- 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(shí)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(jì)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(shí)時(shí)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(gè)采樣點(diǎn)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(dòng)作，以達(dá)到自動(dòng)控制住戶室內(nèi)溫度的目的。為了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控供暖溫度，保存大量的供暖運(yùn)行數(shù)據(jù)，系統(tǒng)配有一臺(tái)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(jì)
集中控制器是整個(gè)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(yùn)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(shí)間和當(dāng)前用戶個(gè)數(shù)等。可以分別對(duì)各個(gè)用戶的任何時(shí)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(shí)時(shí)的顯示出來，數(shù)據(jù)顯示采用十四個(gè)LED數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)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(gè)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(shí)鐘(包括年月日時(shí)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(shí)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(gè)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(chǔ)。供暖溫度的數(shù)據(jù)要查看和打印，就要事先將它們存儲(chǔ)起來。存儲(chǔ)芯片選用I2C接口的E2PROM類芯片AT24C512。AT24C512具有64K字節(jié)的存儲(chǔ)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(gè)小時(shí)對(duì)各個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行一次存儲(chǔ)，可以存儲(chǔ)17個(gè)采集點(diǎn)一年的供暖溫度數(shù)據(jù)。另外存儲(chǔ)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(shí)時(shí)時(shí)鐘。待查看和打印的供暖數(shù)據(jù)，需要與具體的時(shí)間一一對(duì)應(yīng)起來，否則這些數(shù)據(jù)就沒有實(shí)際意義。只有將溫度數(shù)據(jù)與具體的時(shí)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(shí)鐘芯片PCF8583，設(shè)置好其工作方式后，能夠自動(dòng)運(yùn)行，在需要的時(shí)候可以讀取時(shí)鐘數(shù)據(jù)。為防止系統(tǒng)掉電，采用一組電池對(duì)時(shí)鐘芯片單獨(dú)供電，這樣就不需在系統(tǒng)掉電后重啟時(shí)重新設(shè)置時(shí)間。PCF8583是一款帶有256個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘/日歷芯片。地址和數(shù)據(jù)通過I2C總線傳輸。在每次對(duì)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(dòng)增加。芯片內(nèi)置的32.768KHz振蕩器和RAM的前8個(gè)字節(jié)用于時(shí)鐘/日歷和計(jì)數(shù)器功能。不過在系統(tǒng)初次開機(jī)時(shí)需設(shè)置一個(gè)時(shí)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(chǔ)供暖數(shù)據(jù)，就需要對(duì)溫度數(shù)據(jù)及時(shí)采集。并且要實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)。RS485網(wǎng)絡(luò)通信距離最多是1Km，且其最多可驅(qū)動(dòng)的32個(gè)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(gè)角落。但是，考慮到成本和實(shí)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)(MariodeSousa.2001)。
1.2溫度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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(gè)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(shí)監(jiān)測整個(gè)供熱
系統(tǒng)所處的環(huán)境和運(yùn)行情況，以便即時(shí)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(hào)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(shí)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(bào)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(jì)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(jì)
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(dòng)，包括閥門正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間長短等。轉(zhuǎn)動(dòng)完成后利用蝶閥內(nèi)部的可調(diào)電阻計(jì)算當(dāng)前的閥門開啟角度，同時(shí)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(jì)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(dòng)部分用雙向光耦控制雙向可控硅(晶閘管)實(shí)現(xiàn)蝶閥電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。同時(shí)，因?yàn)榈y的開啟角度變化時(shí)，內(nèi)部的可變電阻的阻值會(huì)跟著改變，利用這一特點(diǎn)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(gè)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(dòng)蝶閥(單相220V電機(jī)，60W)。圖5是電動(dòng)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(gè)輸出腳，實(shí)際應(yīng)用中可選?1、?2或?2、?3中的一對(duì)，相應(yīng)的電阻值會(huì)隨著蝶閥旋轉(zhuǎn)角度的變化而變化。利用這一點(diǎn)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(shí)起指示作用。?7是故障指示，在蝶閥轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)不允許繼續(xù)開或關(guān)電機(jī)，否則會(huì)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(huì)對(duì)閥門的轉(zhuǎn)動(dòng)失去控制，這時(shí)需要使用手柄去轉(zhuǎn)動(dòng)閥門。D1、D2、D3是三個(gè)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(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)D1、D3通以220V交流電時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。
2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為了便于對(duì)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(tái)PC機(jī)(系統(tǒng)運(yùn)行控制臺(tái))，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(dòng)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(tái)”如下：
PC機(jī)每隔兩個(gè)小時(shí)對(duì)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(shí)時(shí)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(jì)，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(cuò)誤和事件，從而可以用它創(chuàng)建全雙工的、事件驅(qū)動(dòng)的、高效實(shí)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(jì)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(huì)的需要。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：利用單片機(jī)完成各測控點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用RS485網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)鍋爐供暖系統(tǒng)，可通過PC機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看。整個(gè)系統(tǒng)功能強(qiáng)大，能夠保證冬季供暖的順利運(yùn)行。
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