- 基于測控網絡的供暖節能控制系統的應用
- 發布時間：2016-05-13丨 發布人：
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1 硬件系統
供暖系統由集中控制器、溫度測量系統、蝶閥電機控制系統和計算機系統四大部分組成，通過RS-485總線把它們連接成為測控網絡，系統結構示意圖如圖1所示。
圖1中，溫度測量系統負責采集住戶室內溫度、室外溫度、鍋爐出水溫度、混合水溫度和回水溫度，通過測控網絡實時地將溫度數據傳送給集中控制器進行處理。蝶閥電機控制系統根據從集中控制器發來的操作命令控制蝶閥的開啟度，從而控制通過旁管的回水流量。集中控制器通過測控網絡接收各個采樣點采集的溫度數據進行保存和處理，根據處理結果控制蝶閥電機動作，以達到自動控制住戶室內溫度的目的。為了遠程實時監控供暖溫度，保存大量的供暖運行數據，系統配有一臺PC機，以便管理人員進行網上遠程監測和系統擴展。
1.1集中控制器設計
集中控制器是整個控制系統的核心，負責遠程溫度數據采集、蝶閥電機控制、溫度數據打印、系統運行設置、系統信息顯示以及與PC機的通訊等。集中控制器由89C51、PCF8583、AT24C512、MAX485、LED顯示器和微型打印機組成，可以保存和查看供暖系統的所有信息，如：溫度信息、閥門狀態、當前時間和當前用戶個數等。可以分別對各個用戶的任何時間的供暖溫度數據進行打印，系統結構如圖2所示。
集中控制器要完成以下任務：
①數據顯示。集中控制器將采集到的數據實時的顯示出來，數據顯示采用十四個LED數碼管進行動態掃描顯示。工作狀態下顯示的內容包括：當前用戶的數量、各個用戶的室內溫度、所有用戶室溫的平均值、鍋爐出水溫度、混合水溫度、回水溫度和室外天氣溫度以及蝶閥的偏轉角度。控制狀態下顯示的內容包括：需要進行采樣室溫的用戶數量、用戶理想室溫預設值、需要打印溫度數據日期和當前時鐘(包括年月日時分秒)等。
②數據打印。供暖溫度數據不僅需要顯示，還需要在必要的時候將以前的溫度數據打印出來。打印機選用的是沈陽新榮達電子的MP系列漢字微型打印機MP-D16-8+，它是帶漢字字庫的智能型打印機，每行可打印16個字符。通過集中控制器的控制可打印某月某日的所有用戶的供暖溫度數據。
③數據存儲。供暖溫度的數據要查看和打印，就要事先將它們存儲起來。存儲芯片選用I2C接口的E2PROM類芯片AT24C512。AT24C512具有64K字節的存儲空間，且具有10萬次的擦寫能力，數據能夠保存40年不丟失。如果每兩個小時對各個采樣點的數據進行一次存儲，可以存儲17個采集點一年的供暖溫度數據。另外存儲芯片還保存有一些系統的其他重要信息，如：系統密碼等。
④實時時鐘。待查看和打印的供暖數據，需要與具體的時間一一對應起來，否則這些數據就沒有實際意義。只有將溫度數據與具體的時間聯系起來，才能反映具體的供暖情況。系統采用專用時鐘芯片PCF8583，設置好其工作方式后，能夠自動運行，在需要的時候可以讀取時鐘數據。為防止系統掉電，采用一組電池對時鐘芯片單獨供電，這樣就不需在系統掉電后重啟時重新設置時間。PCF8583是一款帶有256個字節的時鐘/日歷芯片。地址和數據通過I2C總線傳輸。在每次對數據字節的讀或寫操作后，內建的字地址寄存器自動增加。芯片內置的32.768KHz振蕩器和RAM的前8個字節用于時鐘/日歷和計數器功能。不過在系統初次開機時需設置一個時間值。
⑤與溫度測量系統及蝶閥電機控制系統的通訊。要顯示和存儲供暖數據，就需要對溫度數據及時采集。并且要實時地通知蝶閥電機控制系統進行相應的控制。智能化儀器之間進行的遠距離通訊，現在可以用的方法很多，如RS485、CAN或因特網等都可以實現。RS485網絡通信距離最多是1Km，且其最多可驅動的32個儀表;CAN通信距離可達10Km，而因特網通信距離可達世界每個角落。但是，考慮到成本和實際需求，系統采用RS485網絡進行數據傳輸，且如果網絡距離超過1Km，可以添加RS-485中繼器(程凱等，2004)。
⑥與PC機的通訊。PC機要顯示存儲數據，需從集中控制器采集溫度數據。目前與PC機的通訊用的最多的就是RS232方式，它最遠的傳輸距離是15m左右，能夠滿足此系統要求(龔建偉，2001)。當然，如果特殊情況下想把PC機放在辦公室，而集中控制器放在鍋爐房，那么用RS232-485轉換器即可實現(MariodeSousa.2001)。
1.2溫度測量系統設計
溫度測量系統包括用戶數字溫度測量儀、鍋爐出水溫度測量儀、回水溫度測量儀、混合水溫度測量儀和室外天氣溫度測量儀。用戶數字溫度測量儀主要采集用戶的室內溫度，然后送給集中控制器進行處理，再由蝶閥電機控制系統調節閥門開啟度的大小來保證用戶室溫在一個穩定舒適的范圍內。如保證白天用戶的室內溫度在18℃左右，夜晚用戶的室內溫度在10℃左右。鍋爐出水溫度測量儀、回水溫度測量儀、混合水溫度測量儀和室外天氣溫度測量儀主要用來給工作人員隨時監測整個供熱
系統所處的環境和運行情況，以便即時調整燃料用量，降低能耗。用戶數字溫度測量儀的電路框圖如圖3所示。
溫度測量芯片采用集成智能數字溫度傳感器DS18B20。DS18B20是DALLAS公司生產的單總線式數字溫度傳感器，測溫范圍為-55℃～+125℃，轉換精度為9～12位二進制數(包括符號一位)，可編程決定轉換精度的位數，測溫分辨力是：9位精度為0.5℃,12位精度為0.0625℃，轉換時間是：9位精度為93.75ms,10位精度為187.5ms,12位精度為750ms，且具有非易失性上、下限報警設定的功能。用戶室內溫度的精確度為0.1℃，測量溫度范圍為0.0℃～99.9℃。所以選擇該溫度傳感器完全滿足系統設計要求(陳永信，2002)。
室外天氣溫度測量儀的軟、硬件和用戶數字室溫測量儀類似，只要去掉顯示部分即可。而鍋爐出水溫度測量儀、回水溫度測量儀和混合水溫度測量儀的軟、硬件和室外天氣溫度測量儀完全相同。所有的溫度測量儀與集中控制器之間采用RS-485總線組成的測控網絡進行數據傳輸。
1.3蝶閥電機控制系統設計
蝶閥電機控制系統主要是接收集中控制器的命令來控制閥門的轉動，包括閥門正反轉、轉動時間長短等。轉動完成后利用蝶閥內部的可調電阻計算當前的閥門開啟角度，同時將閥門的角度值傳送給集中控制器，系統框圖如圖4：
通訊部分的設計與溫度測量儀相同，采用RS-485網絡與集中控制器進行信息傳輸。電機驅動部分用雙向光耦控制雙向可控硅(晶閘管)實現蝶閥電機的正反轉。同時，因為蝶閥的開啟角度變化時，內部的可變電阻的阻值會跟著改變，利用這一特點結合微處理器AT89C2051內部的精密模擬比較器組成A/D轉換器就可以測出這個可變電阻的具體阻值，從而間接得到蝶閥的開啟角度。
蝶閥選用的是LQ系列的電動蝶閥(單相220V電機，60W)。圖5是電動蝶閥的結構示意圖。引腳?1、?2、?3是蝶閥內部可變電阻的3個輸出腳，實際應用中可選?1、?2或?2、?3中的一對，相應的電阻值會隨著蝶閥旋轉角度的變化而變化。利用這一點可獲得蝶閥的偏轉角度。?4～?9腳是一些控制腳，內部由一些限位開關組成。?4是公共端，?8，?9是開、關到位指示，在蝶閥開到位或者關到位而沒有徹底卡死時起指示作用。?7是故障指示，在蝶閥轉動角度過大造成卡死以后，起到指示作用。一般用?4-?8通路表示蝶閥基本開到位，?4-?9通路表示蝶閥基本關到位，這時不允許繼續開或關電機，否則會造成蝶閥卡死。如果卡死，則?4-?7之間通路，蝶閥卡死以后電機不能就會對閥門的轉動失去控制，這時需要使用手柄去轉動閥門。D1、D2、D3是三個交流電源接線端子，它們控制電機的正反轉，且D1是公共端。
當D1、D2通以220V交流電時，電機正轉，當D1、D3通以220V交流電時，電機反轉。
2 軟件系統設計
為了便于對以前各年的大量的供暖數據記錄進行查看，為該節能供暖控制系統配置了一臺PC機(系統運行控制臺)，可以將所有的供暖數據都保存在電腦里。用電腦來保存數據不僅使得溫度數值的顯示更加直觀，而且數據保存的可靠性更強。所有的供暖數據也有可移植性，例如可把溫度數據記錄通過軟盤等磁盤工具移動到任何地方(如物業管理中心)，這就更加便于管理人員的查看和研究。PC機部分的軟件采用VB編程，通過串行口與集中控制器進行通訊。PC機系統軟件的界面——“節能供暖控制臺”如下：
PC機每隔兩個小時對集中控制器中的供暖數據進行采集(也可通過“采樣”按鈕進行實時采集)，采集回來的供暖數據經過處理后，首先存入數據庫，然后再送到應用程序窗口中的表格進行顯示。在PC機與集中控制器串行口通訊的軟件編程中，采用VB6.0的MSComm通信控件進行通訊程序設計，MSComm通信控件允許建立串口連接，可以連接到其他通信設備(如Modem)、還可以發送命令、進行數據交換以及監視和響應在通信過程中可能發生的各種錯誤和事件，從而可以用它創建全雙工的、事件驅動的、高效實用的通信程序(孫志剛，2001)。
3 結語
從目前我國的經濟發展和市場的應用前景來看，我們所設計的供暖節能控制系統還有很大的發展和應用空間，這也是目前國內的許多廠家競相生產同類產品的原因。然而隨著科學技術的不斷發展和越來越嚴重的能源消耗，必將出現各種新的供暖節能技術，我們也將不斷地完善這一系統，以滿足市場的需求和社會的需要。
本文作者創新點：利用單片機完成各測控點系統設計，利用RS485網絡實時監控整個鍋爐供暖系統，可通過PC機進行實時數據查看。整個系統功能強大，能夠保證冬季供暖的順利運行。
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