熱計量閥門控制器的設計與功能拓展

田建宙 李 虹

(太原科技大學電子信息工程學院，太原 030024)

熱計量閥門控制器的設計與功能拓展

田建宙 李 虹

(太原科技大學電子信息工程學院，太原 030024)

針對目前熱計量閥門基本采用手動方式控制閥門流量，交付定量取暖費，而且不具備遠程抄表功能的問題，設計了熱計量閥門控制器，在控制器加裝熱量表并配以電動閥，實現了閥門的遠程控制、分戶計量和遠程抄表功能。

閥門控制器 熱計量 遠程抄表

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

目前發改委已公布了12個供熱計量試點城市，用熱分戶計量預計也將隨后實施。為了解決熱計量數據的遠程采集并實現對閥門的自動控制，提出在熱計量閥門控制器上加裝熱量表并配以電動閥，同時設計相關軟件流程[1]。

1 用熱計量的理論基礎

根據熱力學第一定律，在單位時間內，供熱介質通過被計量對象所得到的(當Δh>0時)或放出的(當Δh<0時)熱量Q1-2的計算式為：

Q1-2=M(h1-h2)=ρqVΔh

(1)

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

M——供熱介質的質量流量；

qV——供熱介質的體積流量；

ρ——供熱介質的密度。

將式(1)積分，就可以求得在一段時間內的累積熱量值(或積算熱量值)。

2 閥門控制器的結構和硬件電路

分戶用熱計量必須要用到熱量儀表，可以從市場上購買到。筆者設計的重點是將熱計量儀表的數據收集[2]并且傳到上位機，再同原先存儲的數據進行比較，來判斷是否繼續開啟熱計量閥。末端設備主要是加裝智能控制器閥門、熱量表等。理論上，一個家庭不可能只有一個暖氣片，所以可以接一個485/電源接口，理論上一個485/電源總線可以接32個控制器，即閥門的每條485/總線由一對電源線和一對485通信線組成。

在調查中發現，目前市場上智能閥門的熱計量控制器中的電池是很棘手的問題，本設計采用市轉24V電源模。其中熱計量的數據可以進行遠程抄送，即利用控制器的傳輸功能將數據傳回[3]。在進入冬季供暖期之前，先進行暖氣片測試，目的是保證它在此后的運行過程中順利進行。本設計在上位機中可以直接操控閥門開關，判斷它是否按要求運作，這樣可以避免對每個用熱計量控制器和閥門進行逐一排查。本設計還具有斷電自閉功能和自動故障報警功能，這樣可以避免人為破壞。閥門控制模塊的結構框圖如圖1所示。

圖1 閥門控制模塊的結構框圖

利用Protel99se進行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

執行器[4]，用以開啟或關閉閥門。在M上下都各有兩個三極管，本設計就是利用三極管的特性來設計閥門驅動電路的，第一組三極管為Q3和Q2，第二組三極管為Q1和Q4，當第一組三極管全部導通時第二組是不會導通的，當第二組三極管全部導通時第一組是不會導通的，這就形成了良好的互鎖控制，通過這樣的設計保證了執行器的正轉、反轉或停止的順利進行。同時在執行器中裝入光耦傳感器，很好地記錄正轉與反轉的大小，這樣就實現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

本系統中，軟件部分的主要功能是：實現閥門控制器的自動維護，即定期或不定期地在計算機上對閥門進行操作，以防止它銹死或結垢[6]；進行智能電動閥和熱能表工作狀態的查詢功能；斷電自閉、自動故障報警和自診斷功能，即當電動閥或熱量表出現故障時在5min后自動進行報警。除此之外，還預留有遠程分戶控制，分戶可以遠程控制智能電動閥的開、閉和開度，還可實現用戶的銀行交費、遠程抄表與計費功能，期間若有欠費閥門會自動關閉，在繳費之后閥門才可以開啟。

如圖3所示，當單片機檢測到fk為1時接到的命令是閥門開啟，當收到的命令是fk為0時閥門關閉。單片機接收到熱計量儀表傳來的數據后保存，5min再接收一次，同時判斷fk是否為零，如果fk為0則跳過此過程，否則同上一次數據進行比較，如果測試結果超出了一定范圍(通過相關算法求得)則置標志位fb為1，同時報警(即智能閥門或熱量計出現問題了)；如果測試結果在設定范圍內標志位fb為0則覆蓋前一次的數據。每次記錄數據的同時通過數據傳輸模塊傳到上位機，同上位機的此序號記錄的數據進行比較，如果超過了上位機記錄的數據(即超過了設定的最高熱量值)則標志位Cc為1，閥門下達關閥門命令，同時將此數據與原數據比較的結果存在上位機，當標志位Cc為0時用本次記錄的數據覆蓋前次記錄。其中在閥門開啟與關斷時單片機要檢查傳感器傳來的數據是否對應為閥門開到位，若標志位Dd為1表示開到位了，若標志位Dd為0表示沒有開到位需要繼續開閥；閥關到位的標志位為Gd，當Gd為1表示閥門關到位不需要在關閥門，當Gd為0表示閥未關到位需繼續關閉。

圖3 閥門控制流程

利用VB進行閥門控制器軟件編程，在遠程抄表過程中根據熱流量計量儀傳來的數據控制閥門的開啟與關閉。

4 功能拓展

在系統的拓展功能中，增設了遠程抄表和遠程控制功能。實現遠程輸入即遠程抄表：遠程輸入采用GPRS虛擬專網和無線數傳電臺進行通信，采用小功率數傳電臺組網，在控制中心與住宅小區之間租用GPRS公網[7]。移動公司為該專用虛擬無線網絡設置了一個專有APN，控制中心通過DDN專線直接接入GPRS無線交換系統的GGSN。每個住宅小區放置一只GPRS Modem，每個GPRS Modem憑接入該APN的權限，通過GPRS網絡和DDN專線實現與控制中心的通信[8]。另外，銀行可以通過DDN專線直接與計費控制中心交換數據，這樣就實現了取暖費的銀行交費功能。

5 結束語

城市冬季供暖系統中，熱計量閥門控制器設計的主要特點就是實現自動抄表、自動報警和遠程控制；通過熱計量儀表還可以很準確地測量熱量利用率，利用軟件方式計算并傳輸可用熱量值、剩余熱量值和使用熱量值到上位機，節約了大量的人力和資源，具有廣闊的市場應用前景。

[1] 胡壽松.自動控制原理[M].北京:國防工業出版社,1999:412～418.

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

[3] 何衍慶,邱宣振,楊潔,等.控制閥工程設計與應用[M].北京:化學工業出版社,2005:202～210.

[4] 林慧.智能電氣閥門定位器的研究開發[D].天津:天津大學,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[J].化工自動化及儀表,2012,39(4):515～517.

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

[7] 謝玉東,王勇,劉延俊.調節閥技術研究綜述[J].化工自動化及儀表,2012,39(9):1111～1113.

[8] 陳學泉,關宇東.嵌入式TCP/IP協議單片機技術在網絡通信中的應用[J].電子技術應用,2002,28(8):48～49.

2016-05-16(修改稿)

TH138.52+2

B

1000-3932(2016)08-0891-03