摘 要：本文介紹了一種鍋爐供暖節(jié)能控制系統(tǒng)，采用測(cè)控網(wǎng)絡(luò)傳輸監(jiān)測(cè)戶(hù)外溫度，通過(guò)控制循環(huán)水管中的熱水流量，調(diào)節(jié)循環(huán)水溫，保證住戶(hù)室內(nèi)溫度保持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，使整個(gè)供暖系統(tǒng)控制的室溫按著預(yù)定的供暖曲線自動(dòng)調(diào)節(jié)，滿足了不同情況下的供暖需求。同時(shí)能夠保存以往的供暖數(shù)據(jù)，便于進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。應(yīng)用該系統(tǒng)既保證了舒適的供暖，又最大程度的節(jié)約了燃料，防止了過(guò)量供暖，降低了運(yùn)行費(fèi)用。 關(guān)鍵詞：RS485網(wǎng)絡(luò);溫度測(cè)量;蝶閥控制;集中控制 　　目前，我國(guó)冬季供暖需要消耗大量的煤、天然氣等能源，使用效率低。其原因是供暖系統(tǒng)采用鍋爐循環(huán)燒水集中供暖，供暖水溫依靠人工調(diào)節(jié)，不能根據(jù)白天和夜晚、晴天和雨天的天氣變化自動(dòng)控制好鍋爐燃料供給，也不能控制好鍋爐供暖系統(tǒng)中熱水循環(huán)的流量，系統(tǒng)能源消耗巨大，供暖效率差，用戶(hù)室溫冷熱不均現(xiàn)象嚴(yán)重。為節(jié)省能源，我們研制出了供暖節(jié)能控制系統(tǒng)。該供暖節(jié)能控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，將用戶(hù)室溫、鍋爐出水溫度、回水溫度和冷熱混合水溫度檢測(cè)傳輸?shù)娇刂浦行?，控制中心服?wù)器根據(jù)需要制定一個(gè)供暖曲線自動(dòng)控制熱水循環(huán)系統(tǒng)中的水流量，很好的解決了用戶(hù)室溫冷熱不均現(xiàn)象，大大地節(jié)省了能源，極大地提高了系統(tǒng)的工作效率，改善了供暖系統(tǒng)的運(yùn)行管理模式。 1 硬件系統(tǒng) 　　供暖系統(tǒng)由集中控制器、溫度測(cè)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(guò)RS-485總線把它們連接成為測(cè)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(cè)量系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集住戶(hù)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(guò)測(cè)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(lái)的操作命令控制蝶閥的開(kāi)啟度，從而控制通過(guò)旁管的回水流量。集中控制器通過(guò)測(cè)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(hù)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(cè)和系統(tǒng)擴(kuò)展。 [align=center] 圖1 供暖節(jié)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.1 configuration of the boiler heating system[/align] 　　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(mén)狀態(tài)、當(dāng)前時(shí)間和當(dāng)前用戶(hù)個(gè)數(shù)等。可以分別對(duì)各個(gè)用戶(hù)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。 [align=center] 圖2 集中控制器系統(tǒng)框圖 Fig.2 circuit of intelligent control system[/align] 　　集中控制器要完成以下任務(wù)： 　?、?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(lái)，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(hù)的數(shù)量、各個(gè)用戶(hù)的室內(nèi)溫度、所有用戶(hù)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(hù)數(shù)量、用戶(hù)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。 　?、?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(lái)。打印機(jī)選用的是沈陽(yáng)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(kù)的智能型打印機(jī)，每行可打印16個(gè)字符。通過(guò)集中控制器的控制可打印某月某日的所有用戶(hù)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(lái)。存儲(chǔ)芯片選用I2C接口的E2PROM類(lèi)芯片AT24C512。AT24C512具有64K字節(jié)的存儲(chǔ)空間，且具有10萬(wàn)次的擦寫(xiě)能力，數(shù)據(jù)能夠保存40年不丟失。如果每?jī)蓚€(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。 　?、?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(lái)，否則這些數(shù)據(jù)就沒(méi)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(lái)，才能反映具體的供暖情況。系統(tǒng)采用專(zhuān)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(guò)I2C總線傳輸。在每次對(duì)數(shù)據(jù)字節(jié)的讀或?qū)懖僮骱螅瑑?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(guò)在系統(tǒng)初次開(kāi)機(jī)時(shí)需設(shè)置一個(gè)時(shí)間值。 　?、?與溫度測(cè)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(guò)1Km，可以添加RS-485中繼器（程凱等，2004）。 　?、?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)（Mario de Sousa.2001）。 　　1.2 溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 　　溫度測(cè)量系統(tǒng)包括用戶(hù)數(shù)字溫度測(cè)量?jī)x、鍋爐出水溫度測(cè)量?jī)x、回水溫度測(cè)量?jī)x、混合水溫度測(cè)量?jī)x和室外天氣溫度測(cè)量?jī)x。用戶(hù)數(shù)字溫度測(cè)量?jī)x主要采集用戶(hù)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(mén)開(kāi)啟度的大小來(lái)保證用戶(hù)室溫在一個(gè)穩(wěn)定舒適的范圍內(nèi)。如保證白天用戶(hù)的室內(nèi)溫度在18℃左右，夜晚用戶(hù)的室內(nèi)溫度在10℃左右。鍋爐出水溫度測(cè)量?jī)x、回水溫度測(cè)量?jī)x、混合水溫度測(cè)量?jī)x和室外天氣溫度測(cè)量?jī)x主要用來(lái)給工作人員隨時(shí)監(jiān)測(cè)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(hù)數(shù)字溫度測(cè)量?jī)x的電路框圖如圖3所示。 [align=center] 圖3 用戶(hù)數(shù)字溫度測(cè)量?jī)x電路框圖 Fig.3 circuit of numeric tempreture-measurement[/align] 　　溫度測(cè)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(cè)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(cè)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(hù)室內(nèi)溫度的精確度為0.1℃，測(cè)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(cè)量?jī)x的軟、硬件和用戶(hù)數(shù)字室溫測(cè)量?jī)x類(lèi)似，只要去掉顯示部分即可。而鍋爐出水溫度測(cè)量?jī)x、回水溫度測(cè)量?jī)x和混合水溫度測(cè)量?jī)x的軟、硬件和室外天氣溫度測(cè)量?jī)x完全相同。所有的溫度測(cè)量?jī)x與集中控制器之間采用RS-485總線組成的測(cè)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(lái)控制閥門(mén)的轉(zhuǎn)動(dòng)，包括閥門(mén)正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)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(mén)開(kāi)啟角度，同時(shí)將閥門(mén)的角度值傳送給集中控制器，系統(tǒng)框圖如圖4： [align=center] 圖4 蝶閥電機(jī)控制系統(tǒng)框圖 Fig.4 control system of butterfly valve[/align] 　　通訊部分的設(shè)計(jì)與溫度測(cè)量?jī)x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(kāi)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(cè)出這個(gè)可變電阻的具體阻值，從而間接得到蝶閥的開(kāi)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Ø1、Ø2、Ø3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Ø1、Ø2或Ø2、Ø3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。Ø4～Ø9腳是一些控制腳，內(nèi)部由一些限位開(kāi)關(guān)組成。Ø4是公共端，Ø8，Ø9是開(kāi)、關(guān)到位指示，在蝶閥開(kāi)到位或者關(guān)到位而沒(méi)有徹底卡死時(shí)起指示作用。Ø7是故障指示，在蝶閥轉(zhuǎn)動(dòng)角度過(guò)大造成卡死以后，起到指示作用。一般用Ø4-Ø8通路表示蝶閥基本開(kāi)到位，Ø4-Ø9通路表示蝶閥基本關(guān)到位，這時(shí)不允許繼續(xù)開(kāi)或關(guān)電機(jī)，否則會(huì)造成蝶閥卡死。如果卡死，則Ø4-Ø7之間通路，蝶閥卡死以后電機(jī)不能就會(huì)對(duì)閥門(mén)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(mén)。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)。 [align=center] 圖5 電動(dòng)蝶閥結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.5 configuration of butterfly valve[/align] 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(lái)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(guò)軟盤(pán)等磁盤(pán)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(guò)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： [align=center] 圖6 PC機(jī)系統(tǒng)軟件界面 Fig.6 soft interface of PC system[/align] 　　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(guò)“采樣”按鈕進(jìn)行實(shí)時(shí)采集），采集回來(lái)的供暖數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后，首先存入數(shù)據(jù)庫(kù)，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(guò)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(yǔ) 　　從目前我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和市場(chǎng)的應(yīng)用前景來(lái)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(guó)內(nèi)的許多廠家競(jìng)相生產(chǎn)同類(lèi)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(lái)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(chǎng)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(cè)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(guò)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。 參考文獻(xiàn): 　　[1]郭皓，黃華.遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，6-1：137-138 　　[2]程凱,孫克,曹偉,等.2004.RS-485總線理論及應(yīng)用分析[M].中國(guó)海洋大學(xué)物理系. 　　[3]陳永信.2002.溫度傳感器的選擇策略[J].電子產(chǎn)品世界. 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