感器上 的数据通过网络传送给了现场监控服务器，现场的服务器又通过w e b 与数据库 服务器进行通信。这样，在远方的专家或工作人员就能够随时获取现场数据，以 便于及时地控制现场和处理现场发生的错误，达到远程实时监控的目的。而监控 1 7 换热器远程监拧相关技术的研究与应用 级对嵌入式w e b 传感器的访问采用b s 模式，通过其浏览器实现对嵌入式w e b 传 感器的访问。 控制现场是由传感器节点、控制节点和中央控制单元共同构成。传感器节点 用来实现参数测量并将数据传送给网络中的其它节点；控制节点根据需要从网络 中获得需要的数据，并根据这些数据制定相应的控制方法和执行控制输出。 2 ) 嵌入式w e b 传感器的数据采集 嵌入式w e b 传感器中w e b 的工作基于客户机服务器模型，由浏览器和服务器即 传感器构成，两者之间采用h t t p 协议进行通信。因此在传感器的上层协议应该采 用h t t p 协议。同时要实现浏览器与嵌入式w e b 传感器交互，除了需要t c p i p 通信 协议接口外，还要在传感器中提供了一个e e p r o m 存储相应的网页文件。交互时， h t t p 通过统一资源定位器u r l 确定传感器应该为浏览器提供哪些资源。又因为嵌 入式w e b 传感器只需要完成基本参数和采集数据的传递，所以对w e b 功能要求比 较简单，只需要几个简单的控制命令和完成基本的数据传输。浏览器对其访问的 命令有g e t 、p o s t 、r e a d 等，一般只要支持文件获取命令g e t 就可以了。浏览 器文件获取命令g e t 的基本格式为： g e tw e b 超链接对象? & 参数1 = 值& 参数2 = 值h t t p l 0 其中“w e b 超链对象”为所请求的电子文档，“? & 参数1 = 值& 参数2 = 值”为传递给该电子文档的参数，命令中? 号后部分是可选的，若命令中不带? 号，说明浏览器请求的是静态文件，用于返回控制、查询、管理等传感器状态静 态网页；若命令中带? 号，则浏览器发出的是带参数的执行命令，启动可执行的 电子文档程序( 如j a v a 小程序、a c t i v e x 控件、j a 、，ab e a n 等) ，用于直接控制传 感器管理模块，并将传感器返回的数据加上h t t p 文件头，生成动态网页返回给 浏览器。 利用内嵌在网页中的程序a c t i v e x 控件等服务程序，可以很方便的通过 i n t e r a c t 实现传感器信号的远程数据采集，用户可以通过浏览器设定采样参数、 启动采样过程和获取采样数据，嵌入式w e b 服务器返回给浏览器的数据基本格 式为： h t t p i 0 2 0 0 0 k np r n 代表回车、换行符+ c o n t e n t t y p e ：t e x 讹t m l n 严t e x t h t m l 代表网页文件4 换热器远程监控相关技术的研究与应用 c o n t e n t l e n g t h ：采样长度x r k n 严长度为返回的数据字节数+ c o n t e n t f r e q u e n c y ：采样频率、r 、 产长度为返回的数据字节数+ n 产数据区开始符+ d a t a 产返回的数据体+ 用户浏览器访问传感器中的嵌入式w e b 服务器，下载其中内嵌的j a v a d 、程序 或a c t i v e x 控件，然后通过浏览器设定采样长度、采样频率等参数，通过p o s t 命 令传递给w e b 传感器；当w e b 传感器接到a d 命令时，启动信号采集，并将采集的 数据暂时存放于数据缓冲区中；一旦接受到d a i a 指令，则和用户建立t c p i p 连 接，将缓冲区中的数据传递到用户端。其原理框图如下页图2 1 3 所示： 图2 1 3w e b 远程信息采集程序框图 1 9 换热器远程监控相关技术的研究与应用 2 5 2p l o 的选择应用 p l c ( 可编程控制器) 将计算机技术、自动控制技术和通讯技术融为一体，因为 其可靠的性能和方便的编程而广泛应用于工业控制领域【1 6 1 。p l c 与计算机之间的 通讯连接，可以用计算机作为上位机下面连接p l c 作为现场控制机，这样设在监 控中心的微机就能够对分布在现场的具有网络通信功能的p l c 的状态信号、运行 数据和故障类型进行实时远程动态监控、及时预告和排除设备故障”7 1 。 这里选用的是s i m e n s 的s 7 - 3 0 0 可编程控制器，这是一款功能强大的控制器， 适应于中高性能的控制领域。s 7 3 0 0 是s i m a t i c 控制器中用途最广泛的产品，它 已成功地用于范围广泛的自动化领域。它与其他的p l c 相比，有如下的优点： 1 ) 设计紧凑，安装在d i n 导轨上； 2 ) c p u 集成了众多功能，包括i 0 、运动控制功能以及p r o f i b u s p r o f i n e t 总线连接； 3 ) 数据可免维护地长期保存在微存储器卡上( 无需电池) ； 4 ) p r o f i b u s 等时模式； 5 ) 产品系列中具有带故障安全的型号，可以进行功能齐全的智能诊断。 图2 1 4 是$ 7 - 3 0 0 的结构图。 鬟彰攫 图2 1 4s 7 3 0 0 配置图 在对s 7 3 0 0 的配置中，需要根据控制的要求选择模块和c p u 。s 7 3 0 0 的模块 最多可以有3 2 个，其中包括信号模块、接口模块、扩展模块等。除模块外，只需 要d i n 标准的导轨，就可将模块旋转到位，安装在导轨上并由螺钉紧固。这种结 构形式非常牢固而且有高的电磁兼容性。背板总线集成在模板上，通过将模板插 入到总线连接器进行装配。在设计中，重要的一点是进行c p u 的选择，s 7 3 0 0 提 供了很多不同性能的c p u 供控制器使用，根据换热器的控制特点，我们这里选择 的是c p u 3 1 3 c 。我们将s i m e n s 提供的功能模块嵌) k 至l j s 7 3 0 0 中，通过以太网就可 换热器远程监控相关技术的研究与应用 以实现对换热器的控制1 1 8 l 。 图2 1 5s