摘要：樓宇間太陽能熱水器朝著工程化方向進(jìn)步，太陽能熱水工程集中化遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)能更持久地、穩(wěn)定地、健康地的運(yùn)行。該遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)性能檢測是系統(tǒng)正常運(yùn)作的關(guān)鍵指標(biāo)，也是管控系統(tǒng)優(yōu)劣的評定標(biāo)準(zhǔn)，是重中之重。太陽能熱水工程集中化遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)是檢測太陽能熱水工程的長久檢測設(shè)備，更是對系統(tǒng)熱性能的良好管控的重點(diǎn)。針對現(xiàn)在樓宇間太陽能熱水系統(tǒng)多樣化和智能化，設(shè)計(jì)出一種太陽能熱水工程集中化遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)，主要由三大模塊構(gòu)成：傳感器信息采集終端、遠(yuǎn)程信息傳輸、遠(yuǎn)程管控顯示終端，還能按照傳感器采集終端接收的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對太陽能熱水工程中的太陽能供給熱量、用戶端應(yīng)用熱量、設(shè)備耗散能量、輔助熱源供給熱量、傳輸損失能量準(zhǔn)確計(jì)算。系統(tǒng)中遠(yuǎn)程信息傳輸及遠(yuǎn)程管控顯示終端是系統(tǒng)的核心，開發(fā)太陽能熱水工程集中化遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)軟件，核心是進(jìn)行遠(yuǎn)程信息傳輸，通過MODBUS傳輸協(xié)議，通過串口收發(fā)信息，還設(shè)計(jì)更強(qiáng)的數(shù)據(jù)掉電保護(hù)模塊，借助主機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對信息的處理，實(shí)現(xiàn)上水、輔助加熱和供水等系統(tǒng)循環(huán)的精確管控，以維控觸摸屏為顯示端，WEBSERVER實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程登錄，用Windows界面實(shí)現(xiàn)樓宇太陽能熱水工程集中化遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行控制和顯示。
關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程管控； 熱水工程； 信息傳輸； Windows界面顯示

1 太陽能熱水工程系統(tǒng)概述 1000

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來了建筑行業(yè)的發(fā)展，城市高樓林立，熱水使用也成為關(guān)鍵問題，在工程使用中按照用戶需求和具體狀況，，在各種樓宇頂層安裝太陽能供水集熱裝置，這種裝置中多數(shù)是雙水箱集熱設(shè)備和雙水箱儲水設(shè)備。根據(jù)用戶的不同需求，最好能在樓頂安裝不同種類的集熱器，針對某些單獨(dú)用戶只要應(yīng)用單水箱單集熱器就可以，對于多用戶的使用群多是應(yīng)用多水箱多集熱器設(shè)備實(shí)現(xiàn)的。但是無論太陽能熱水集水工程運(yùn)行于何種環(huán)境，其在系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換就是一致的。
1.1 國內(nèi)外研究概況
網(wǎng)絡(luò)通信遍布生活的方方面面面，發(fā)揮重要的作用，很多項(xiàng)目都會應(yīng)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對各種應(yīng)用儀器儀表的管理和控制，為計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程管控技術(shù)奠定了良好的基礎(chǔ)。目前，現(xiàn)在有很多大型新型應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)都基于網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)展起來的，才能方便大家的生活。在大家的生活中網(wǎng)絡(luò)這個(gè)名詞耳熟能詳，其在工程中的真正含義是管控終端和被管控設(shè)備的聯(lián)系途徑，是雙方的橋梁。通訊網(wǎng)絡(luò)研究還是主要在歐美發(fā)達(dá)地區(qū)，尤其是美國麻省理工學(xué)院以及加拿大的埃德蒙頓大學(xué)，幾乎很短時(shí)間內(nèi)就會有很好的研究成果問世。在國內(nèi)，主要集中在上海交通大學(xué)以及中科院兩所大學(xué)中，都有很好的研究成果問世。就整體情況而言，雖然國內(nèi)研究成果明顯，但距離國外的先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)研究還是有明顯差距的。國際交流的增多和我國對技術(shù)研究投入的增大都加速了我國網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。近些年，一種以全分布式和網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)反饋為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)管控系統(tǒng)，具有較好的應(yīng)用效果，不僅能夠完成兩地遠(yuǎn)距離的網(wǎng)絡(luò)信息傳輸和交流，還能實(shí)現(xiàn)資源的共享和遠(yuǎn)程管理和監(jiān)控的目標(biāo)。在系統(tǒng)應(yīng)用中熱量測量也是很重要的標(biāo)準(zhǔn)，國外主要采用熱量表進(jìn)行各類熱量的直接測量或者是由散熱設(shè)備耗散的能量實(shí)現(xiàn)熱量測量。
1.2 傳統(tǒng)太陽能熱水工程系統(tǒng)
樓宇間的太陽能熱水工程有多種供熱方式，主要供熱仍是電能加熱，而太陽能集熱卻為輔助的一種方式；第二種是電輔助太陽能集熱為主的加熱方式；第三種是太陽能加熱和電加熱輔助互相補(bǔ)充的方式。在實(shí)際應(yīng)用中各種供熱方式卻略有不同，比如應(yīng)用的各種方式的樓宇太陽能熱水工程系統(tǒng)的集熱水箱數(shù)量差異很大，還應(yīng)用各種不同的供水和上水循環(huán)工程系統(tǒng)等。因此，樓宇應(yīng)用中的太陽能熱水工程集中化管控系統(tǒng)需要一種統(tǒng)一、合理、公平化的熱能計(jì)量方法，并且實(shí)時(shí)監(jiān)視和管控系統(tǒng)也要獲得提高。
2 樓宇太陽能熱水工程集中化遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2000
針對現(xiàn)在應(yīng)用的樓宇太陽能熱水工程集中化遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)中的不足應(yīng)用民建太陽能熱水供熱系統(tǒng)、以Internet網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程控制技術(shù)、供暖模塊的溫控和熱計(jì)量、管控終端的顯示和監(jiān)測、數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)等理論，并根據(jù)這些理論進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。應(yīng)用中要滿足實(shí)際使用中的太陽能熱水工程安裝和運(yùn)行的方式、環(huán)境、溫度監(jiān)測、熱量收集等用戶的需求，怎樣應(yīng)用遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測和控制，協(xié)助幫助用戶及生產(chǎn)商找到最合理的工程運(yùn)作方式，豐富監(jiān)控實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
2.1 PT1000鉑電阻多路三線制溫度檢測
系統(tǒng)中需要遠(yuǎn)距離傳輸及溫度收集，在實(shí)際中傳感器引線也有電阻會嚴(yán)重影響溫度測量的準(zhǔn)確程度，因此對溫度測量選用了工業(yè)三線制的PT1000鉑電阻傳感器。這種傳感器能在-50~200℃溫度范圍內(nèi)檢測精確程度限制在±0.2℃之內(nèi)。系統(tǒng)需要對多點(diǎn)溫度進(jìn)行采樣，采用共6路的溫度采樣，應(yīng)用RS485接口實(shí)現(xiàn)通信，以MODBUS協(xié)議為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)信息的傳輸。這個(gè)模塊設(shè)計(jì)安裝簡單方便，現(xiàn)場固定應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)安裝模式。 
要提高檢測系統(tǒng)的可靠性，在單片機(jī)和A/D模數(shù)轉(zhuǎn)化中加設(shè)光耦隔離模塊。光耦隔離提高了信號傳輸和耦合的無干擾性，其光耦信息傳遞依靠的是光，技術(shù)足夠成熟，可完成單片機(jī)及A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換的電氣完全隔離，大幅度提升了系統(tǒng)的抗干擾性能。數(shù)據(jù)信息采集器應(yīng)用單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)和采集電路模塊設(shè)計(jì)分別處理，實(shí)物如2-1所示。
 
圖2-1  多路三線制類型的PT1000鉑電阻溫度檢測實(shí)物圖
圖2-1(a)是數(shù)據(jù)采集模塊，圖2-1(b)是單片機(jī)中心處理模塊，應(yīng)用雙層類型的排針插接。應(yīng)用ATMEL公司生產(chǎn)的TMEG4324單片機(jī)，完成對CS5522芯片的數(shù)據(jù)讀取和讀寫MODBUS通訊協(xié)議中的應(yīng)用數(shù)據(jù)。
為了檢測傳感器的傳輸效果，以6路溫度傳感器數(shù)據(jù)讀取為例，默認(rèn)系統(tǒng)通訊協(xié)議為9600,N,8,1，其中四位是數(shù)據(jù)傳輸比特率、指令發(fā)送校驗(yàn)碼、數(shù)據(jù)位，最后位是傳輸數(shù)據(jù)信息的停止位。在芯片中，測量數(shù)值的寄存器如表2-1所示。
表2-1 數(shù)值寄存器說明
 
以MODBUS協(xié)議為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程終端裝置采用二級制制式實(shí)現(xiàn)指令的接收和發(fā)送，需要幀和幀至少要有3.5字節(jié)的間隔。因此，數(shù)據(jù)接收時(shí)要能在其內(nèi)部設(shè)定定時(shí)器功能，設(shè)定時(shí)間為3.5字節(jié)的時(shí)間以及1.5字節(jié)的時(shí)間，當(dāng)一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)被接收或者處理時(shí)定時(shí)器要被關(guān)閉，然后再對定時(shí)器重新設(shè)定和開啟。從機(jī)地址占用1個(gè)字節(jié)采用0x01；功能號占用1個(gè)字節(jié)采用0x04；有效字節(jié)數(shù)占用1個(gè)字節(jié)采用0x0C；數(shù)據(jù)占用12個(gè) 字節(jié)應(yīng)用0x00，其中第0路是檢測溫度中的高字節(jié)。溫度采集數(shù)據(jù)表示為：0x80為共五路的溫度高字節(jié)，0x00為共五路的溫度低字節(jié)，共十路數(shù)據(jù)。校驗(yàn)碼占用2字節(jié)采用0x3CBA。
系統(tǒng)校驗(yàn)采用CRC校驗(yàn)方式，還被稱作NK碼，工作理論是在數(shù)據(jù)信息在打包發(fā)送中增加驗(yàn)證碼，在數(shù)據(jù)信息的傳輸過程中經(jīng)過比對接收雙方的驗(yàn)證碼對比是非結(jié)果判斷數(shù)據(jù)的接收或者不接收。首先應(yīng)用CRC校驗(yàn)使得發(fā)送端的傳輸數(shù)據(jù)的所有字節(jié)根據(jù)既定運(yùn)算法處理發(fā)送，多采用移位和異或兩種邏輯運(yùn)算方式，接收端也必須收到和發(fā)送端相同的運(yùn)算CRC碼，通過相同運(yùn)算，根據(jù)按照前后兩者的運(yùn)算數(shù)值：相同的分析結(jié)果說明數(shù)據(jù)信息傳輸成功；不同的分析結(jié)果說明數(shù)據(jù)信息傳輸不成功。實(shí)際的校驗(yàn)運(yùn)算步驟如下：
假設(shè)接收端數(shù)據(jù)位為17個(gè)字節(jié)，也就是Num=17，采用CRC校驗(yàn)，設(shè)定計(jì)算結(jié)果是0，說明CRC校驗(yàn)結(jié)果成功，通訊實(shí)現(xiàn)。假設(shè)CRC校驗(yàn)通過后，根據(jù)選定溫度計(jì)算公式獲得真實(shí)的溫度測量數(shù)值，負(fù)值則用補(bǔ)碼表示：
第0 路的溫度值 =(0x00 × 256 + 0x63) ÷10=9.9℃；
第1 路的溫度值 =((0xFF × 256+0x00) − 0xFFFF − 0x01) ÷10=-3276.8℃；
第2 路的溫度值 =((0xFF × 256+0x00) − 0xFFFF − 0x01) ÷10=-3276.8℃；
第3 路的溫度值 =((0xFF × 256+0x00) − 0xFFFF − 0x01) ÷10=-3276.8℃；
第4 路的溫度值 =((0xFF × 256+0x00) − 0xFFFF − 0x01) ÷10=-3276.8℃；
第5 路的溫度值 =((0xFF × 256+0x00) − 0xFFFF − 0x01) ÷10=-3276.8℃。
而計(jì)算結(jié)果中只要出現(xiàn)負(fù)值就證明硬件連接傳感器失敗或是獲得數(shù)據(jù)值不正常。對于以上出現(xiàn)的負(fù)值結(jié)果就要分析其原因：二進(jìn)制規(guī)則中最高是27請求共8個(gè)字節(jié)：01 04 00 00 00 06 70 08，請求命令的發(fā)送信息為：從機(jī)地址為0x01；功能號為0x04；起始地址為0x0000；寄存器數(shù)量為0x0006；校驗(yàn)為0x7008。響應(yīng)是01 04 0C 00 63 80 00 80 00 80 00 80 00 80 00 3C BA共17個(gè)字節(jié)。響應(yīng)位表示符號位，若為1表示數(shù)值為負(fù)，傳輸數(shù)據(jù)用十六進(jìn)制表現(xiàn)，現(xiàn)將其轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制，再對最高位的正負(fù)數(shù)進(jìn)行判別。若返回?cái)?shù)據(jù)位是0xFF05，其實(shí)際溫度是： 
溫度實(shí)際測量值為 =((0xFF × 256+0x05) − 0xFFFF − 0x01) ÷ 10 = −25.1℃ 
若CRC校驗(yàn)為負(fù)，通訊結(jié)束，數(shù)據(jù)不能進(jìn)行重新啟動和傳輸，保障準(zhǔn)確的通訊結(jié)果。
2.2 渦輪流量檢測
設(shè)計(jì)中應(yīng)用LWGY-15型號的渦輪流量傳感器，比普通類型的流量傳感器優(yōu)勢明顯，具有高工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用環(huán)境惡劣也能被大量應(yīng)用，安裝輕巧方便，且能被反復(fù)使用。在惡劣的工業(yè)環(huán)境中渦輪流量傳感器應(yīng)用更多，即使是不銹鋼或是更硬的合金材料管中也受到應(yīng)用的影響，但渦輪流量傳感器測量的介質(zhì)必須含污染物較少，工作溫度下介質(zhì)粘度小于6 25 10 m /s−× 。防爆型渦輪流量傳感器可在含潛在爆炸危險(xiǎn)的環(huán)境中適用，配合特殊顯示儀表，完成預(yù)警報(bào)警的功能。對于太陽能熱水工程遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)而言，除環(huán)境溫度較高外，其余條件均適宜采用此流量傳感器。
 
圖2-2 渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)以及安裝尺寸設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖
流量傳感器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖中從左到右標(biāo)記符號分別為過濾器、介質(zhì)入口管道、葉輪、信號放大器、傳感器外殼以及介質(zhì)出口管道。流量傳感器測得的數(shù)據(jù)直接通過采集器發(fā)送到嵌入式控制器端，控制器通過該數(shù)據(jù)計(jì)算各項(xiàng)參數(shù)，主要測量部位包括集熱器進(jìn)水管道，冷水管道，入戶管道，管路循環(huán)進(jìn)水部分以及管路循環(huán)回水部分。
2.3 壓力式水箱水位檢測模塊
壓力式液位計(jì)傳感頭的制造材料是特殊材質(zhì)擴(kuò)散硅，傳感器直接讀得的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)電信號，故不需要做信號轉(zhuǎn)換。壓力式液位計(jì)傳感器在很多重工業(yè)和化工業(yè)應(yīng)用較為廣泛，對測量的介質(zhì)要求低，體積小攜帶方面，具有適用無障礙等特點(diǎn)。由于壓力式液位計(jì)信號輸出提供的是電流信號，所以系統(tǒng)先將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，再通過控制系統(tǒng)的 SH79F166A 的片內(nèi) AD 進(jìn)行采樣電壓，采樣得到的電壓，再經(jīng)過數(shù)據(jù)對比與標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)了水箱水位的檢測，檢測方法簡單。
2.4  三相電能計(jì)量模塊
3  系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的軟件設(shè)計(jì) 2000
3.1  軟件部分的整體設(shè)計(jì)
3.2  數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)拇诮邮占暗綦娫O(shè)計(jì)
3.3  上水、供水、集熱循環(huán)控制設(shè)計(jì)
3.4  恒溫循環(huán)控制設(shè)計(jì)
4  軟件實(shí)現(xiàn)及功能測試 1000
4.1  主要模塊功能實(shí)現(xiàn)
4.2  Web監(jiān)控模式實(shí)現(xiàn)
4.3  系統(tǒng)功能驗(yàn)證測試
參考文獻(xiàn)

本文編號：246664