基于CAN總線技術的取暖智能節能系統中電控閥門開度的研究的方法

王 鵬

（赤峰學院 計算機科學與信息工程學院，內蒙古 赤峰 00240）

基于CAN總線技術的取暖智能節能系統中電控閥門開度的研究的方法

王 鵬

（赤峰學院 計算機科學與信息工程學院，內蒙古 赤峰 00240）

根據熱用戶性質的不同，提供不同的負荷控制策略，使系統的供熱量與熱負荷相一致，實現分時、分溫、分室、按需供熱，滿足不同房間的個性化需求，避免不考慮房間用途而統一供熱造成的浪費.使用CAN總線技術，利用每一路通道信號控制一個房間所有暖氣片的開關閥門，使用自主開發的軟件系統，對房間內的溫度和熱流量進行監測和控制，以作息時間和依據房間用途不同來決定所需溫度為標準，采用無人辦公時最大限度的減少供暖和正常工作時保持正常供暖的兩種交替模式.要達到分室控制的，在滿足辦公舒適性的條件下，按需供暖，有效提高利用效率，最大限度地節約熱量，硬件中的電控閥門的開度設計則是問題的關鍵.

CAN總線；閥門開度；分室控制；熱流量

據統計我國公用建筑面積約占總建筑面積的5%，但公用建筑消耗的能源卻占總建筑消耗的22%.所以公共建筑能耗節約的空間較大，在公共建筑的能耗中又以冬季取暖和夏季制冷為主要的能耗形式，其約占建筑能耗的55%-70%.冬季取暖絕大部分都是以燃煤為主，而霧霾的40%是由燃煤放出的污染物組成的，研究取暖節能問題，不但節約能源，而且能夠減少空氣污染.

為保持室內溫度均衡，需要根據室外溫度的變化適時調整熱流量，其調整方式是依據公共建筑物內人們工作的時間規律性.以政府工作人員的上、下班為例：上班工作時間是早8:00，下班時間是下午6:00，在時間上是非常有規律的.上班工作時其室內的溫度保持在18℃，下班以后在無人工作的室內，其溫度沒有必要維持在18℃，若保持在12℃-14℃之間，則可以節約很多熱量.另外，對于不經常使用的會議室、資料室、化驗室等房間，特別是高等院校這類房間的比例較高，也沒有必要一直保持18℃.對這類房間可以分類實時控制，根據需要隨時提供熱量供應.

目前，公共建筑的取暖節能主要以兩種形式實現：一種是采用RS-485總線技術，把建筑物內的熱量、冷量、電量等綜合在一起進行節約控制，而熱量節約是采用步進電機對閥門的開度進行控制，通過控制水流量來控制熱量.第二種是采用單片機技術對每一組暖氣進行獨立控制，采用以霍爾磁條為傳感器的普通電機對閥門的開度進行控制.兩種控制形式的優點是閥門的開度可以設置幾個檔位，根據外界溫度隨時調整開度的檔位，控制熱流量.缺點是控制復雜、成本高.因為每個閥門必須要有一組單片機來控制，控制復雜，可靠性下降.

CAN(Controller Area Network),全稱“控制器局域網”，是工業現場總線的一種，是近年來應用推廣比較快的一種現場實時控制技術，主要應用于工業領域的實時監測和控制，例如汽車工業生產中各車間生產技術過程監測、汽車運行監測控制、風電機組的運行監測和控制、煤礦礦井生產的安全監測等.由于應用領域不斷擴大，使其產品的性能不斷提高，價格也不斷下降.由于CAN總線的性能和價格優勢，與樓內各個房間分布點多、面廣、占用的空間體積大等相配合，非常適合于建筑節能領域中應用.

其特點有：

(1)傳輸距離比較遠.主控點與節點的分布距離，在10km內都有效，若節點較多，中間可以加路橋.利用數據傳輸遠的特性，可以把分布在樓內各房間的節點通過雙絞線連接起來，滿足樓房的建筑面積大、樓層高時，需要較長的傳輸線路要求.

(2)總線型可掛接的節點數多達110個.滿足樓房內房間數量眾多的控制需求.每個節點控制的閥門數在8—24個，以平均16個閥門計算，一條總線控制的閥門數為7200多個；另外，一臺計算機有兩個串口，可以連接兩條總線，其控制的閥門數可以翻番.

(3)價格低廉.CAN總線使用銅芯雙絞線或為了減少外界干擾使用屏蔽銅芯雙絞線作為數據傳輸通道，減少工程應用的成本.

(4)超強的糾錯和檢錯能力.CAN總線的兩條數據線是按差分信號傳輸，提高了抗干擾能力.另外，節點與總線的連接是并聯結構，若其中的某一個節點損壞，不影響其他節點的工作.

CAN總線下的一個節點由一個單片機組成，它可以控制8—24個閥門，而且價格較低，每個閥門的開啟、關閉動作必須由計算機控制完成，這個動作每天僅有一個循環，對電路、對電動閥門要求比較簡單，而且能夠延長閥門的使用壽命.引入CAN總線技術，可以實現對每個房間內的每組暖氣片進行控制，通過控制熱水的流量達到控制熱流量的目的.它的優點是：

(1)每個房間個性化程序控制.

(2)節約熱流量較多.

(3)保持樓與樓之間的水流量平衡不變.

本系統采用CAN總線技術，僅對流經暖氣片組的水流量進行控制，閥門只有開和關兩個狀態，只要把閥門關閉時留有的開度大小設計準確，而把復雜的、智能化的熱流量控制交由一個上位機來完成，則會把電動閥門的制造、控制過程變得簡單，成本低，質量也更加可靠，有利于規模化生產使用.

要達到分室控制的目的，硬件中的重要部件是末端的電控閥門應用部件.此裝置為機電結合件，容易損壞，因此對電控閥門的要求：耐熱、耐壓；對管道中的水垢具有一定的“容忍和忍耐”性；成本低質量好；閥門“關閉”時留有一定開度.其中，前三項主要涉及閥門的材料和質量問題，而閥門的開度則是設計問題，是要解決的關鍵問題.

所謂的“開度”是指閥門“關閉”狀態下的供熱水流流經閥門時，閥門的縫隙大小，如下圖1所示.此時閥門“關閉”的狀態，并不是閥門完全關閉，必須留有一定得縫隙，保證仍有一定的供熱水流經過，不至于溫度太低導致凍裂供暖設備.此開度不能太大，也不能太小.如果太大，對熱流量不能精細控制，無法實現節能的目的；如果太小，又會影響供熱，直接影響室內的舒適度.因此，必須設置合理的開度，既能實現有效節能，又盡量不影響室內的舒適度.

圖1 閥門開度示意圖

設計電控閥門開度大小時需要參考的相關因素：

（1）為了獲取準確的現場數據，采用CAN總線技術，通過總線把室內溫度、室外溫度每隔一定的時間上傳.需要設置溫度傳感器與總線的軟、硬件連接問題.

（2）通過總線技術把熱流量表測得的數據及時上傳，例如熱水的瞬時流量、瞬時熱流量、總計流量、總計熱流量、給水溫度、回水溫度.需要設置軟件連接問題.

（3）通過人工手動的方法設置閥門不同的“開度”值，每個開度值按5-7天變換一次.由于此項目必須是在實際運行中完成，因此需要研究閥門內部的“開度”值如何準確地確定.

（4）影響閥門“開度”的因素有很多，例如墻體和窗戶的保溫性能、室外溫度、熱水的循環溫度、房間的朝向、樓層等.這里僅研究墻體、窗戶的保溫性能和室外環境溫度對“開度“的影響.

（5）預計通過此項目的研究確定閥門的“開度”與本地區環境溫度的數值關系；由此設計一種具有單一開度、適應于公共建筑熱量節約控制的閥門.

設計電控閥門開度大小的具體方法：

本項系統以給水管線徑為32mm的相應控制球閥為例進行研究.

（1）選擇在樓層、朝向、面積相同的四個相鄰辦公室作對比試驗，每個辦公室只有一組暖氣，在暖氣片組的給水管上加熱流量表和壓力表，測熱流量、流量、給水溫度、回水溫度、給水壓力等，一個房間做測試，另一個為正常運行.

（2）選擇熱熔球閥，把軸轉動的角度與內部閥芯的“開度”建立對應關系，這樣通過讀取指針的角度就可以確定閥門的“開度”.

（3）在暖氣片組的給水管上加熱流量記錄表，讀取表上的給水溫度、回水溫度、瞬時流量、瞬時熱流量、累計流量、累計熱流量等參數.

（4）記錄室內溫度的變化和室外溫度的變化（每隔2小時）.

（5）在不同的“開度”下，例如 1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm，重復 2、3項的記錄數據.

（6）找出每年最冷的時段（1月份），其室內的溫度最低值（例如13℃）與室外平均最低溫度值例如（-20℃）時其閥門的“開度”值，此值的大小就是要確定的“開度”值.

（7）記錄連續2-3年的相關數據，盡量獲取最具有代表性的結果.

（8）數據處理.通過計算房間與外界交換的熱量值及修正值，與計算機記錄的數據相比較，找出兩組相差無幾的對應的功率值并與6項相吻合的“開度”值.

用此方法確定的閥門“開度”值，僅適于本地區的氣候，是一個單一值，與使用步進電機和霍爾磁條控制的多個“開度”值相比較，控制簡單、實用強，易于推廣應用.

通過對記錄數據的分析測算，確定電控閥門開度值與外界溫度變化更合理優化的數學關系；形成一個更加合理有效的智能節能控制系統，進而為更大規模的公辦建筑節約更多的能源，減少污染物的排放，為社會的節能減排事業做出貢獻.

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TP215

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1673-260X（2017）10-0035-02

2017-07-28

內蒙古教育廳項目資助（NJZC16257）