论文部分内容阅读
摘 要： 集中供热作为人民生活的一项重要组成部分，对人们的生活质量产生了重大影响，因此保障供热可靠性就显示出其重要意义。随着供热面积、管网使用年限的不断增加，集中供热管网事故发生概率也随之增加，面对引起管网故障的各种隐患，在故障发生前消除管网故障隐患对提高集中供热可靠性显得越来越重要。分析总结引起管网事故的原因，找出引起事故主要原因的隐患所在，采用CAN总线的方法，结合ArcGIS，初步提出故障隐患定位的思想方法，为提高集中供热管网供热可靠性提供重要借鉴，同时也为故障隐患点定位的研究提供新的思路。
关键词： CAN总线；热力管网；故障隐患定位
0 引言
集中供热系统遍及城镇、深入社区、联系千家万户，决定了其安全管理工作的复杂性、广泛性和系统性。集中供热系统由热源、热网和热用户三部分组成。其中热网作为供热系统的一个重要组成部分，承担着将热源的热量及时地输送、分配给各个热用户的任务，起到连接二者的桥梁作用。同时热网也是供热系统可靠性的薄弱环节，随着热网规模的增大和使用年数的增多，重大事故发生率不断上升。集中供热管道若出现泄漏，其高温高压热水和蒸汽不仅会烫伤行人，而且鉴于供热系统一旦停止供热，需要修复时间较长的特点，供热事故会造成巨大的人员和经济损失。因此，及时发现泄露故障隐患，对于提高供热可靠性减少供热事故有着重要意义。
1 集中供热管网故障原因分析
针对近年来发生的管网突发故障，进行了大量的事故分析，根据分析结果得出，造成热力管网故障的主要原因大致可分为以下几种：管道及设备腐蚀；管线未按标准施工；管线未按设计图纸施工；外力破坏；操作不当造成的故障；设计缺陷；管道汽水冲击；直埋保温炭化。其中，管道及设备腐蚀是造成管道漏水故障的最主要原因，占全部故障的70%左右。造成管道及设备腐蚀漏水的主要原因是土建结构局部防水失效，进而导致外来水流入，腐蚀管道、设备。经过分析，外来水的主要来源包括以下几方面：① 管线周边绿地水、雨水、马路冲刷作业、污水或自来水管道泄漏，同时小室、管沟结构防水失效，造成外来水渗入，腐蚀小室及沟内管道设备。② 外来水从小室井盖处流入小室内，滴到井口正下方设备上造成腐蚀。③ 直埋管线保温接口不严密，外来水渗入直埋管线保温层内，造成直埋管道设备腐蚀漏水。
2 CAN总线在供热故障定位中的应用
如果能够及时发现热力管道周围的外来水，即可避免由于外来水长期浸泡造成的管道及设备腐蚀，可以大量减少热力管网故障。但热力管道深埋地下，无法直接查看其周围是否被外来水侵蚀。笔者提出用CAN总线的方法，沿热力管道布设CAN总线，隔50米在总线上挂设水探测传感设备，赋予每个探测设备一地址，总线长度可达到千米以上，若干个探测设备挂接在总线上即可监控较大范围，节省了大量的导线。同时，探测设备和总线接口工作时的电源，也由总线上取得，节省了大量的独立电源。当发生外来水侵蚀管道时，探测设备即可把自己的地址通过CAN总线以纯数字信号的形式传至上位机，上位机收到地址，与铺设设备时的实际登记地理位置匹配对应，把其地理坐标传至相关显示程序，最终使水浸管道地点直接在ArcMap上显示其在地图中的位置，利于抢修指挥部门直接派维修人员赶赴现场进行维修，直接把故障隐患排除。
3 CAN总线概述及特点
CAN（Controller Area Network）总线是一种串行数据通信协议，其通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等多项工作。物理层按照IEEE802.3LAN标准构造，实现将数据发送到传输介质上和接收数据流的功能。在数据链路层实现比特流的拼装。CAN首先接收到仲裁场，根据仲裁场的内容判断所接收到的信号是哪种帧格式，用户将相应的数据写入数据场中进行发送，或从数据场中读取接收到的数据。
CAN总线的主要特点如下：
1）可以多主方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活。2）网络上的节点（信息）可分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求。3）可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播几种传送方式接收数据。4）直接通信距离最远可达10km（速率5Kbps以下）。5）通信速率最高可达1MB/s（此时距离最长40m）。6）节点数实际可达110个。7）采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个。8）每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，数据出错率极低。9）通信介质可采用双绞线，同轴电缆和光导纤维，一般采用廉价的双绞线即可，无特殊要求。
4 CAN的通信协议及地址
CAN的通信协议主要由CAN控制器完成。CAN控制器主要由实现CAN总线协议部分和与微控制器接口部分电路组成。本系统采用通信控制器82C200，完成CAN规范所规定的物理层和数据链路层大部分功能，具有微处理器接口，易于连接单片机。根据系统实际情况，本系统CAN2.0标准帧格式的基础上（表1），制定了一个多帧传输的应用层协议。协议中，实用软件滤波，即屏蔽了验收滤波器，将除了帧信息外，包括11位标识符的第二、三字节都进行了分配。分配形式如表2所示。
其中，帧信息可以根据实际情况而定。标识符IDl0一ID3代表模块地址，所以协议理论上可满足256个控制节点，标识符ID2、IDO以及该字节后六位定义为帧类型：命令帧或状态帧，数据信息这样划分简单明了。上位机根据模块地址收集判断节点信息，并下发相应命令。
5 探测电路组成
探测电路主要由水感知电路和数据发送电路两部分组成：两者紧密结合，完成对热力管道周围有无外来水的智能化监控。
电路采用适当的电极型水传感器，布置在热力管道周围区域，也可以多个区域同时监测。主要根据电极浸水阻值变化原理，通过电压检测确定传感器的状态。通过电压比较器，得到外部状态电平，并送往单片机进行检测处理，根据放大器电平的高低，判断探头之间是否有水，也即管道周围有无外来水。
6 网络体系架构
考虑到热力管网分布广泛的特点，总线需要远距离传输情况，整个系统采用了两种总线结构。系统总体结构：网络主要由网桥、CAN总线、中继器和探测布设点构成。网桥作为地上与地下的连接点，实现CAN总线与地上设备的数据通信连接；中继器是连接地下各网段，实现整个网络的扩展，扩大网络覆盖范围。网络体系架构如图2所示。
关键词： CAN总线；热力管网；故障隐患定位
0 引言
集中供热系统遍及城镇、深入社区、联系千家万户，决定了其安全管理工作的复杂性、广泛性和系统性。集中供热系统由热源、热网和热用户三部分组成。其中热网作为供热系统的一个重要组成部分，承担着将热源的热量及时地输送、分配给各个热用户的任务，起到连接二者的桥梁作用。同时热网也是供热系统可靠性的薄弱环节，随着热网规模的增大和使用年数的增多，重大事故发生率不断上升。集中供热管道若出现泄漏，其高温高压热水和蒸汽不仅会烫伤行人，而且鉴于供热系统一旦停止供热，需要修复时间较长的特点，供热事故会造成巨大的人员和经济损失。因此，及时发现泄露故障隐患，对于提高供热可靠性减少供热事故有着重要意义。
1 集中供热管网故障原因分析
针对近年来发生的管网突发故障，进行了大量的事故分析，根据分析结果得出，造成热力管网故障的主要原因大致可分为以下几种：管道及设备腐蚀；管线未按标准施工；管线未按设计图纸施工；外力破坏；操作不当造成的故障；设计缺陷；管道汽水冲击；直埋保温炭化。其中，管道及设备腐蚀是造成管道漏水故障的最主要原因，占全部故障的70%左右。造成管道及设备腐蚀漏水的主要原因是土建结构局部防水失效，进而导致外来水流入，腐蚀管道、设备。经过分析，外来水的主要来源包括以下几方面：① 管线周边绿地水、雨水、马路冲刷作业、污水或自来水管道泄漏，同时小室、管沟结构防水失效，造成外来水渗入，腐蚀小室及沟内管道设备。② 外来水从小室井盖处流入小室内，滴到井口正下方设备上造成腐蚀。③ 直埋管线保温接口不严密，外来水渗入直埋管线保温层内，造成直埋管道设备腐蚀漏水。
2 CAN总线在供热故障定位中的应用
如果能够及时发现热力管道周围的外来水，即可避免由于外来水长期浸泡造成的管道及设备腐蚀，可以大量减少热力管网故障。但热力管道深埋地下，无法直接查看其周围是否被外来水侵蚀。笔者提出用CAN总线的方法，沿热力管道布设CAN总线，隔50米在总线上挂设水探测传感设备，赋予每个探测设备一地址，总线长度可达到千米以上，若干个探测设备挂接在总线上即可监控较大范围，节省了大量的导线。同时，探测设备和总线接口工作时的电源，也由总线上取得，节省了大量的独立电源。当发生外来水侵蚀管道时，探测设备即可把自己的地址通过CAN总线以纯数字信号的形式传至上位机，上位机收到地址，与铺设设备时的实际登记地理位置匹配对应，把其地理坐标传至相关显示程序，最终使水浸管道地点直接在ArcMap上显示其在地图中的位置，利于抢修指挥部门直接派维修人员赶赴现场进行维修，直接把故障隐患排除。
3 CAN总线概述及特点
CAN（Controller Area Network）总线是一种串行数据通信协议，其通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等多项工作。物理层按照IEEE802.3LAN标准构造，实现将数据发送到传输介质上和接收数据流的功能。在数据链路层实现比特流的拼装。CAN首先接收到仲裁场，根据仲裁场的内容判断所接收到的信号是哪种帧格式，用户将相应的数据写入数据场中进行发送，或从数据场中读取接收到的数据。
CAN总线的主要特点如下：
1）可以多主方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活。2）网络上的节点（信息）可分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求。3）可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播几种传送方式接收数据。4）直接通信距离最远可达10km（速率5Kbps以下）。5）通信速率最高可达1MB/s（此时距离最长40m）。6）节点数实际可达110个。7）采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个。8）每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，数据出错率极低。9）通信介质可采用双绞线，同轴电缆和光导纤维，一般采用廉价的双绞线即可，无特殊要求。
4 CAN的通信协议及地址
CAN的通信协议主要由CAN控制器完成。CAN控制器主要由实现CAN总线协议部分和与微控制器接口部分电路组成。本系统采用通信控制器82C200，完成CAN规范所规定的物理层和数据链路层大部分功能，具有微处理器接口，易于连接单片机。根据系统实际情况，本系统CAN2.0标准帧格式的基础上（表1），制定了一个多帧传输的应用层协议。协议中，实用软件滤波，即屏蔽了验收滤波器，将除了帧信息外，包括11位标识符的第二、三字节都进行了分配。分配形式如表2所示。
其中，帧信息可以根据实际情况而定。标识符IDl0一ID3代表模块地址，所以协议理论上可满足256个控制节点，标识符ID2、IDO以及该字节后六位定义为帧类型：命令帧或状态帧，数据信息这样划分简单明了。上位机根据模块地址收集判断节点信息，并下发相应命令。
5 探测电路组成
探测电路主要由水感知电路和数据发送电路两部分组成：两者紧密结合，完成对热力管道周围有无外来水的智能化监控。
电路采用适当的电极型水传感器，布置在热力管道周围区域，也可以多个区域同时监测。主要根据电极浸水阻值变化原理，通过电压检测确定传感器的状态。通过电压比较器，得到外部状态电平，并送往单片机进行检测处理，根据放大器电平的高低，判断探头之间是否有水，也即管道周围有无外来水。
6 网络体系架构
考虑到热力管网分布广泛的特点，总线需要远距离传输情况，整个系统采用了两种总线结构。系统总体结构：网络主要由网桥、CAN总线、中继器和探测布设点构成。网桥作为地上与地下的连接点，实现CAN总线与地上设备的数据通信连接；中继器是连接地下各网段，实现整个网络的扩展，扩大网络覆盖范围。网络体系架构如图2所示。