李 佳 亮，王 雅 君，王 德 權(quán)

（大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 大連 116034）

0 引 言

在全國(guó)積極推行低碳發(fā)展、節(jié)能減排的大背景下，北方采暖地區(qū)供熱計(jì)量改革提上日程。從2010年開始，住建部提出要求北方新建住宅都要進(jìn)行分戶熱計(jì)量，住建部《供熱計(jì)量技術(shù)規(guī)程》明確提出4種分戶熱計(jì)量方法中，通斷時(shí)間面積法位列其中。通斷時(shí)間面積法遵循“樓棟計(jì)量、分?jǐn)側(cè)霊簟钡脑瓌t［1］，以每戶的采暖面積和供暖系統(tǒng)的通水時(shí)間為依據(jù)，分?jǐn)偨ㄖ目偣崃浚?］。熱計(jì)量遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)將信息技術(shù)應(yīng)用于城市供熱，充分發(fā)揮了信息化的優(yōu)勢(shì)，使城市供熱更加科學(xué)、高效、透明。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的在于優(yōu)化供熱部門資源配置，達(dá)到節(jié)能減排的效果，調(diào)動(dòng)居民參與供熱節(jié)能改造的積極性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

按照系統(tǒng)的需求分析以及技術(shù)方案，基于通斷時(shí)間面積法的熱計(jì)量遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)由五部分組成：室溫控制器、通斷控制器、熱量表、樓棟管理器、數(shù)據(jù)中心［3］，如圖1所示。

熱計(jì)量遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)拓?fù)潢P(guān)系如圖2所示。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心與樓棟管理器之間通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，樓棟管理器與熱量表、通斷控制器之間通過M－BUS抄表總線進(jìn)行連接，通斷控制器與室溫控制器之間通過無(wú)線通信連接，各設(shè)備詳細(xì)功能如下：

圖2 系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.2 Topology diagram of the system

室溫控制器：放置于用戶室內(nèi)，具有室內(nèi)溫度的采集、遙控閥門的開關(guān)、欠費(fèi)通知的顯示等功能。室溫控制器通過無(wú)線通信方式與通斷控制器連接，與通斷器實(shí)時(shí)進(jìn)行信息交互。

通斷控制器：安裝于室外，與供熱管道入戶閥門相連，通過控制電動(dòng)閥門的開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)室溫的調(diào)節(jié)，并能夠按照分?jǐn)傊芷趯?duì)閥門周期的開啟時(shí)間進(jìn)行記錄。通斷控制器能夠?qū)崟r(shí)接收樓棟管理器指令，根據(jù)指令完成數(shù)據(jù)上傳、時(shí)鐘校準(zhǔn)、實(shí)時(shí)開關(guān)閥、非供暖期休眠、用戶溫度設(shè)定等功能。

熱量表：安裝于樓棟供熱主管道，對(duì)樓棟熱量消耗值進(jìn)行采集，能夠?qū)崟r(shí)接收樓棟管理器抄表指令，并將熱量值、進(jìn)／回水溫度以及各個(gè)運(yùn)行參數(shù)上傳到樓棟管理器。熱量表應(yīng)達(dá)到二級(jí)表精度要求［4］，熱量表的精度是整個(gè)通斷時(shí)間面積法能夠精確計(jì)量的根基。

樓棟管理器：通過M－BUS 總線與通斷控制器和熱量表相連，配有GPRS 無(wú)線通信模塊，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)供熱數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程上傳到數(shù)據(jù)中心［5］。

2 通斷時(shí)間面積法

2.1 通斷時(shí)間面積法簡(jiǎn)介

通斷時(shí)間面積法基于通斷時(shí)間面積算法，利用用戶閥門開啟時(shí)間作為分?jǐn)偟幕A(chǔ)，結(jié)合各個(gè)用戶供熱面積、熱用戶總數(shù)、分?jǐn)傊芷谝约翱傁臒崃坑?jì)算出各用熱戶分?jǐn)偀崃康臒嵊?jì)量方法。

傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)最大的問題是熱網(wǎng)的水力失調(diào)、熱力失調(diào)和監(jiān)測(cè)手段的缺乏，二次供熱網(wǎng)中這些問題尤其突出，因此，建立針對(duì)二次供熱網(wǎng)的供熱信息系統(tǒng)可以給供熱企業(yè)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益［6］。

在通斷時(shí)間面積法系統(tǒng)中，閥門開啟時(shí)間的概念替代了傳統(tǒng)熱量表測(cè)量熱量的方法，此舉不僅簡(jiǎn)化了分戶計(jì)量之后的管理難題，還解決了由于流量計(jì)的制造精度問題而帶來(lái)的計(jì)量偏差過大問題［7］。

通斷時(shí)間面積法解決傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)問題的同時(shí)又能夠?qū)崿F(xiàn)分戶的控制、調(diào)節(jié)和計(jì)量，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，是一種適應(yīng)我國(guó)國(guó)情的熱計(jì)量方法。

當(dāng)然，任何事物都有它的局限性，在現(xiàn)場(chǎng)使用過程中，發(fā)現(xiàn)了一些制約通斷時(shí)間面積法使用和推廣的問題，比如計(jì)量用戶的熱負(fù)荷和供暖系統(tǒng)供暖能力不相匹配、建筑熱惰性與調(diào)節(jié)之間的矛盾、總熱量表的安裝等問題［8］。

總體來(lái)說(shuō)，通斷時(shí)間面積法是一種科學(xué)、高效的熱計(jì)量方法，值得在我國(guó)推廣和使用。

微生物的生長(zhǎng)曲線代表該微生物在新的環(huán)境中生長(zhǎng)繁殖直至衰老死亡全過程的動(dòng)態(tài)變化，一般分為遲緩期、對(duì)數(shù)期、穩(wěn)定期和衰亡期4個(gè)階段。魯氏酵母菌生長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖1。

2.2 通斷時(shí)間面積法計(jì)算方法

通斷時(shí)間面積法中熱用戶的分?jǐn)偀崃坑?jì)算公式［9］為：

式（1）中：Qi為第i個(gè)熱用戶分?jǐn)傊芷趦?nèi)或供暖總時(shí)間內(nèi)分?jǐn)偀崃?，kW·h；Si為第i個(gè)熱用戶的建筑面積，m2；Q為分?jǐn)傊芷趦?nèi)或供暖總時(shí)間內(nèi)樓棟熱量表計(jì)量的熱量值，kW·h；n為參與熱分?jǐn)偟臒嵊脩魯?shù)量。式（2）中：εi為第i個(gè)熱用戶閥門周期開啟時(shí)間比或閥門累計(jì)開啟時(shí)間比；Δτ為分?jǐn)傊芷诨蚬┡倳r(shí)間，h；Δτ′為第i個(gè)熱用戶在分?jǐn)傊芷趦?nèi)或供暖總時(shí)間內(nèi)閥門累計(jì)開啟時(shí)間，h。

綜合公式（1）、（2）可得

在本項(xiàng)目中，分?jǐn)傊芷讦う尤?h，故可將公式簡(jiǎn)化為

假設(shè)Hi＝Δτ′iSi，可得：

由公式（5）可知，在分?jǐn)傊芷诠潭ǖ那疤嵯?，?jì)算熱用戶周期分?jǐn)偭?，可先?jì)算出每戶的周期開閥時(shí)間與供熱面積的乘積Hi，將Hi代入公式（5），即可算出熱用戶的周期分?jǐn)偅瑢⒂脩裘恐芷诘姆謹(jǐn)偭坷奂?，可得用戶的累?jì)分?jǐn)偭?，累?jì)分?jǐn)偭渴鞘召M(fèi)的重要依據(jù)。

3 樓棟管理器設(shè)計(jì)

3.1 樓棟管理器總體設(shè)計(jì)

樓棟管理器主要由ARM 核心模塊、M－BUS通信模塊、觸摸顯示屏、GPRS模塊組成。

ARM 核心模塊是樓棟管理器的運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理的核心，模塊搭載Windows CE 嵌入式操作系統(tǒng)，配備自主開發(fā)的數(shù)據(jù)采集處理軟件，實(shí)現(xiàn)抄表指令發(fā)出、抄表數(shù)據(jù)處理、抄表系統(tǒng)總體調(diào)度等功能，其硬件選用三星ARM9處理器S3C2416，主頻400 MHz，配備128 MB DDR2內(nèi)存和1GB Nand Flash，經(jīng)實(shí)際使用，核心模塊硬件性能能夠滿足樓棟采集器數(shù)據(jù)處理要求。

M－BUS通信模塊是樓棟管理器與通斷控制器、熱量表進(jìn)行通信的基礎(chǔ)，樓棟管理器作為MBUS總線的主機(jī)，通斷控制器及熱量表作為從機(jī)，由主機(jī)發(fā)出抄表指令，從機(jī)應(yīng)答。M－BUS總線是一種半雙工通信總線，其主要優(yōu)勢(shì)是可以對(duì)從機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程供電［10］，減少元器件的使用，降低成本。

GPRS通信模塊能夠接入運(yùn)營(yíng)商GPRS 網(wǎng)絡(luò)，利用GPRS系統(tǒng)提供的廣域無(wú)線IP與數(shù)據(jù)中心建立網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)樓棟管理器與數(shù)據(jù)中心的遠(yuǎn)程連接［11］。GPRS 模塊不僅能夠把需要上傳的數(shù)據(jù)封裝成TCP／IP 數(shù)據(jù)包，通過Internet傳送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)中心，而且能夠接收數(shù)據(jù)中心發(fā)出的TCP／IP數(shù)據(jù)包，將數(shù)據(jù)包通過RS232接口傳遞給ARM 核心模塊。

3.2 數(shù)據(jù)采集

按照技術(shù)協(xié)議要求，M－BUS總線上最多掛載256個(gè)設(shè)備，樓棟管理器需每10 min抄表1 次，采用輪詢方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)還應(yīng)具備多種控制功能，比如通斷控制器的校時(shí)。實(shí)現(xiàn)這些功能需制定合理的通信協(xié)議，本節(jié)著重介紹通信協(xié)議的制定規(guī)則。

通信中的信息幀由前導(dǎo)碼、幀起始符、儀表類型、從站地址域、控制碼、控制參數(shù)、檢驗(yàn)位和結(jié)束符8部分組成［12］。

（1）前導(dǎo)碼：在主站或從站發(fā)送的所有信息幀的開頭有一串固定長(zhǎng)度的十六進(jìn)制字節(jié)“FEFE”，即前導(dǎo)碼。

（2）幀起始符：表示一個(gè)幀的開始，幀起始符為“68H”。

（3）儀表類型：由于本項(xiàng)目中需從通斷控制器和熱量表兩種儀表中采集數(shù)據(jù)，故用儀表類型區(qū)分，規(guī)定儀表類型“50H”為通斷控制器，“30H”為熱量表。

（4）地址域：每個(gè)從機(jī)都有一個(gè)唯一地址碼，發(fā)送抄表指令時(shí)，協(xié)議中地址域由4個(gè)字節(jié)組成，每個(gè)字節(jié)為2位BCD 碼格式。

（5）控制碼：控制碼是包含儀表控制信息的一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，具體定義：“01H”輪詢命令，“02H”欠費(fèi)通知，“03H”通斷控制器在線測(cè)試，“04H”強(qiáng)制關(guān)斷通斷器閥門。

（6）控制參數(shù)：控制參數(shù)是由6個(gè)字節(jié)組成，不同控制碼具有不同的控制參數(shù)。

（7）校驗(yàn)碼：校驗(yàn)碼CS 由一個(gè)字節(jié)組成，計(jì)算方法是從幀起始符開始到校驗(yàn)碼之前的所有字節(jié)進(jìn)行十六進(jìn)制算術(shù)累加，不計(jì)超過FFH 的溢出值。

（8）結(jié)束符：結(jié)束符與起始符作用相同，表示一個(gè)幀的結(jié)束，結(jié)束符為“16H”。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE中的應(yīng)用程序可以用微軟編程軟件Visual Studio 2008進(jìn)行開發(fā)，本項(xiàng)目中開發(fā)語(yǔ)言為C#［13］，數(shù)據(jù)庫(kù)采用嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQL Server CE［14］，該數(shù)據(jù)庫(kù)不僅提供了完整的SQL語(yǔ)法，包括內(nèi)聯(lián)接、外聯(lián)接，還內(nèi)置了數(shù)據(jù)同步技術(shù)，是一款穩(wěn)定、高效的嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)采集處理軟件在一個(gè)進(jìn)程下開啟多個(gè)線程來(lái)完成各個(gè)任務(wù)，軟件業(yè)務(wù)流程如圖3所示。軟件在完成必要的初始化數(shù)據(jù)和打開串口以后，會(huì)開啟一個(gè)新的線程進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度。調(diào)度部分的原理是將當(dāng)前時(shí)間和任務(wù)執(zhí)行時(shí)刻表進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)比對(duì)成功時(shí)說(shuō)明這一時(shí)刻需要有任務(wù)執(zhí)行，系統(tǒng)會(huì)開啟新的線程執(zhí)行任務(wù)。

圖3 軟件流程圖Fig.3 Flow chart of the software

軟件需要執(zhí)行的任務(wù)分為抄表、計(jì)算分?jǐn)?、時(shí)鐘校準(zhǔn)和上傳分?jǐn)?。通過程序的調(diào)度實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算和上傳。

軟件設(shè)計(jì)時(shí)，數(shù)據(jù)采集最大周期不應(yīng)大于分?jǐn)傊芷?。?jì)算分?jǐn)倳r(shí)的總熱量值應(yīng)為最近一次采集熱量值與上周期計(jì)算分?jǐn)偀崃恐档牟钪?，此差值即為周期消耗總熱量。?shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)，防止歷史數(shù)據(jù)過多導(dǎo)致采集計(jì)算過慢的問題。由于GPRS模塊數(shù)據(jù)傳輸速度受現(xiàn)場(chǎng)GPRS 網(wǎng)絡(luò)覆蓋程度影響［15］，設(shè)計(jì)軟件數(shù)據(jù)上傳部分時(shí)，宜將大數(shù)據(jù)包拆成小數(shù)據(jù)包分多次上傳，以保證數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)臏?zhǔn)確率。

4 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以熱計(jì)量中通斷時(shí)間面積法為基礎(chǔ)，在總結(jié)和研究了國(guó)內(nèi)外遠(yuǎn)程抄表技術(shù)的基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)與信息技術(shù)相結(jié)合，并綜合了嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)、GPRS遠(yuǎn)程通信等先進(jìn)技術(shù)。目前自動(dòng)抄表技術(shù)還在不斷發(fā)展中，未來(lái)自動(dòng)化儀表應(yīng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)模式，充分利用嵌入式微處理器、嵌入式操作系統(tǒng)以及大數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上開發(fā)和設(shè)計(jì)的信息網(wǎng)絡(luò)化智能化儀器儀表，必然會(huì)成為儀表行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

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