基于4G網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域供熱控制器的設(shè)計

劉 偉，王博偉

（吉林化工學(xué)院，吉林 吉林 132022）

0 引 言

我國城市供熱廣泛采用集中供熱，集中供熱系統(tǒng)主要由熱源、熱交換網(wǎng)絡(luò)、熱用戶組成[1-5]。供熱系統(tǒng)的供熱管網(wǎng)分為一次網(wǎng)和二次網(wǎng)，其中一次網(wǎng)包括熱源、換熱站，二次網(wǎng)包括換熱站、熱用戶。作為一次網(wǎng)和二次網(wǎng)的重要連接樞紐，換熱站安裝有各種系統(tǒng)監(jiān)測儀器儀表，且承擔(dān)一次和二次網(wǎng)的熱量交換、手動調(diào)節(jié)的角色，結(jié)構(gòu)如圖1所示。針對目前國內(nèi)采用的供熱控制器存在的控制設(shè)備成本較高、設(shè)備配線相對復(fù)雜等問題，本文采用STM32單片機進行設(shè)計，具有集成度高、安裝維護簡單、成本低的特點。

圖1 供熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1 供熱控制器硬件系統(tǒng)設(shè)計

1.1 供熱控制器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

熱網(wǎng)的控制過程主要是保證熱量的供給、合理控制管網(wǎng)中循環(huán)水的流量、保障室內(nèi)溫度適宜的過程[6-8]。

本文的控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括STM32主控單元、溫度和壓力等模擬量測量單元、4～20 mA模擬量輸出控制單元、開關(guān)量輸入輸出接口單元、隔離RS 485單元、4G無線網(wǎng)絡(luò)通信單元等組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 STM32核心電路的設(shè)計

STM32F103VCT6是ST公司生產(chǎn)的Cortex M3系列單片機，內(nèi)置256 KB程序存儲器、48 KB數(shù)據(jù)存儲器，具有82個GPIO接口、16路12位ADC、8個定時器、5個UART通信控制器以及2個I2C通信控制器，最高工作頻率可達72 MHz，具有良好的性能及較高的集成度，極適合高集成、高性價比的嵌入式工業(yè)控制器的設(shè)計[9-10]。因此，本次設(shè)計以STM32F103VCT6為控制核心，實現(xiàn)了對換熱過程中信號的采集與輸出控制，其核心電路如圖3所示。其中，電容C1和R1組成上電復(fù)位電路，Y1、C2和C3構(gòu)成了系統(tǒng)時鐘電路，單片機提供8 MHz的振蕩頻率，C4～C10為電源引腳退耦電容，SWD為三線下載調(diào)試接口。

圖3 STM32最小控制系統(tǒng)電路原理

模擬信號的精確測量需要為ADC提供穩(wěn)定電壓基準(zhǔn)，基準(zhǔn)電路采用TL431并聯(lián)式低噪聲三端電壓基準(zhǔn)芯片進行設(shè)計。TL431輸出電壓可在2.495～36 V調(diào)節(jié)，電壓參考誤差為±0.4%，工作溫度可達-40 ℃，溫度系數(shù)為20 ppm/℃，負載電流可達100 mA，并且具有0.22 Ω低動態(tài)輸出阻抗。

電壓基準(zhǔn)電路中3.3 V電壓經(jīng)L1電感和C11、C12濾波流過電阻R3后由TL431產(chǎn)生2.5 V基準(zhǔn)電壓，2.5 V基準(zhǔn)電壓通過STM32單片機的21腳Vref＋接入ADC內(nèi)部模擬電路，為測量提供基準(zhǔn)電壓。

1.3 信號采集與控制電路設(shè)計

供熱控制器測量與控制信號均采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號，現(xiàn)場溫度、壓力及流量均采用4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號進行傳輸，對調(diào)節(jié)閥、循環(huán)泵和補水泵的輸出控制也采用4～20 mA模擬量，現(xiàn)場開關(guān)量輸入信號采用光電隔離電路進行采集，開關(guān)量輸出信號采用繼電器進行控制。

1.3.1 4～20 mA模擬信號測量電路的設(shè)計

4～20 mA信號通過V/I變換電路后送入STM32單片機的ADC進行測量，如圖4所示。

圖4 模擬輸入電路

4～20 mA信號經(jīng)UR1流經(jīng)100 Ω采樣電阻Rs1至地線回路，在采樣電阻Rs1上實現(xiàn)了V/I變換，Rs1上電壓經(jīng)R4和C15組成的低通濾波器對信號進行濾波降噪再送入STM32F103VCT6 ADC采集通道對信號進行采集。其中自恢復(fù)保險絲UR1、瞬態(tài)抑制二極管D1以及D3對信號輸入端和ADC輸入端進行電壓鉗位保護，以防錯接信號而損壞測量電路及單片機等控制器內(nèi)部器件。

V/I變換及ADC測量關(guān)系如下：

式中：Vref為單片機的參考電壓，取值2.5 V；N為ADC測得的數(shù)字量。

1.3.2 4～20 mA模擬信號輸出電路設(shè)計

變頻器、調(diào)節(jié)閥等采用4～20 mA模擬量進行控制，因其需要3路模擬量進行控制，而STM32只集成了2個DAC，因此本設(shè)計放棄了DAC電路而采用PWM方式進行控制。圖5為PWM方式控制的DAC電路，實現(xiàn)了PWM對輸出電壓的控制。

圖5 PWM方式控制的DAC電路

4～20 mA的U/I變換電路如圖6所示，實現(xiàn)了UPWM到輸出電流的變換。

圖6 4～20mA信號輸出電路

圖6中二極管D4、瞬態(tài)抑制二極管D5及自恢復(fù)保險絲UR13實現(xiàn)了對電流輸出電路的保護。

1.3.3 開關(guān)量輸入輸出電路設(shè)計

現(xiàn)場運行啟停等開關(guān)量控制輸入信號采用光電隔離電路進行采集，并送入CPU進行處理，開關(guān)量輸入信號共8路，如圖7所示為其中一路光電輸入電路，實現(xiàn)了電平轉(zhuǎn)換及光電隔離的作用。

圖7 開關(guān)量光電隔離輸入電路

現(xiàn)場開關(guān)量輸出驅(qū)動采用繼電器，電路如圖8所示，STM32F103VCT6輸出的控制信號經(jīng)8路復(fù)合管集成驅(qū)動芯片ULN2803驅(qū)動繼電器，用以控制循環(huán)泵和補水泵的啟停等操作。

圖8 ULN2803繼電器驅(qū)動電路

2 系統(tǒng)通信電路的設(shè)計

供熱系統(tǒng)控制器需要與現(xiàn)場觸摸屏進行通信，為此控制器設(shè)置了RS 485隔離通信電路。同時設(shè)計了4G移動網(wǎng)絡(luò)通信單元，實現(xiàn)與遠程中控平臺進行通信。

2.1 RS 485總線通信電路

本系統(tǒng)與上位機和采集卡采用RS 485總線方式連接進行通信，RS 485串行總線以標(biāo)準(zhǔn)差分信號傳輸，抗干擾能力強，傳輸距離長，支持雙向多點通信，單個網(wǎng)絡(luò)可搭載32個節(jié)點。連接方式如圖9所示。

圖9 RS 485總線連接方式

當(dāng)RS 485總線通信進行長距離的數(shù)據(jù)傳輸時，若遇到阻抗不連續(xù)和突變的情況會引起信號反射，導(dǎo)致信號失真。為了增加RS 485的抗干擾性，需要在A、B兩線之間并接一個120 Ω的電阻。控制芯片采用BL3085。

2.2 4G網(wǎng)絡(luò)通信硬件系統(tǒng)

本供熱控制器與遠程監(jiān)控平臺通信采用4G無線通信，通過4G網(wǎng)絡(luò)將供熱數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控平臺進行分析處理，以使系統(tǒng)做出最佳控制決策。

本系統(tǒng)采用LTE cat-1 WH-GM5無線通信模組，其下行通信速率為10 Mb/s，上行速率為5 Mb/s，具有毫秒級延時，完全可滿足供熱數(shù)據(jù)的傳輸任務(wù)需求。圖10為4G無線通信單元電路原理。該4G通信芯片需要外接SIM卡才能獲得4G信號，故設(shè)計SIM卡電路如圖11所示，每路信號都采用電容濾波，復(fù)位、數(shù)據(jù)、時鐘信號均與地接入TVS，防止干擾和高壓損壞芯片。

圖10 GM5芯片I/O電路

圖11 GM5-SIM卡電路

為正常獲取4G信號，還須設(shè)計天線電路以保障信號正常傳輸。如圖12所示，4G信號經(jīng)TVS保護電路后再通過電容濾波送入GM5芯片。

圖12 GM5天線電路

3 結(jié) 語

本文的供熱控制器是基于ARM內(nèi)核設(shè)計的，經(jīng)實際測試采集與控制發(fā)現(xiàn)其精度較高、控制效果較好、系統(tǒng)運行可靠穩(wěn)定。系統(tǒng)具有體積小、集成度高、安裝調(diào)試便捷、成本低等特點，具有較強實用性與推廣價值。