- 基于測控網(wǎng)絡(luò)的供暖節(jié)能控制系統(tǒng)的應(yīng)用
- 發(fā)布時間：2016-05-13丨 發(fā)布人：
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1 硬件系統(tǒng)
供暖系統(tǒng)由集中控制器、溫度測量系統(tǒng)、蝶閥電機(jī)控制系統(tǒng)和計算機(jī)系統(tǒng)四大部分組成，通過RS-485總線把它們連接成為測控網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
圖1中，溫度測量系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集住戶室內(nèi)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(wǎng)絡(luò)實時地將溫度數(shù)據(jù)傳送給集中控制器進(jìn)行處理。蝶閥電機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)從集中控制器發(fā)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(wǎng)絡(luò)接收各個采樣點采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和處理，根據(jù)處理結(jié)果控制蝶閥電機(jī)動作，以達(dá)到自動控制住戶室內(nèi)溫度的目的。為了遠(yuǎn)程實時監(jiān)控供暖溫度，保存大量的供暖運行數(shù)據(jù)，系統(tǒng)配有一臺PC機(jī)，以便管理人員進(jìn)行網(wǎng)上遠(yuǎn)程監(jiān)測和系統(tǒng)擴(kuò)展。
1.1集中控制器設(shè)計
集中控制器是整個控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程溫度數(shù)據(jù)采集、蝶閥電機(jī)控制、溫度數(shù)據(jù)打印、系統(tǒng)運行設(shè)置、系統(tǒng)信息顯示以及與PC機(jī)的通訊等。集中控制器由89C51、PCF8583、AT24C512、MAX485、LED顯示器和微型打印機(jī)組成，可以保存和查看供暖系統(tǒng)的所有信息，如：溫度信息、閥門狀態(tài)、當(dāng)前時間和當(dāng)前用戶個數(shù)等?？梢苑謩e對各個用戶的任何時間的供暖溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行打印，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
集中控制器要完成以下任務(wù)：
①數(shù)據(jù)顯示。集中控制器將采集到的數(shù)據(jù)實時的顯示出來，數(shù)據(jù)顯示采用十四個LED數(shù)碼管進(jìn)行動態(tài)掃描顯示。工作狀態(tài)下顯示的內(nèi)容包括：當(dāng)前用戶的數(shù)量、各個用戶的室內(nèi)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(zhuǎn)角度?？刂茽顟B(tài)下顯示的內(nèi)容包括：需要進(jìn)行采樣室溫的用戶數(shù)量、用戶理想室溫預(yù)設(shè)值、需要打印溫度數(shù)據(jù)日期和當(dāng)前時鐘(包括年月日時分秒)等。
②數(shù)據(jù)打印。供暖溫度數(shù)據(jù)不僅需要顯示，還需要在必要的時候?qū)⒁郧暗臏囟葦?shù)據(jù)打印出來。打印機(jī)選用的是沈陽新榮達(dá)電子的MP系列漢字微型打印機(jī)MP-D16-8+，它是帶漢字字庫的智能型打印機(jī)，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(shù)據(jù)。
③數(shù)據(jù)存儲。供暖溫度的數(shù)據(jù)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(jié)的存儲空間，且具有10萬次的擦寫能力，數(shù)據(jù)能夠保存40年不丟失。如果每兩個小時對各個采樣點的數(shù)據(jù)進(jìn)行一次存儲，可以存儲17個采集點一年的供暖溫度數(shù)據(jù)。另外存儲芯片還保存有一些系統(tǒng)的其他重要信息，如：系統(tǒng)密碼等。
④實時時鐘。待查看和打印的供暖數(shù)據(jù)，需要與具體的時間一一對應(yīng)起來，否則這些數(shù)據(jù)就沒有實際意義。只有將溫度數(shù)據(jù)與具體的時間聯(lián)系起來，才能反映具體的供暖情況。系統(tǒng)采用專用時鐘芯片PCF8583，設(shè)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(shù)據(jù)。為防止系統(tǒng)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(tǒng)掉電后重啟時重新設(shè)置時間。PCF8583是一款帶有256個字節(jié)的時鐘/日歷芯片。地址和數(shù)據(jù)通過I2C總線傳輸。在每次對數(shù)據(jù)字節(jié)的讀或?qū)懖僮骱?，?nèi)建的字地址寄存器自動增加。芯片內(nèi)置的32.768KHz振蕩器和RAM的前8個字節(jié)用于時鐘/日歷和計數(shù)器功能。不過在系統(tǒng)初次開機(jī)時需設(shè)置一個時間值。
⑤與溫度測量系統(tǒng)及蝶閥電機(jī)控制系統(tǒng)的通訊。要顯示和存儲供暖數(shù)據(jù)，就需要對溫度數(shù)據(jù)及時采集。并且要實時地通知蝶閥電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的控制。智能化儀器之間進(jìn)行的遠(yuǎn)距離通訊，現(xiàn)在可以用的方法很多，如RS485、CAN或因特網(wǎng)等都可以實現(xiàn)。RS485網(wǎng)絡(luò)通信距離最多是1Km，且其最多可驅(qū)動的32個儀表;CAN通信距離可達(dá)10Km，而因特網(wǎng)通信距離可達(dá)世界每個角落。但是，考慮到成本和實際需求，系統(tǒng)采用RS485網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，且如果網(wǎng)絡(luò)距離超過1Km，可以添加RS-485中繼器(程凱等，2004)。
⑥與PC機(jī)的通訊。PC機(jī)要顯示存儲數(shù)據(jù)，需從集中控制器采集溫度數(shù)據(jù)。目前與PC機(jī)的通訊用的最多的就是RS232方式，它最遠(yuǎn)的傳輸距離是15m左右，能夠滿足此系統(tǒng)要求(龔建偉，2001)。當(dāng)然，如果特殊情況下想把PC機(jī)放在辦公室，而集中控制器放在鍋爐房，那么用RS232-485轉(zhuǎn)換器即可實現(xiàn)(MariodeSousa.2001)。
1.2溫度測量系統(tǒng)設(shè)計
溫度測量系統(tǒng)包括用戶數(shù)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(shù)字溫度測量儀主要采集用戶的室內(nèi)溫度，然后送給集中控制器進(jìn)行處理，再由蝶閥電機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥門開啟度的大小來保證用戶室溫在一個穩(wěn)定舒適的范圍內(nèi)。如保證白天用戶的室內(nèi)溫度在18℃左右，夜晚用戶的室內(nèi)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(jiān)測整個供熱
系統(tǒng)所處的環(huán)境和運行情況，以便即時調(diào)整燃料用量，降低能耗。用戶數(shù)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(shù)字溫度傳感器DS18B20。DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的單總線式數(shù)字溫度傳感器，測溫范圍為-55℃～+125℃，轉(zhuǎn)換精度為9～12位二進(jìn)制數(shù)(包括符號一位)，可編程決定轉(zhuǎn)換精度的位數(shù)，測溫分辨力是：9位精度為0.5℃,12位精度為0.0625℃，轉(zhuǎn)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(shè)定的功能。用戶室內(nèi)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(tǒng)設(shè)計要求(陳永信，2002)。
室外天氣溫度測量儀的軟、硬件和用戶數(shù)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(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
1.3蝶閥電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計
蝶閥電機(jī)控制系統(tǒng)主要是接收集中控制器的命令來控制閥門的轉(zhuǎn)動，包括閥門正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)動時間長短等。轉(zhuǎn)動完成后利用蝶閥內(nèi)部的可調(diào)電阻計算當(dāng)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(tǒng)框圖如圖4：
通訊部分的設(shè)計與溫度測量儀相同，采用RS-485網(wǎng)絡(luò)與集中控制器進(jìn)行信息傳輸。電機(jī)驅(qū)動部分用雙向光耦控制雙向可控硅(晶閘管)實現(xiàn)蝶閥電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。同時，因為蝶閥的開啟角度變化時，內(nèi)部的可變電阻的阻值會跟著改變，利用這一特點結(jié)合微處理器AT89C2051內(nèi)部的精密模擬比較器組成A/D轉(zhuǎn)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(jī)，60W)。圖5是電動蝶閥的結(jié)構(gòu)示意圖。引腳?1、?2、?3是蝶閥內(nèi)部可變電阻的3個輸出腳，實際應(yīng)用中可選?1、?2或?2、?3中的一對，相應(yīng)的電阻值會隨著蝶閥旋轉(zhuǎn)角度的變化而變化。利用這一點可獲得蝶閥的偏轉(zhuǎn)角度。?4～?9腳是一些控制腳，內(nèi)部由一些限位開關(guān)組成。?4是公共端，?8，?9是開、關(guān)到位指示，在蝶閥開到位或者關(guān)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(zhuǎn)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(guān)到位，這時不允許繼續(xù)開或關(guān)電機(jī)，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(jī)不能就會對閥門的轉(zhuǎn)動失去控制，這時需要使用手柄去轉(zhuǎn)動閥門。D1、D2、D3是三個交流電源接線端子，它們控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，且D1是公共端。
當(dāng)D1、D2通以220V交流電時，電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)D1、D3通以220V交流電時，電機(jī)反轉(zhuǎn)。
2 軟件系統(tǒng)設(shè)計
為了便于對以前各年的大量的供暖數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行查看，為該節(jié)能供暖控制系統(tǒng)配置了一臺PC機(jī)(系統(tǒng)運行控制臺)，可以將所有的供暖數(shù)據(jù)都保存在電腦里。用電腦來保存數(shù)據(jù)不僅使得溫度數(shù)值的顯示更加直觀，而且數(shù)據(jù)保存的可靠性更強(qiáng)。所有的供暖數(shù)據(jù)也有可移植性，例如可把溫度數(shù)據(jù)記錄通過軟盤等磁盤工具移動到任何地方(如物業(yè)管理中心)，這就更加便于管理人員的查看和研究。PC機(jī)部分的軟件采用VB編程，通過串行口與集中控制器進(jìn)行通訊。PC機(jī)系統(tǒng)軟件的界面——“節(jié)能供暖控制臺”如下：
PC機(jī)每隔兩個小時對集中控制器中的供暖數(shù)據(jù)進(jìn)行采集(也可通過“采樣”按鈕進(jìn)行實時采集)，采集回來的供暖數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，首先存入數(shù)據(jù)庫，然后再送到應(yīng)用程序窗口中的表格進(jìn)行顯示。在PC機(jī)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(jìn)行通訊程序設(shè)計，MSComm通信控件允許建立串口連接，可以連接到其他通信設(shè)備(如Modem)、還可以發(fā)送命令、進(jìn)行數(shù)據(jù)交換以及監(jiān)視和響應(yīng)在通信過程中可能發(fā)生的各種錯誤和事件，從而可以用它創(chuàng)建全雙工的、事件驅(qū)動的、高效實用的通信程序(孫志剛，2001)。
3 結(jié)語
從目前我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和市場的應(yīng)用前景來看，我們所設(shè)計的供暖節(jié)能控制系統(tǒng)還有很大的發(fā)展和應(yīng)用空間，這也是目前國內(nèi)的許多廠家競相生產(chǎn)同類產(chǎn)品的原因。然而隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和越來越嚴(yán)重的能源消耗，必將出現(xiàn)各種新的供暖節(jié)能技術(shù)，我們也將不斷地完善這一系統(tǒng)，以滿足市場的需求和社會的需要。
本文作者創(chuàng)新點：利用單片機(jī)完成各測控點系統(tǒng)設(shè)計，利用RS485網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)控整個鍋爐供暖系統(tǒng)，可通過PC機(jī)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)查看。整個系統(tǒng)功能強(qiáng)大，能夠保證冬季供暖的順利運行。
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