基于4G网络的区域供热控制器的设计

刘 伟，王博伟

（吉林化工学院，吉林 吉林 132022）

0 引 言

我国城市供热广泛采用集中供热，集中供热系统主要由热源、热交换网络、热用户组成[1-5]。供热系统的供热管网分为一次网和二次网，其中一次网包括热源、换热站，二次网包括换热站、热用户。作为一次网和二次网的重要连接枢纽，换热站安装有各种系统监测仪器仪表，且承担一次和二次网的热量交换、手动调节的角色，结构如图1所示。针对目前国内采用的供热控制器存在的控制设备成本较高、设备配线相对复杂等问题，本文采用STM32单片机进行设计，具有集成度高、安装维护简单、成本低的特点。

图1 供热系统结构

1 供热控制器硬件系统设计

1.1 供热控制器硬件系统结构

热网的控制过程主要是保证热量的供给、合理控制管网中循环水的流量、保障室内温度适宜的过程[6-8]。

本文的控制器系统结构主要包括STM32主控单元、温度和压力等模拟量测量单元、4～20 mA模拟量输出控制单元、开关量输入输出接口单元、隔离RS 485单元、4G无线网络通信单元等组成，结构如图2所示。

图2 控制器系统结构

1.2 STM32核心电路的设计

STM32F103VCT6是ST公司生产的Cortex M3系列单片机，内置256 KB程序存储器、48 KB数据存储器，具有82个GPIO接口、16路12位ADC、8个定时器、5个UART通信控制器以及2个I2C通信控制器，最高工作频率可达72 MHz，具有良好的性能及较高的集成度，极适合高集成、高性价比的嵌入式工业控制器的设计[9-10]。因此，本次设计以STM32F103VCT6为控制核心，实现了对换热过程中信号的采集与输出控制，其核心电路如图3所示。其中，电容C1和R1组成上电复位电路，Y1、C2和C3构成了系统时钟电路，单片机提供8 MHz的振荡频率，C4～C10为电源引脚退耦电容，SWD为三线下载调试接口。

图3 STM32最小控制系统电路原理

模拟信号的精确测量需要为ADC提供稳定电压基准，基准电路采用TL431并联式低噪声三端电压基准芯片进行设计。TL431输出电压可在2.495～36 V调节，电压参考误差为±0.4%，工作温度可达-40 ℃，温度系数为20 ppm/℃，负载电流可达100 mA，并且具有0.22 Ω低动态输出阻抗。

电压基准电路中3.3 V电压经L1电感和C11、C12滤波流过电阻R3后由TL431产生2.5 V基准电压，2.5 V基准电压通过STM32单片机的21脚Vref＋接入ADC内部模拟电路，为测量提供基准电压。

1.3 信号采集与控制电路设计

供热控制器测量与控制信号均采用工业标准信号，现场温度、压力及流量均采用4～20 mA标准信号进行传输，对调节阀、循环泵和补水泵的输出控制也采用4～20 mA模拟量，现场开关量输入信号采用光电隔离电路进行采集，开关量输出信号采用继电器进行控制。

1.3.1 4～20 mA模拟信号测量电路的设计

4～20 mA信号通过V/I变换电路后送入STM32单片机的ADC进行测量，如图4所示。

图4 模拟输入电路

4～20 mA信号经UR1流经100 Ω采样电阻Rs1至地线回路，在采样电阻Rs1上实现了V/I变换，Rs1上电压经R4和C15组成的低通滤波器对信号进行滤波降噪再送入STM32F103VCT6 ADC采集通道对信号进行采集。其中自恢复保险丝UR1、瞬态抑制二极管D1以及D3对信号输入端和ADC输入端进行电压钳位保护，以防错接信号而损坏测量电路及单片机等控制器内部器件。

V/I变换及ADC测量关系如下：

式中：Vref为单片机的参考电压，取值2.5 V；N为ADC测得的数字量。

1.3.2 4～20 mA模拟信号输出电路设计

变频器、调节阀等采用4～20 mA模拟量进行控制，因其需要3路模拟量进行控制，而STM32只集成了2个DAC，因此本设计放弃了DAC电路而采用PWM方式进行控制。图5为PWM方式控制的DAC电路，实现了PWM对输出电压的控制。

图5 PWM方式控制的DAC电路

4～20 mA的U/I变换电路如图6所示，实现了UPWM到输出电流的变换。

图6 4～20mA信号输出电路

图6中二极管D4、瞬态抑制二极管D5及自恢复保险丝UR13实现了对电流输出电路的保护。

1.3.3 开关量输入输出电路设计

现场运行启停等开关量控制输入信号采用光电隔离电路进行采集，并送入CPU进行处理，开关量输入信号共8路，如图7所示为其中一路光电输入电路，实现了电平转换及光电隔离的作用。

图7 开关量光电隔离输入电路

现场开关量输出驱动采用继电器，电路如图8所示，STM32F103VCT6输出的控制信号经8路复合管集成驱动芯片ULN2803驱动继电器，用以控制循环泵和补水泵的启停等操作。

图8 ULN2803继电器驱动电路

2 系统通信电路的设计

供热系统控制器需要与现场触摸屏进行通信，为此控制器设置了RS 485隔离通信电路。同时设计了4G移动网络通信单元，实现与远程中控平台进行通信。

2.1 RS 485总线通信电路

本系统与上位机和采集卡采用RS 485总线方式连接进行通信，RS 485串行总线以标准差分信号传输，抗干扰能力强，传输距离长，支持双向多点通信，单个网络可搭载32个节点。连接方式如图9所示。

图9 RS 485总线连接方式

当RS 485总线通信进行长距离的数据传输时，若遇到阻抗不连续和突变的情况会引起信号反射，导致信号失真。为了增加RS 485的抗干扰性，需要在A、B两线之间并接一个120 Ω的电阻。控制芯片采用BL3085。

2.2 4G网络通信硬件系统

本供热控制器与远程监控平台通信采用4G无线通信，通过4G网络将供热数据传输至监控平台进行分析处理，以使系统做出最佳控制决策。

本系统采用LTE cat-1 WH-GM5无线通信模组，其下行通信速率为10 Mb/s，上行速率为5 Mb/s，具有毫秒级延时，完全可满足供热数据的传输任务需求。图10为4G无线通信单元电路原理。该4G通信芯片需要外接SIM卡才能获得4G信号，故设计SIM卡电路如图11所示，每路信号都采用电容滤波，复位、数据、时钟信号均与地接入TVS，防止干扰和高压损坏芯片。

图10 GM5芯片I/O电路

图11 GM5-SIM卡电路

为正常获取4G信号，还须设计天线电路以保障信号正常传输。如图12所示，4G信号经TVS保护电路后再通过电容滤波送入GM5芯片。

图12 GM5天线电路

3 结 语

本文的供热控制器是基于ARM内核设计的，经实际测试采集与控制发现其精度较高、控制效果较好、系统运行可靠稳定。系统具有体积小、集成度高、安装调试便捷、成本低等特点，具有较强实用性与推广价值。