基于MDA的能源監測與評測系統設計

李 軍

(武漢職業技術學院 電子信息工程學院，武漢 430074)

基于MDA的能源監測與評測系統設計

李 軍

(武漢職業技術學院 電子信息工程學院，武漢 430074)

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

模型驅動架構;能源審計;監測系統

能源數據具有標準化、專業化、科學化、時效性強的特點，采集難度較高。因此，企業能源監測系統必須滿足專業性強、實時性好、可進行遠程資料交換、可用性強的需求。另一方面，因企業千差萬別，其能源類型、能源轉換過程、能耗評估指標都存在著鮮明的區別，因此企業能源監測分析系統必須能靈活定制、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測與評測系統的實施方法［1］。

圖1 系統軟件開發模式

1 系統軟件開發模式

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

在MDA模式的軟件體系結構下，首先明確軟件開發的模型、相關的數據組織方式以及和智能儀表的通信方式和契約，為建立軟件體系結構以及CASE方法建立基本理論基礎;接著對能源審計的業務流程進行詳細分析，針對這些特點，提出一種根據以用戶角色劃分的CASE概念，然后建立一種軟件體系結構與之相對應，如圖1所示。

2 軟件組件系統的實現

本系統的實現由4組子系統構成。

2.1 審計定制子系統

審計定制子系統包含了用戶系統權限的分配和定制類別的生成。在定制系統的初期通過管理員的設置可以提供系統用戶相關的使用權限和使用功能。使得用戶在擁有的權限內進行細致的分工并進行操作。該子系統可以方便用戶和管理員根據企業或用戶的不同情況來定制系統實現的審計方式。用戶可以方便地通過列表或要素查詢來建立審計的相關領域選擇以及擴展基礎配置。通過管理員為用戶實現的基礎配置，用戶可以將相關領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構。管理員主要通過該系統定制客戶需要的審計方式和相關規則，分配用戶所需的級別和任務的實現方式，幫助客戶定制相關的審計模式，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 數據采集子系統

數據的采集主要是為用戶提供需要獲取能源監控設備的實時信息，在通信接口中封裝了現代工業場合應用比較普遍的Modbus協議和微軟推出的OPC接口標準，以幫助用戶在不同的場合兼容更多采集設備采集流程中數據被轉化為標準的數據集，最終數據集會存儲到定制的能源數據庫當中，可以方便地提供數據的瀏覽和回放。回放方式采用的是提取數據集后動態地加載到內存中，以提高整體的訪問效率和操作性。按國家相關標準［5-6］的要求，數據采集終端及監測網絡的技術參數為:終端裝置平均無故障時間30 000 h，快速準確采集、傳輸、顯示數據，準確無誤地記錄公用動力能源系統、電力系統、配電設備、熱力設備、燃料設備的全部參數，各參數測量誤差不大于±1﹪。實時數據刷新時間響應小于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路標準工業模擬信號輸入接口;具備數據通信接口，能與網絡設備接口;具有大尺寸LCD屏幕和6個輸入鍵，可實時顯示數據采集狀態;具有標準SD卡接口，可實現終端設備離網狀態下的數據存儲。

2.3 能源管理子系統

對于用戶采集的數據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據采集子系統中方便地獲取。在能源審計的初期，用戶需要審計的信息以任務的方式保存到相應的數據文件中。數據文件中包含了用戶定制的系統審計方案的要素信息和審計內容實現的細節，不同權限的用戶通過修改、刪除、掛起等操作可以方便地將相關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

分析的數據將以采集子系統中提取的數據集為數據評估和分析的基礎，用戶可以根據擁有的權限生成各種專題圖實施最后的評估。其中的表現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據庫中。同時，保存的列表將以索引的形式存在，其對應的集數包含了所在子樹的級數以及字段的相關信息。這樣可以方便轉換成不同類型的數據文件供用戶打印和轉發。

3 能源采集終端的功能實現

如何高效實時地完成能源數據的采集、分析、以及傳輸是本系統的關鍵。為此，針對能源審計應用的特殊需求，采用了較為成熟的嵌入式軟硬件開發模型，將MSP430系列極低功耗處理器、實時多任務操作系統、通用數據通信協議、高精度信號處理算法、大容量固態存儲介質等相結合，在單處理器系統結構下實現了能源數據的采集、分析、傳輸以及存儲。

圖2 能源采集終端設備結構示意圖

本系統的能源采集終端設備，包括信號采集和分析處理單元，其結構示意圖如圖2所示。

3.1 硬件設計

人機界面及顯示模塊，采用了圖形液晶及鍵盤輸入，其電路結構如圖3、圖4所示。

圖3 鍵盤電路

圖4 液晶顯示電路

鍵盤設置有6個功能輸入;液晶電路支持多種規格液晶顯示屏，背光可控制，對比度可調節:便捷的人機界面使得在工業現場能實現實時數據監測顯示、參數設置等功能。

數據采集模塊，實現模擬信號采集調理，本系統支持8路模擬信號采集，每一路采集電路的結構如圖5所示。采用較高精度的rail-to-rail儀用運放調理信號，輸入端保護，改變輸入電阻的設置即可與不同工業標準的輸入信號如0～5 V信號、4～25 mA信號相匹配。

通信模塊設計支持多種網絡的可配置結構，包括在一個串行通訊口上實現的可配置的RS232網絡和RS485網絡，其電路結構如圖6所示。

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

圖5 數據采集模塊

圖6 電路原理圖-RS232

圖7 電路實現原理圖-RS485

在存儲模塊方面:傳統RTU記錄數據的方式有的局限于網絡、有的局限于離線存儲設備，本系統數據采集設備將二者結合起來，實現了更優化的數據存儲解決方案，對于不便安裝網絡的現場，離線存儲設備成為大批量數據的可靠選擇，在網絡處于檢修或者忙狀態，離線存儲設備為實時數據記錄備份。二者結合的另一優點在于系統可對離線存儲設備的數據實施加密，讀取時解密并可與網絡傳輸數據比對，確保數據的真實性并為能源檢測機構提供準確可信的數據，在本裝置中已實現基于SPI方式的SD卡的FAT16文件系統，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，主要提供了數據的讀入及輸出。輸入采用了先進的ADI磁耦隔離技術芯片。

由于應用模塊化的設計思想，本系統中的設備跟傳統能源計量分析設備相比，具有功能靈活配置，應用多樣化、網絡構建便捷，可根據用戶需求進行最優組合。在線與離線數據具有比對性，提供準確可信數據等優點。

圖8 存儲模塊

3.2 軟件設計

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接口、以及內置高速16 bit乘法器。整個系統實現在高性能實時多任務操作系統上。

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

SD卡實現通用的FAT16文件系統格式，其中存儲的數據文件格式可靈活選擇，基于windows等支持FAT16格式的操作系統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?？商峁┏浞侄嗟拇鎯臻g。

在RS232或者RS485的串行網絡上，實現了工業標準Modbus協議的一個子集，與中央控制中心實現通訊。

對于輸入模擬信號，每次采樣周期的間隔可根據用戶的現場需求進行配置，信號諧波分析點數同樣可配置，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，可進行16點、32點、64點采樣，由FFT分析采樣數據后給出電能質量參數，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 結論

改變了傳統設計中的結構模式，建立了基于MDA的能源監測與評測的系統，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、報告匯總的工作規范化并為審計工作提供有力的原始依據，提高能源審計效率。系統的能源采集終端設備軟硬件按照現場要求靈活配置，同一設備可應用在不同現場，采集分析不同的量，擴大了同一設備的應用范圍。采集終端軟件在開發設計時充分考慮到配置性、擴展性，創新性地實現了在嵌入式系統中軟硬件模塊化結合的設計思路。

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

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

［3］張廣勝，蔣昌俊，湯憲飛.面向服務的企業應用集成系統描述與驗證［J］.軟件學報，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］國家經貿委，國家技術監督局標準化司.GB/T 15316-1994節能監測技術通則［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企業能耗計量與測試導則［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研究計劃指導性項目“基于MDA的能源監測與評測系統”(B20106001)

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