熱計(jì)量閥門控制器的設(shè)計(jì)與功能拓展

田建宙 李 虹

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原 030024)

熱計(jì)量閥門控制器的設(shè)計(jì)與功能拓展

田建宙 李 虹

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原 030024)

針對目前熱計(jì)量閥門基本采用手動(dòng)方式控制閥門流量，交付定量取暖費(fèi)，而且不具備遠(yuǎn)程抄表功能的問題，設(shè)計(jì)了熱計(jì)量閥門控制器，在控制器加裝熱量表并配以電動(dòng)閥，實(shí)現(xiàn)了閥門的遠(yuǎn)程控制、分戶計(jì)量和遠(yuǎn)程抄表功能。

閥門控制器 熱計(jì)量 遠(yuǎn)程抄表

隨著我國節(jié)能減排力度的加大，在冬季采暖實(shí)行分戶計(jì)量措施勢在必行。熱計(jì)量是城市集中供熱系統(tǒng)中，對供熱介質(zhì)從熱源得到的熱量或用戶消耗的熱量所進(jìn)行的計(jì)量。熱計(jì)量的主要目的是確定生產(chǎn)或消耗的熱能，從而監(jiān)督并計(jì)算熱源設(shè)備的效率或作為向用熱用戶收取用熱費(fèi)用的依據(jù)。目前，大部分熱計(jì)量采用用戶向供暖公司交付定量取暖費(fèi)的方式，這種方法不科學(xué)也不合理。而且，熱計(jì)量閥門也基本采用手動(dòng)方式控制閥門的流量，不具備遠(yuǎn)程抄表功能。出于節(jié)能減排的考慮，熱計(jì)量將成為發(fā)展方向，對加強(qiáng)供熱的科學(xué)管理和節(jié)約能源，具有十分重要的意義。

目前發(fā)改委已公布了12個(gè)供熱計(jì)量試點(diǎn)城市，用熱分戶計(jì)量預(yù)計(jì)也將隨后實(shí)施。為了解決熱計(jì)量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集并實(shí)現(xiàn)對閥門的自動(dòng)控制，提出在熱計(jì)量閥門控制器上加裝熱量表并配以電動(dòng)閥，同時(shí)設(shè)計(jì)相關(guān)軟件流程[1]。

1 用熱計(jì)量的理論基礎(chǔ)

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，在單位時(shí)間內(nèi)，供熱介質(zhì)通過被計(jì)量對象所得到的(當(dāng)Δh>0時(shí))或放出的(當(dāng)Δh<0時(shí))熱量Q1-2的計(jì)算式為：

Q1-2=M(h1-h2)=ρqVΔh

(1)

式中h1、h2——供熱介質(zhì)流出、流進(jìn)被計(jì)量對象(鍋爐、熱用戶及換熱器等)的焓值；

M——供熱介質(zhì)的質(zhì)量流量；

qV——供熱介質(zhì)的體積流量；

ρ——供熱介質(zhì)的密度。

將式(1)積分，就可以求得在一段時(shí)間內(nèi)的累積熱量值(或積算熱量值)。

2 閥門控制器的結(jié)構(gòu)和硬件電路

分戶用熱計(jì)量必須要用到熱量儀表，可以從市場上購買到。筆者設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是將熱計(jì)量儀表的數(shù)據(jù)收集[2]并且傳到上位機(jī)，再同原先存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，來判斷是否繼續(xù)開啟熱計(jì)量閥。末端設(shè)備主要是加裝智能控制器閥門、熱量表等。理論上，一個(gè)家庭不可能只有一個(gè)暖氣片，所以可以接一個(gè)485/電源接口，理論上一個(gè)485/電源總線可以接32個(gè)控制器，即閥門的每條485/總線由一對電源線和一對485通信線組成。

在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，目前市場上智能閥門的熱計(jì)量控制器中的電池是很棘手的問題，本設(shè)計(jì)采用市轉(zhuǎn)24V電源模。其中熱計(jì)量的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程抄送，即利用控制器的傳輸功能將數(shù)據(jù)傳回[3]。在進(jìn)入冬季供暖期之前，先進(jìn)行暖氣片測試，目的是保證它在此后的運(yùn)行過程中順利進(jìn)行。本設(shè)計(jì)在上位機(jī)中可以直接操控閥門開關(guān)，判斷它是否按要求運(yùn)作，這樣可以避免對每個(gè)用熱計(jì)量控制器和閥門進(jìn)行逐一排查。本設(shè)計(jì)還具有斷電自閉功能和自動(dòng)故障報(bào)警功能，這樣可以避免人為破壞。閥門控制模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 閥門控制模塊的結(jié)構(gòu)框圖

利用Protel99se進(jìn)行PCB電路板的制作，控制器主控部分的PCB電路如圖2所示，其中M為

執(zhí)行器[4]，用以開啟或關(guān)閉閥門。在M上下都各有兩個(gè)三極管，本設(shè)計(jì)就是利用三極管的特性來設(shè)計(jì)閥門驅(qū)動(dòng)電路的，第一組三極管為Q3和Q2，第二組三極管為Q1和Q4，當(dāng)?shù)谝唤M三極管全部導(dǎo)通時(shí)第二組是不會(huì)導(dǎo)通的，當(dāng)?shù)诙M三極管全部導(dǎo)通時(shí)第一組是不會(huì)導(dǎo)通的，這就形成了良好的互鎖控制，通過這樣的設(shè)計(jì)保證了執(zhí)行器的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停止的順利進(jìn)行。同時(shí)在執(zhí)行器中裝入光耦傳感器，很好地記錄正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的大小，這樣就實(shí)現(xiàn)了閥門開啟的大小定位[5]。

圖2 控制器主控部分的PCB電路

3 軟件流程

本系統(tǒng)中，軟件部分的主要功能是：實(shí)現(xiàn)閥門控制器的自動(dòng)維護(hù)，即定期或不定期地在計(jì)算機(jī)上對閥門進(jìn)行操作，以防止它銹死或結(jié)垢[6]；進(jìn)行智能電動(dòng)閥和熱能表工作狀態(tài)的查詢功能；斷電自閉、自動(dòng)故障報(bào)警和自診斷功能，即當(dāng)電動(dòng)閥或熱量表出現(xiàn)故障時(shí)在5min后自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警。除此之外，還預(yù)留有遠(yuǎn)程分戶控制，分戶可以遠(yuǎn)程控制智能電動(dòng)閥的開、閉和開度，還可實(shí)現(xiàn)用戶的銀行交費(fèi)、遠(yuǎn)程抄表與計(jì)費(fèi)功能，期間若有欠費(fèi)閥門會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，在繳費(fèi)之后閥門才可以開啟。

如圖3所示，當(dāng)單片機(jī)檢測到fk為1時(shí)接到的命令是閥門開啟，當(dāng)收到的命令是fk為0時(shí)閥門關(guān)閉。單片機(jī)接收到熱計(jì)量儀表傳來的數(shù)據(jù)后保存，5min再接收一次，同時(shí)判斷fk是否為零，如果fk為0則跳過此過程，否則同上一次數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果測試結(jié)果超出了一定范圍(通過相關(guān)算法求得)則置標(biāo)志位fb為1，同時(shí)報(bào)警(即智能閥門或熱量計(jì)出現(xiàn)問題了)；如果測試結(jié)果在設(shè)定范圍內(nèi)標(biāo)志位fb為0則覆蓋前一次的數(shù)據(jù)。每次記錄數(shù)據(jù)的同時(shí)通過數(shù)據(jù)傳輸模塊傳到上位機(jī)，同上位機(jī)的此序號(hào)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果超過了上位機(jī)記錄的數(shù)據(jù)(即超過了設(shè)定的最高熱量值)則標(biāo)志位Cc為1，閥門下達(dá)關(guān)閥門命令，同時(shí)將此數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)比較的結(jié)果存在上位機(jī)，當(dāng)標(biāo)志位Cc為0時(shí)用本次記錄的數(shù)據(jù)覆蓋前次記錄。其中在閥門開啟與關(guān)斷時(shí)單片機(jī)要檢查傳感器傳來的數(shù)據(jù)是否對應(yīng)為閥門開到位，若標(biāo)志位Dd為1表示開到位了，若標(biāo)志位Dd為0表示沒有開到位需要繼續(xù)開閥；閥關(guān)到位的標(biāo)志位為Gd，當(dāng)Gd為1表示閥門關(guān)到位不需要在關(guān)閥門，當(dāng)Gd為0表示閥未關(guān)到位需繼續(xù)關(guān)閉。

圖3 閥門控制流程

利用VB進(jìn)行閥門控制器軟件編程，在遠(yuǎn)程抄表過程中根據(jù)熱流量計(jì)量儀傳來的數(shù)據(jù)控制閥門的開啟與關(guān)閉。

4 功能拓展

在系統(tǒng)的拓展功能中，增設(shè)了遠(yuǎn)程抄表和遠(yuǎn)程控制功能。實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程輸入即遠(yuǎn)程抄表：遠(yuǎn)程輸入采用GPRS虛擬專網(wǎng)和無線數(shù)傳電臺(tái)進(jìn)行通信，采用小功率數(shù)傳電臺(tái)組網(wǎng)，在控制中心與住宅小區(qū)之間租用GPRS公網(wǎng)[7]。移動(dòng)公司為該專用虛擬無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)置了一個(gè)專有APN，控制中心通過DDN專線直接接入GPRS無線交換系統(tǒng)的GGSN。每個(gè)住宅小區(qū)放置一只GPRS Modem，每個(gè)GPRS Modem憑接入該APN的權(quán)限，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和DDN專線實(shí)現(xiàn)與控制中心的通信[8]。另外，銀行可以通過DDN專線直接與計(jì)費(fèi)控制中心交換數(shù)據(jù)，這樣就實(shí)現(xiàn)了取暖費(fèi)的銀行交費(fèi)功能。

5 結(jié)束語

城市冬季供暖系統(tǒng)中，熱計(jì)量閥門控制器設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表、自動(dòng)報(bào)警和遠(yuǎn)程控制；通過熱計(jì)量儀表還可以很準(zhǔn)確地測量熱量利用率，利用軟件方式計(jì)算并傳輸可用熱量值、剩余熱量值和使用熱量值到上位機(jī)，節(jié)約了大量的人力和資源，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

[1] 胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,1999:412～418.

[2] 王普超,田勇,高志強(qiáng).閥門知識(shí)的信息化表達(dá)[J].河南科技,2015,(1):5～7.

[3] 何衍慶,邱宣振,楊潔,等.控制閥工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005:202～210.

[4] 林慧.智能電氣閥門定位器的研究開發(fā)[D].天津:天津大學(xué),2003.

[5] 劉國平,廖宣亮,胡瑢華.智能閥門定位器控制算法的改進(jìn)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2012,39(4):515～517.

[6] 王東睿,郝秀平,曹式錄.電動(dòng)閥門常見問題及產(chǎn)生原因[J].電力建設(shè),2000,21(11):70～72.

[7] 謝玉東,王勇,劉延俊.調(diào)節(jié)閥技術(shù)研究綜述[J].化工自動(dòng)化及儀表,2012,39(9):1111～1113.

[8] 陳學(xué)泉,關(guān)宇東.嵌入式TCP/IP協(xié)議單片機(jī)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)通信中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2002,28(8):48～49.

2016-05-16(修改稿)

TH138.52+2

B

1000-3932(2016)08-0891-03