基于MDA的能源監(jiān)測與評測系統(tǒng)設(shè)計

李 軍

(武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，武漢 430074)

基于MDA的能源監(jiān)測與評測系統(tǒng)設(shè)計

李 軍

(武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，武漢 430074)

利用模型驅(qū)動架構(gòu)(MDA)以及自動生成方法，針對企業(yè)用戶的不同需求，為用戶建立一種用例式的能源監(jiān)測與評測系統(tǒng)。詳細論述了系統(tǒng)軟、硬件的設(shè)計方法，結(jié)果表明，該系統(tǒng)能確保企業(yè)對能源的合理使用和控制管理，提高能源審計效率。

模型驅(qū)動架構(gòu);能源審計;監(jiān)測系統(tǒng)

能源數(shù)據(jù)具有標準化、專業(yè)化、科學(xué)化、時效性強的特點，采集難度較高。因此，企業(yè)能源監(jiān)測系統(tǒng)必須滿足專業(yè)性強、實時性好、可進行遠程資料交換、可用性強的需求。另一方面，因企業(yè)千差萬別，其能源類型、能源轉(zhuǎn)換過程、能耗評估指標都存在著鮮明的區(qū)別，因此企業(yè)能源監(jiān)測分析系統(tǒng)必須能靈活定制、可擴展功能、使用和操作方便等。利用MDA模型以及自動生成方法，為用戶建立一種用例式的能源監(jiān)測與評測系統(tǒng)的實施方法［1］。

圖1 系統(tǒng)軟件開發(fā)模式

1 系統(tǒng)軟件開發(fā)模式

MDA(Model Driven Architecture，模型驅(qū)動架構(gòu))是一種新的用于編寫規(guī)范和開發(fā)應(yīng)用程序的途徑。它把建模語言用作一種編程語言而不僅僅是設(shè)計語言，并以一種全新的方式將IT技術(shù)的一系列新的趨勢性技術(shù)整合到一起。這些技術(shù)包括基于組件的開發(fā)、設(shè)計模式、中間件、說明性約束、抽象、多層系統(tǒng)、企業(yè)應(yīng)用整合以及契約式設(shè)計等［2-4］。

在MDA模式的軟件體系結(jié)構(gòu)下，首先明確軟件開發(fā)的模型、相關(guān)的數(shù)據(jù)組織方式以及和智能儀表的通信方式和契約，為建立軟件體系結(jié)構(gòu)以及CASE方法建立基本理論基礎(chǔ);接著對能源審計的業(yè)務(wù)流程進行詳細分析，針對這些特點，提出一種根據(jù)以用戶角色劃分的CASE概念，然后建立一種軟件體系結(jié)構(gòu)與之相對應(yīng)，如圖1所示。

2 軟件組件系統(tǒng)的實現(xiàn)

本系統(tǒng)的實現(xiàn)由4組子系統(tǒng)構(gòu)成。

2.1 審計定制子系統(tǒng)

審計定制子系統(tǒng)包含了用戶系統(tǒng)權(quán)限的分配和定制類別的生成。在定制系統(tǒng)的初期通過管理員的設(shè)置可以提供系統(tǒng)用戶相關(guān)的使用權(quán)限和使用功能。使得用戶在擁有的權(quán)限內(nèi)進行細致的分工并進行操作。該子系統(tǒng)可以方便用戶和管理員根據(jù)企業(yè)或用戶的不同情況來定制系統(tǒng)實現(xiàn)的審計方式。用戶可以方便地通過列表或要素查詢來建立審計的相關(guān)領(lǐng)域選擇以及擴展基礎(chǔ)配置。通過管理員為用戶實現(xiàn)的基礎(chǔ)配置，用戶可以將相關(guān)領(lǐng)域中包含的一些審計特點進行綜合，并生成定制審計步驟、審計人員以及審計組織結(jié)構(gòu)。管理員主要通過該系統(tǒng)定制客戶需要的審計方式和相關(guān)規(guī)則，分配用戶所需的級別和任務(wù)的實現(xiàn)方式，幫助客戶定制相關(guān)的審計模式，從而使特定的用戶可以直接使用管理員定制的審計方案和審計的流程。

2.2 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)的采集主要是為用戶提供需要獲取能源監(jiān)控設(shè)備的實時信息，在通信接口中封裝了現(xiàn)代工業(yè)場合應(yīng)用比較普遍的Modbus協(xié)議和微軟推出的OPC接口標準，以幫助用戶在不同的場合兼容更多采集設(shè)備采集流程中數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)化為標準的數(shù)據(jù)集，最終數(shù)據(jù)集會存儲到定制的能源數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，可以方便地提供數(shù)據(jù)的瀏覽和回放。回放方式采用的是提取數(shù)據(jù)集后動態(tài)地加載到內(nèi)存中，以提高整體的訪問效率和操作性。按國家相關(guān)標準［5-6］的要求，數(shù)據(jù)采集終端及監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)參數(shù)為:終端裝置平均無故障時間30 000 h，快速準確采集、傳輸、顯示數(shù)據(jù)，準確無誤地記錄公用動力能源系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、配電設(shè)備、熱力設(shè)備、燃料設(shè)備的全部參數(shù)，各參數(shù)測量誤差不大于±1﹪。實時數(shù)據(jù)刷新時間響應(yīng)小于1 s，測量誤差不大于±0.5﹪，測量亂碼率不大于0.1﹪。1路三相電能采集輸入接口、2個能源計量儀表脈沖輸入接口、2路標準工業(yè)模擬信號輸入接口;具備數(shù)據(jù)通信接口，能與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口;具有大尺寸LCD屏幕和6個輸入鍵，可實時顯示數(shù)據(jù)采集狀態(tài);具有標準SD卡接口，可實現(xiàn)終端設(shè)備離網(wǎng)狀態(tài)下的數(shù)據(jù)存儲。

2.3 能源管理子系統(tǒng)

對于用戶采集的數(shù)據(jù)筆者提供了比較先進的管理方式，所有的能源消耗和能源的使用都可以從數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)中方便地獲取。在能源審計的初期，用戶需要審計的信息以任務(wù)的方式保存到相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件中。數(shù)據(jù)文件中包含了用戶定制的系統(tǒng)審計方案的要素信息和審計內(nèi)容實現(xiàn)的細節(jié)，不同權(quán)限的用戶通過修改、刪除、掛起等操作可以方便地將相關(guān)的變化映射到處理的過程中，文件的最終生成包含了版本的信息和歷史的修改記錄。

2.4 能源分析子系統(tǒng)

分析的數(shù)據(jù)將以采集子系統(tǒng)中提取的數(shù)據(jù)集為數(shù)據(jù)評估和分析的基礎(chǔ)，用戶可以根據(jù)擁有的權(quán)限生成各種專題圖實施最后的評估。其中的表現(xiàn)形式將以直觀的餅狀圖、柱狀圖、趨勢圖顯示。評估的報告將保存到數(shù)據(jù)庫中。同時，保存的列表將以索引的形式存在，其對應(yīng)的集數(shù)包含了所在子樹的級數(shù)以及字段的相關(guān)信息。這樣可以方便轉(zhuǎn)換成不同類型的數(shù)據(jù)文件供用戶打印和轉(zhuǎn)發(fā)。

3 能源采集終端的功能實現(xiàn)

如何高效實時地完成能源數(shù)據(jù)的采集、分析、以及傳輸是本系統(tǒng)的關(guān)鍵。為此，針對能源審計應(yīng)用的特殊需求，采用了較為成熟的嵌入式軟硬件開發(fā)模型，將MSP430系列極低功耗處理器、實時多任務(wù)操作系統(tǒng)、通用數(shù)據(jù)通信協(xié)議、高精度信號處理算法、大容量固態(tài)存儲介質(zhì)等相結(jié)合，在單處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下實現(xiàn)了能源數(shù)據(jù)的采集、分析、傳輸以及存儲。

圖2 能源采集終端設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

本系統(tǒng)的能源采集終端設(shè)備，包括信號采集和分析處理單元，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

3.1 硬件設(shè)計

人機界面及顯示模塊，采用了圖形液晶及鍵盤輸入，其電路結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示。

圖3 鍵盤電路

圖4 液晶顯示電路

鍵盤設(shè)置有6個功能輸入;液晶電路支持多種規(guī)格液晶顯示屏，背光可控制，對比度可調(diào)節(jié):便捷的人機界面使得在工業(yè)現(xiàn)場能實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)監(jiān)測顯示、參數(shù)設(shè)置等功能。

數(shù)據(jù)采集模塊，實現(xiàn)模擬信號采集調(diào)理，本系統(tǒng)支持8路模擬信號采集，每一路采集電路的結(jié)構(gòu)如圖5所示。采用較高精度的rail-to-rail儀用運放調(diào)理信號，輸入端保護，改變輸入電阻的設(shè)置即可與不同工業(yè)標準的輸入信號如0～5 V信號、4～25 mA信號相匹配。

通信模塊設(shè)計支持多種網(wǎng)絡(luò)的可配置結(jié)構(gòu)，包括在一個串行通訊口上實現(xiàn)的可配置的RS232網(wǎng)絡(luò)和RS485網(wǎng)絡(luò)，其電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

如前所述，RS485網(wǎng)絡(luò)輸出均采用了最先進的ADI磁耦隔離技術(shù)，芯片響應(yīng)速度(2 ns級)較傳統(tǒng)的光耦器件大為提高，隔離電壓也相應(yīng)提高(〉25 kV/μs)。

圖5 數(shù)據(jù)采集模塊

圖6 電路原理圖-RS232

圖7 電路實現(xiàn)原理圖-RS485

在存儲模塊方面:傳統(tǒng)RTU記錄數(shù)據(jù)的方式有的局限于網(wǎng)絡(luò)、有的局限于離線存儲設(shè)備，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備將二者結(jié)合起來，實現(xiàn)了更優(yōu)化的數(shù)據(jù)存儲解決方案，對于不便安裝網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場，離線存儲設(shè)備成為大批量數(shù)據(jù)的可靠選擇，在網(wǎng)絡(luò)處于檢修或者忙狀態(tài)，離線存儲設(shè)備為實時數(shù)據(jù)記錄備份。二者結(jié)合的另一優(yōu)點在于系統(tǒng)可對離線存儲設(shè)備的數(shù)據(jù)實施加密，讀取時解密并可與網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)比對，確保數(shù)據(jù)的真實性并為能源檢測機構(gòu)提供準確可信的數(shù)據(jù)，在本裝置中已實現(xiàn)基于SPI方式的SD卡的FAT16文件系統(tǒng)，其記錄的文件可方便地與主機進行交互，其原理圖如圖8所示。

輸入輸出部分，主要提供了數(shù)據(jù)的讀入及輸出。輸入采用了先進的ADI磁耦隔離技術(shù)芯片。

由于應(yīng)用模塊化的設(shè)計思想，本系統(tǒng)中的設(shè)備跟傳統(tǒng)能源計量分析設(shè)備相比，具有功能靈活配置，應(yīng)用多樣化、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建便捷，可根據(jù)用戶需求進行最優(yōu)組合。在線與離線數(shù)據(jù)具有比對性，提供準確可信數(shù)據(jù)等優(yōu)點。

圖8 存儲模塊

3.2 軟件設(shè)計

由于中心處理單元采用16位高速低功耗MSP430處理器，充分利用了該處理器豐富的外設(shè)接口、以及內(nèi)置高速16 bit乘法器。整個系統(tǒng)實現(xiàn)在高性能實時多任務(wù)操作系統(tǒng)上。

LCD顯示模塊由軟件模擬讀寫時序，在處理器內(nèi)部的FLASH中生成漢字字庫，構(gòu)建中文菜單。

SD卡實現(xiàn)通用的FAT16文件系統(tǒng)格式，其中存儲的數(shù)據(jù)文件格式可靈活選擇，基于windows等支持FAT16格式的操作系統(tǒng)可直接對文件進行讀取，不用自己定義編碼文件格式。FAT16最大可支持到2GB SD卡。可提供充分多的存儲空間。

在RS232或者RS485的串行網(wǎng)絡(luò)上，實現(xiàn)了工業(yè)標準Modbus協(xié)議的一個子集，與中央控制中心實現(xiàn)通訊。

對于輸入模擬信號，每次采樣周期的間隔可根據(jù)用戶的現(xiàn)場需求進行配置，信號諧波分析點數(shù)同樣可配置，在信息量與處理器負載之間取得平衡，對三相交流電能的每個周期內(nèi)，可進行16點、32點、64點采樣，由FFT分析采樣數(shù)據(jù)后給出電能質(zhì)量參數(shù)，對其他緩慢變化類型的信號如流量等則可采用間隔較長的采樣方式。

4 結(jié)論

改變了傳統(tǒng)設(shè)計中的結(jié)構(gòu)模式，建立了基于MDA的能源監(jiān)測與評測的系統(tǒng)，通過定制生成的流程管理鏈，方便地將能源計量與巡查、賬目檢查、報告匯總的工作規(guī)范化并為審計工作提供有力的原始依據(jù)，提高能源審計效率。系統(tǒng)的能源采集終端設(shè)備軟硬件按照現(xiàn)場要求靈活配置，同一設(shè)備可應(yīng)用在不同現(xiàn)場，采集分析不同的量，擴大了同一設(shè)備的應(yīng)用范圍。采集終端軟件在開發(fā)設(shè)計時充分考慮到配置性、擴展性，創(chuàng)新性地實現(xiàn)了在嵌入式系統(tǒng)中軟硬件模塊化結(jié)合的設(shè)計思路。

［1］吳涌，錢俊彥，劉園.基于MDA的構(gòu)件開發(fā)方法研究與應(yīng)用［J］.微計算機信息，2010(27):198-200.

［2］焦德忠，劉勇.基于MDA和SOA的建模與設(shè)計研究［J］.通信技術(shù)，2010(5):204-205.

［3］張廣勝，蔣昌俊，湯憲飛.面向服務(wù)的企業(yè)應(yīng)用集成系統(tǒng)描述與驗證［J］.軟件學(xué)報，2007，18(12):3015-3030.

［4］侯金奎，萬建成，張玉艷.一種支持 MDA的 PIM 建模方法［J］.計算機工程，2007，33(8):71-73.

［5］國家經(jīng)貿(mào)委，國家技術(shù)監(jiān)督局標準化司.GB/T 15316-1994節(jié)能監(jiān)測技術(shù)通則［S］.北京:中國標準出版社，1995.

［6］中華人民共和國國家標準局.GB/T 6422-1986企業(yè)能耗計量與測試導(dǎo)則［S］.北京:中國標準出版社，1987.

MDA-Based Energy Monitoring and Evaluation System

LI Jun
(Department of Electronics and Information Engineering，Wuhan Polytechnic，Wuhan 430074，China)

According to user requirements，a model driven architecture(MDA)-based energy monitoring and evaluation system is built.The design of system software and hardware is described in detail.Results show that the system can help enterprises consume and control energy efficiently.

MDA;energy consumption;monitoring system

TP23

A

1008-5440(2011)04-0022-04

2011-09-11

湖北省教育廳科研技術(shù)研究計劃指導(dǎo)性項目“基于MDA的能源監(jiān)測與評測系統(tǒng)”(B20106001)

李軍(1976-)，男(回族)，河南唐河人，副教授，碩士，研究方向:電力電子裝置狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷等。