摘 要：本文介绍了一种锅炉供暖节能控制系统，采用测控网络传输监测户外温度，通过控制循环水管中的热水流量，调节循环水温，保证住户室内温度保持在一个稳定的范围内，使整个供暖系统控制的室温按着预定的供暖曲线自动调节，满足了不同情况下的供暖需求。同时能够保存以往的供暖数据，便于进行统计分析。应用该系统既保证了舒适的供暖，又最大程度的节约了燃料，防止了过量供暖，降低了运行费用。
关键词：RS485网络;温度测量;蝶阀控制;集中控制
目前，我国冬季供暖需要消耗大量的煤、天然气等能源，使用效率低。其原因是供暖系统采用锅炉循环烧水集中供暖，供暖水温依靠人工调节，不能根据白天和夜晚、晴天和雨天的天气变化自动控制好锅炉燃料供给，也不能控制好锅炉供暖系统中热水循环的流量，系统能源消耗巨大，供暖效率差，用户室温冷热不均现象严重。为节省能源，我们研制出了供暖节能控制系统。该供暖节能控制系统采用计算机测控网络，将用户室温、锅炉出水温度、回水温度和冷热混合水温度检测传输到控制中心，控制中心服务器根据需要制定一个供暖曲线自动控制热水循环系统中的水流量，很好的解决了用户室温冷热不均现象，大大地节省了能源，极大地提高了系统的工作效率，改善了供暖系统的运行管理模式。
1 硬件系统
供暖系统由集中控制器、温度测量系统、蝶阀电机控制系统和计算机系统四大部分组成，通过RS-485总线把它们连接成为测控网络，系统结构示意图如图1所示。
图1中，温度测量系统负责采集住户室内温度、室外温度、锅炉出水温度、混合水温度和回水温度，通过测控网络实时地将温度数据传送给集中控制器进行处理。蝶阀电机控制系统根据从集中控制器发来的操作命令控制蝶阀的开启度，从而控制通过旁管的回水流量。集中控制器通过测控网络接收各个采样点采集的温度数据进行保存和处理，根据处理结果控制蝶阀电机动作，以达到自动控制住户室内温度的目的。为了远程实时监控供暖温度，保存大量的供暖运行数据，系统配有一台PC机，以便管理人员进行网上远程监测和系统扩展。
图1 供暖节能系统结构示意图
Fig.1 configuration of the boiler heating system
1.1 集中控制器设计
集中控制器是整个控制系统的核心，负责远程温度数据采集、蝶阀电机控制、温度数据打印、系统运行设置、系统信息显示以及与PC机的通讯等。集中控制器由89C51、PCF8583、AT24C512、MAX485、LED显示器和微型打印机组成，可以保存和查看供暖系统的所有信息，如：温度信息、阀门状态、当前时间和当前用户个数等。可以分别对各个用户的任何时间的供暖温度数据进行打印，系统结构如图2所示。
图2 集中控制器系统框图
Fig.2 circuit of intelligent control system
集中控制器要完成以下任务：
① 数据显示。集中控制器将采集到的数据实时的显示出来，数据显示采用十四个LED数码管进行动态扫描显示。工作状态下显示的内容包括：当前用户的数量、各个用户的室内温度、所有用户室温的平均值、锅炉出水温度、混合水温度、回水温度和室外天气温度以及蝶阀的偏转角度。控制状态下显示的内容包括：需要进行采样室温的用户数量、用户理想室温预设值、需要打印温度数据日期和当前时钟（包括年月日时分秒）等。
② 数据打印。供暖温度数据不仅需要显示，还需要在必要的时候将以前的温度数据打印出来。打印机选用的是沈阳新荣达电子的MP系列汉字微型打印机MP-D16-8+，它是带汉字字库的智能型打印机，每行可打印16个字符。通过集中控制器的控制可打印某月某日的所有用户的供暖温度数据。
③ 数据存储。供暖温度的数据要查看和打印，就要事先将它们存储起来。存储芯片选用I2C接口的E2PROM类芯片AT24C512。AT24C512具有64K字节的存储空间，且具有10万次的擦写能力，数据能够保存40年不丢失。如果每两个小时对各个采样点的数据进行一次存储，可以存储17个采集点一年的供暖温度数据。另外存储芯片还保存有一些系统的其他重要信息，如：系统密码等。
④ 实时时钟。待查看和打印的供暖数据，需要与具体的时间一一对应起来，否则这些数据就没有实际意义。只有将温度数据与具体的时间联系起来，才能反映具体的供暖情况。系统采用专用时钟芯片PCF8583，设置好其工作方式后，能够自动运行，在需要的时候可以读取时钟数据。为防止系统掉电，采用一组电池对时钟芯片单独供电，这样就不需在系统掉电后重启时重新设置时间。PCF8583是一款带有256个字节的时钟/日历芯片。地址和数据通过I2C总线传输。在每次对数据字节的读或写操作后，内建的字地址寄存器自动增加。芯片内置的32.768KHz振荡器和RAM的前8个字节用于时钟/日历和计数器功能。不过在系统初次开机时需设置一个时间值。
⑤ 与温度测量系统及蝶阀电机控制系统的通讯。要显示和存储供暖数据，就需要对温度数据及时采集。并且要实时地通知蝶阀电机控制系统进行相应的控制。智能化仪器之间进行的远距离通讯，现在可以用的方法很多，如RS485、CAN或因特网等都可以实现。RS485网络通信距离最多是1Km，且其最多可驱动的32个仪表;CAN通信距离可达10Km，而因特网通信距离可达世界每个角落。但是，考虑到成本和实际需求，系统采用RS485网络进行数据传输，且如果网络距离超过1Km，可以添加RS-485中继器（程凯等，2004）。
⑥ 与PC机的通讯。PC机要显示存储数据，需从集中控制器采集温度数据。目前与PC机的通讯用的最多的就是RS232方式，它最远的传输距离是15m左右，能够满足此系统要求（龚建伟，2001）。当然，如果特殊情况下想把PC机放在办公室，而集中控制器放在锅炉房，那么用RS232-485转换器即可实现（Mario de Sousa.2001）。
1.2 温度测量系统设计
温度测量系统包括用户数字温度测量仪、锅炉出水温度测量仪、回水温度测量仪、混合水温度测量仪和室外天气温度测量仪。用户数字温度测量仪主要采集用户的室内温度，然后送给集中控制器进行处理，再由蝶阀电机控制系统调节阀门开启度的大小来保证用户室温在一个稳定舒适的范围内。如保证白天用户的室内温度在18℃左右，夜晚用户的室内温度在10℃左右。锅炉出水温度测量仪、回水温度测量仪、混合水温度测量仪和室外天气温度测量仪主要用来给工作人员随时监测整个供热系统所处的环境和运行情况，以便即时调整燃料用量，降低能耗。用户数字温度测量仪的电路框图如图3所示。
图3 用户数字温度测量仪电路框图
Fig.3 circuit of numeric tempreture-measurement
温度测量芯片采用集成智能数字温度传感器DS18B20。DS18B20是DALLAS公司生产的单总线式数字温度传感器，测温范围为 -55℃～+125℃，转换精度为9～12位二进制数（包括符号一位），可编程决定转换精度的位数，测温分辨力是：9位精度为0.5℃, 12位精度为0.0625℃，转换时间是：9位精度 为93.75ms, 10位精度 为187.5ms, 12位精度 为750ms，且具有非易失性上、下限报警设定的功能。用户室内温度的精确度为0.1℃，测量温度范围为0.0℃～99.9℃。所以选择该温度传感器完全满足系统设计要求（陈永信，2002）。
室外天气温度测量仪的软、硬件和用户数字室温测量仪类似，只要去掉显示部分即可。而锅炉出水温度测量仪、回水温度测量仪和混合水温度测量仪的软、硬件和室外天气温度测量仪完全相同。所有的温度测量仪与集中控制器之间采用RS-485总线组成的测控网络进行数据传输。
1.3 蝶阀电机控制系统设计
蝶阀电机控制系统主要是接收集中控制器的命令来控制阀门的转动，包括阀门正反转、转动时间长短等。转动完成后利用蝶阀内部的可调电阻计算当前的阀门开启角度，同时将阀门的角度值传送给集中控制器，系统框图如图4：
图4 蝶阀电机控制系统框图
Fig.4 control system of butterfly valve
通讯部分的设计与温度测量仪相同，采用RS-485网络与集中控制器进行信息传输。电机驱动部分用双向光耦控制双向可控硅（晶闸管）实现蝶阀电机的正反转。同时，因为蝶阀的开启角度变化时，内部的可变电阻的阻值会跟着改变，利用这一特点结合微处理器AT89C2051内部的精密模拟比较器组成A/D转换器就可以测出这个可变电阻的具体阻值，从而间接得到蝶阀的开启角度。
蝶阀选用的是LQ系列的电动蝶阀（单相220V电机，60W）。图5是电动蝶阀的结构示意图。引脚Ø1、Ø2、Ø3是蝶阀内部可变电阻的3个输出脚，实际应用中可选Ø1、Ø2或Ø2、Ø3中的一对，相应的电阻值会随着蝶阀旋转角度的变化而变化。利用这一点可获得蝶阀的偏转角度。Ø4～Ø9脚是一些控制脚，内部由一些限位开关组成。Ø4是公共端，Ø8，Ø9是开、关到位指示，在蝶阀开到位或者关到位而没有彻底卡死时起指示作用。Ø7是故障指示，在蝶阀转动角度过大造成卡死以后，起到指示作用。一般用Ø4-Ø8通路表示蝶阀基本开到位，Ø4-Ø9通路表示蝶阀基本关到位，这时不允许继续开或关电机，否则会造成蝶阀卡死。如果卡死，则Ø4-Ø7之间通路，蝶阀卡死以后电机不能就会对阀门的转动失去控制，这时需要使用手柄去转动阀门。D1、D2、D3是三个交流电源接线端子，它们控制电机的正反转，且D1是公共端。
当D1、D2通以220V交流电时，电机正转，当D1、D3通以220V交流电时，电机反转。
图5 电动蝶阀结构示意图
Fig.5 configuration of butterfly valve
2 软件系统设计
为了便于对以前各年的大量的供暖数据记录进行查看，为该节能供暖控制系统配置了一台PC机（系统运行控制台），可以将所有的供暖数据都保存在电脑里。用电脑来保存数据不仅使得温度数值的显示更加直观，而且数据保存的可靠性更强。所有的供暖数据也有可移植性，例如可把温度数据记录通过软盘等磁盘工具移动到任何地方（如物业管理中心），这就更加便于管理人员的查看和研究。PC机部分的软件采用VB编程，通过串行口与集中控制器进行通讯。PC机系统软件的界面——“节能供暖控制台”如下：
图6 PC机系统软件界面
Fig.6 soft interface of PC system
PC机每隔两个小时对集中控制器中的供暖数据进行采集（也可通过“采样”按钮进行实时采集），采集回来的供暖数据经过处理后，首先存入数据库，然后再送到应用程序窗口中的表格进行显示。在PC机与集中控制器串行口通讯的软件编程中，采用VB6.0的MSComm通信控件进行通讯程序设计，MSComm通信控件允许建立串口连接，可以连接到其他通信设备（如Modem）、 还可以发送命令、进行数据交换以及监视和响应在通信过程中可能发生的各种错误和事件，从而可以用它创建全双工的、事件驱动的、高效实用的通信程序（孙志刚，2001）。
3 结语
从目前我国的经济发展和市场的应用前景来看，我们所设计的供暖节能控制系统还有很大的发展和应用空间，这也是目前国内的许多厂家竞相生产同类产品的原因。然而随着科学技术的不断发展和越来越严重的能源消耗，必将出现各种新的供暖节能技术，我们也将不断地完善这一系统，以满足市场的需求和社会的需要。
本文作者创新点：利用单片机完成各测控点系统设计，利用RS485网络实时监控整个锅炉供暖系统，可通过PC机进行实时数据查看。整个系统功能强大，能够保证冬季供暖的顺利运行。
参考文献:
[1]郭皓，黄华.远程数据采集控制分布式系统设计[J].微计算机信息，2006，6-1：137-138
[2]程凯,孙克,曹伟,等.2004.RS-485总线理论及应用分析[M].中国海洋大学物理系.
[3]陈永信.2002.温度传感器的选择策略[J].电子产品世界.
[4]龚建伟.2001.浅析PC机串口通讯流控制[J/OL].龚建伟技术主页,[2005-3-12].http://www.gjwtech.com/scomm/scpccommflowcontrol.htm.
[5]Mario de Sousa.2001.RS232 - RS485 converters[M]. the Automation List dept.
[6]孙志刚.2001.VB访问数据库的方案比较[J/OL].飞鸟工作室,[2005-5-12].http://www.hktk.com/soft/program/article/vb/vb284.html.