热计量阀门控制器的设计与功能拓展

田建宙 李 虹

(太原科技大学电子信息工程学院，太原 030024)

热计量阀门控制器的设计与功能拓展

田建宙 李 虹

(太原科技大学电子信息工程学院，太原 030024)

针对目前热计量阀门基本采用手动方式控制阀门流量，交付定量取暖费，而且不具备远程抄表功能的问题，设计了热计量阀门控制器，在控制器加装热量表并配以电动阀，实现了阀门的远程控制、分户计量和远程抄表功能。

阀门控制器 热计量 远程抄表

随着我国节能减排力度的加大，在冬季采暖实行分户计量措施势在必行。热计量是城市集中供热系统中，对供热介质从热源得到的热量或用户消耗的热量所进行的计量。热计量的主要目的是确定生产或消耗的热能，从而监督并计算热源设备的效率或作为向用热用户收取用热费用的依据。目前，大部分热计量采用用户向供暖公司交付定量取暖费的方式，这种方法不科学也不合理。而且，热计量阀门也基本采用手动方式控制阀门的流量，不具备远程抄表功能。出于节能减排的考虑，热计量将成为发展方向，对加强供热的科学管理和节约能源，具有十分重要的意义。

目前发改委已公布了12个供热计量试点城市，用热分户计量预计也将随后实施。为了解决热计量数据的远程采集并实现对阀门的自动控制，提出在热计量阀门控制器上加装热量表并配以电动阀，同时设计相关软件流程[1]。

1 用热计量的理论基础

根据热力学第一定律，在单位时间内，供热介质通过被计量对象所得到的(当Δh>0时)或放出的(当Δh<0时)热量Q1-2的计算式为：

Q1-2=M(h1-h2)=ρqVΔh

(1)

式中h1、h2——供热介质流出、流进被计量对象(锅炉、热用户及换热器等)的焓值；

M——供热介质的质量流量；

qV——供热介质的体积流量；

ρ——供热介质的密度。

将式(1)积分，就可以求得在一段时间内的累积热量值(或积算热量值)。

2 阀门控制器的结构和硬件电路

分户用热计量必须要用到热量仪表，可以从市场上购买到。笔者设计的重点是将热计量仪表的数据收集[2]并且传到上位机，再同原先存储的数据进行比较，来判断是否继续开启热计量阀。末端设备主要是加装智能控制器阀门、热量表等。理论上，一个家庭不可能只有一个暖气片，所以可以接一个485/电源接口，理论上一个485/电源总线可以接32个控制器，即阀门的每条485/总线由一对电源线和一对485通信线组成。

在调查中发现，目前市场上智能阀门的热计量控制器中的电池是很棘手的问题，本设计采用市转24V电源模。其中热计量的数据可以进行远程抄送，即利用控制器的传输功能将数据传回[3]。在进入冬季供暖期之前，先进行暖气片测试，目的是保证它在此后的运行过程中顺利进行。本设计在上位机中可以直接操控阀门开关，判断它是否按要求运作，这样可以避免对每个用热计量控制器和阀门进行逐一排查。本设计还具有断电自闭功能和自动故障报警功能，这样可以避免人为破坏。阀门控制模块的结构框图如图1所示。

图1 阀门控制模块的结构框图

利用Protel99se进行PCB电路板的制作，控制器主控部分的PCB电路如图2所示，其中M为

执行器[4]，用以开启或关闭阀门。在M上下都各有两个三极管，本设计就是利用三极管的特性来设计阀门驱动电路的，第一组三极管为Q3和Q2，第二组三极管为Q1和Q4，当第一组三极管全部导通时第二组是不会导通的，当第二组三极管全部导通时第一组是不会导通的，这就形成了良好的互锁控制，通过这样的设计保证了执行器的正转、反转或停止的顺利进行。同时在执行器中装入光耦传感器，很好地记录正转与反转的大小，这样就实现了阀门开启的大小定位[5]。

图2 控制器主控部分的PCB电路

3 软件流程

本系统中，软件部分的主要功能是：实现阀门控制器的自动维护，即定期或不定期地在计算机上对阀门进行操作，以防止它锈死或结垢[6]；进行智能电动阀和热能表工作状态的查询功能；断电自闭、自动故障报警和自诊断功能，即当电动阀或热量表出现故障时在5min后自动进行报警。除此之外，还预留有远程分户控制，分户可以远程控制智能电动阀的开、闭和开度，还可实现用户的银行交费、远程抄表与计费功能，期间若有欠费阀门会自动关闭，在缴费之后阀门才可以开启。

如图3所示，当单片机检测到fk为1时接到的命令是阀门开启，当收到的命令是fk为0时阀门关闭。单片机接收到热计量仪表传来的数据后保存，5min再接收一次，同时判断fk是否为零，如果fk为0则跳过此过程，否则同上一次数据进行比较，如果测试结果超出了一定范围(通过相关算法求得)则置标志位fb为1，同时报警(即智能阀门或热量计出现问题了)；如果测试结果在设定范围内标志位fb为0则覆盖前一次的数据。每次记录数据的同时通过数据传输模块传到上位机，同上位机的此序号记录的数据进行比较，如果超过了上位机记录的数据(即超过了设定的最高热量值)则标志位Cc为1，阀门下达关阀门命令，同时将此数据与原数据比较的结果存在上位机，当标志位Cc为0时用本次记录的数据覆盖前次记录。其中在阀门开启与关断时单片机要检查传感器传来的数据是否对应为阀门开到位，若标志位Dd为1表示开到位了，若标志位Dd为0表示没有开到位需要继续开阀；阀关到位的标志位为Gd，当Gd为1表示阀门关到位不需要在关阀门，当Gd为0表示阀未关到位需继续关闭。

图3 阀门控制流程

利用VB进行阀门控制器软件编程，在远程抄表过程中根据热流量计量仪传来的数据控制阀门的开启与关闭。

4 功能拓展

在系统的拓展功能中，增设了远程抄表和远程控制功能。实现远程输入即远程抄表：远程输入采用GPRS虚拟专网和无线数传电台进行通信，采用小功率数传电台组网，在控制中心与住宅小区之间租用GPRS公网[7]。移动公司为该专用虚拟无线网络设置了一个专有APN，控制中心通过DDN专线直接接入GPRS无线交换系统的GGSN。每个住宅小区放置一只GPRS Modem，每个GPRS Modem凭接入该APN的权限，通过GPRS网络和DDN专线实现与控制中心的通信[8]。另外，银行可以通过DDN专线直接与计费控制中心交换数据，这样就实现了取暖费的银行交费功能。

5 结束语

城市冬季供暖系统中，热计量阀门控制器设计的主要特点就是实现自动抄表、自动报警和远程控制；通过热计量仪表还可以很准确地测量热量利用率，利用软件方式计算并传输可用热量值、剩余热量值和使用热量值到上位机，节约了大量的人力和资源，具有广阔的市场应用前景。

[1] 胡寿松.自动控制原理[M].北京:国防工业出版社,1999:412～418.

[2] 王普超,田勇,高志强.阀门知识的信息化表达[J].河南科技,2015,(1):5～7.

[3] 何衍庆,邱宣振,杨洁,等.控制阀工程设计与应用[M].北京:化学工业出版社,2005:202～210.

[4] 林慧.智能电气阀门定位器的研究开发[D].天津:天津大学,2003.

[5] 刘国平,廖宣亮,胡瑢华.智能阀门定位器控制算法的改进[J].化工自动化及仪表,2012,39(4):515～517.

[6] 王东睿,郝秀平,曹式录.电动阀门常见问题及产生原因[J].电力建设,2000,21(11):70～72.

[7] 谢玉东,王勇,刘延俊.调节阀技术研究综述[J].化工自动化及仪表,2012,39(9):1111～1113.

[8] 陈学泉,关宇东.嵌入式TCP/IP协议单片机技术在网络通信中的应用[J].电子技术应用,2002,28(8):48～49.

2016-05-16(修改稿)

TH138.52+2

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1000-3932(2016)08-0891-03