無線抄表系統(tǒng)在供熱計量中的應(yīng)用

葛玉龍　王蔓　王德權(quán)　徐朋

摘 要：介紹了一種以“通斷時間面積法”為供熱計量依據(jù)的新型無線抄表系統(tǒng)，在滿足《通斷時間面積法熱計量裝置技術(shù)條件》的基礎(chǔ)上簡化了計量裝置的設(shè)計，給現(xiàn)場安裝施工帶來了極大的便利。整個系統(tǒng)由采集計算器、無線通斷一體閥、無線室溫控制器、樓棟熱量表和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心服務(wù)器組成。它集計量、控制于一體，達(dá)到了供熱計量和節(jié)能的目的。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)被運(yùn)用于新疆、遼寧、北京等地，運(yùn)行情況良好。

關(guān)鍵詞：通斷時間面積法；RF433；M-BUS；GPRS

中圖分類號：TU995 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.098

我國供熱計量處于起步階段，隨著對建筑節(jié)能和供熱系統(tǒng)節(jié)能研究的不斷深入，熱計量和溫度控制已經(jīng)成為了當(dāng)前關(guān)注和研究的熱點。目前，國內(nèi)采取的熱計量方法大致有熱量表法、溫度面積法、通斷時間面積法等。2011年，中國建筑科學(xué)研究院負(fù)責(zé)組織有關(guān)單位編制了《通斷時間面積法熱計量裝置技術(shù)條件》，提出了應(yīng)用通斷時間面積法裝置熱計量時，應(yīng)滿足的技術(shù)條件?；诖?，國內(nèi)一些企業(yè)設(shè)計、生產(chǎn)出了符合此條件的計量裝置。但是，這些裝置之間是以有線的方式連接和通信的，在現(xiàn)場安裝、施工的過程中，經(jīng)常發(fā)生線路錯接和漏接的問題，給后期系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行帶來了極大的不便。鑒于此，本文設(shè)計了一種以“通斷時間面積法”為計量依據(jù)的無線熱計量抄表系統(tǒng)。它在滿足技術(shù)條件的基礎(chǔ)上簡化了裝置設(shè)計，將技術(shù)條件中的通斷控制器與閥門合并成通斷一體閥，并且以無線的方式與采集計算器、室溫控制器通信，為現(xiàn)場安裝施工和系統(tǒng)調(diào)試工作的順利進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)。

1 通斷時間面積法

通斷時間面積法的工作原理是：在建筑物熱力入口安裝熱量表計量采暖期內(nèi)整座建筑物的耗熱量，在用戶室內(nèi)安裝室溫控制器調(diào)節(jié)室溫，在用戶的分支管路上安裝通斷控制器控制供熱的通斷時間，然后系統(tǒng)依據(jù)各用戶的采暖面積和累計供熱通斷時間計算分?jǐn)偨ㄖ锵牡目偀崃?。熱量分?jǐn)傆嬎愎綖椋?/p>

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

2 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

整個無線熱計量抄表系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層和平臺管理層組成的。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

對于無線熱計量抄表系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集層用于采集、計算現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)和執(zhí)行平臺層下發(fā)的控制命令；數(shù)據(jù)傳輸層是運(yùn)營商提供的GPRS網(wǎng)絡(luò)，用于平臺層與采集層之間的數(shù)據(jù)傳輸；平臺層則實時遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備、管理供熱系統(tǒng)和用戶供熱的運(yùn)行狀態(tài)。

3 數(shù)據(jù)采集層結(jié)構(gòu)和計量裝置

數(shù)據(jù)采集計量裝置是整個系統(tǒng)的核心，它是由采集計算器、無線通斷一體閥、室溫控制器和樓棟熱量表組成的。其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.1 采集計算器

采集計算器主要用于采集樓棟熱量表、無線通斷一體閥、室溫控制器的供熱運(yùn)行數(shù)據(jù)，計算并分?jǐn)傆脩魺崃?，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將用戶分?jǐn)倲?shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，并執(zhí)行數(shù)據(jù)中心下發(fā)的控制命令。

采集計算器硬件系統(tǒng)是由核心板和底板組成的，核心板采用的是三星S3C2416處理器，基于ARM926EJ內(nèi)核，具有低功耗、高性能和低成本的特性。其操作系統(tǒng)采用的是嵌入式WinCE 6.0操作系統(tǒng)。采集計算器底板留有網(wǎng)口、RS485、RS232和MBUS等接口，通過RS232接口與RF433無線模塊、GPRS模塊連接，通過MBUS接口與樓棟熱量表連接。

采集計算器軟件系統(tǒng)以C#語言和SqlCe數(shù)據(jù)庫為技術(shù)基礎(chǔ)，通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)了整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、熱量分?jǐn)偂?shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)上傳和對無線通斷一體閥開關(guān)的控制等。其具體功能有：①在線測試。無線通斷一體閥和樓棟熱量表安裝完成后，需要測試其是否能與樓棟采集計算器正常通信，在數(shù)據(jù)采集軟件上下達(dá)測試命令，根據(jù)設(shè)備回碼情況可以統(tǒng)計出在線設(shè)備的數(shù)量和離線設(shè)備的數(shù)量，并標(biāo)識出離線設(shè)備的編號。通過數(shù)據(jù)采集軟件還能夠直接向無線通斷一體閥下達(dá)強(qiáng)制開/關(guān)電動閥門的指令，確保新安裝的閥門能夠正常開啟和關(guān)閉。②定時抄表。數(shù)據(jù)采集軟件通過實時調(diào)度檢查當(dāng)前時間是否有任務(wù)需要執(zhí)行，抄表指令每隔4 min執(zhí)行一次。發(fā)送抄表指令時，需要先從數(shù)據(jù)庫中查詢出掛載設(shè)備的編號，再采用輪詢的方式為每一臺設(shè)備發(fā)送抄表指令。③計算分?jǐn)偂７謹(jǐn)倲?shù)據(jù)是整個熱計量系統(tǒng)計費(fèi)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)設(shè)計的熱量分?jǐn)傆嬎泐l率為1 h/次，分?jǐn)倳r間則是通過實時調(diào)度實現(xiàn)的。④數(shù)據(jù)上傳。數(shù)據(jù)上傳主要將最近1 h每個用戶的分?jǐn)倲?shù)據(jù)和設(shè)備的報警數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中心，分?jǐn)倲?shù)據(jù)每隔1 h上傳一次，通過實時調(diào)度調(diào)節(jié)上傳時間，避免與其他任務(wù)沖突。設(shè)備報警數(shù)據(jù)需要實時上傳，因為一旦現(xiàn)場設(shè)備出現(xiàn)故障，供熱公司需及時派工作人員修理，以減少不必要的損失。⑤歷史數(shù)據(jù)查詢。采集計算器具備數(shù)據(jù)離線存儲功能，即使數(shù)據(jù)中心沒有開通，每個采集計算器都可以作為小范圍的數(shù)據(jù)中心投入使用。

3.2 無線通斷一體閥

無線通斷一體閥主要用于接收室溫控制器發(fā)來的溫度信息，根據(jù)程序的算法控制閥門的通斷，對運(yùn)行數(shù)據(jù)（比如閥門開啟時間、累計供暖時間）進(jìn)行數(shù)據(jù)加密并保存。采集計算器通過喚醒協(xié)議可將存儲在無線通斷一體閥中的數(shù)據(jù)采集回來。

3.3 室溫控制器

室溫控制器可以自動測量用戶室內(nèi)的溫度，可以定期將所測室內(nèi)溫度和用戶設(shè)定的溫度發(fā)送給無線通斷一體閥。同時，它還能實時顯示設(shè)定溫度、實測室溫、信號強(qiáng)度、時鐘、電量、累計閥門開啟時間和閥門開度值等信息。該設(shè)備具有故障報警功能，可以實時顯示閥門故障與通訊故障，還有欠費(fèi)提醒，可遠(yuǎn)程設(shè)置欠費(fèi)提醒標(biāo)志。另外，通過它，用戶可以在12～27 ℃之間自由設(shè)置適合的溫度。

樓棟熱量表的內(nèi)容這里不再贅述。

4 平臺管理層簡介

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心服務(wù)器是由負(fù)載均衡服務(wù)器、數(shù)據(jù)解析服務(wù)器、SqlServer2008R2數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫備份服務(wù)器和Web服務(wù)器組成的。負(fù)載均衡服務(wù)器負(fù)責(zé)將不同采集計算器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)分發(fā)給不同的數(shù)據(jù)解析服務(wù)器作解析處理，數(shù)據(jù)解析服務(wù)器將解析處理后的數(shù)據(jù)存放到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和備份服務(wù)器采用雙機(jī)熱備，能夠防止數(shù)據(jù)丟失。Web服務(wù)器用于監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)，顯示并統(tǒng)計用戶分?jǐn)倲?shù)據(jù)，下發(fā)控制命令等。

5 系統(tǒng)通信協(xié)議簡介

整個系統(tǒng)集成無線、總線、公網(wǎng)3種通信方式。其中，采集計算器、通斷一體閥和室溫控制器是采用RF433無線射頻技術(shù)完成通信的，并進(jìn)行了擴(kuò)頻、低功耗設(shè)計，通過自定義通信協(xié)議采集數(shù)據(jù)。在此僅介紹部分通信協(xié)議。通信協(xié)議的相關(guān)內(nèi)容如表1所示。

為了實現(xiàn)低功耗設(shè)計，在滿足傳輸所有數(shù)據(jù)的要求下，盡量精簡了通信協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)。通過此協(xié)議，采集計算器可以獲取到通斷一體閥上記錄的開閥時間、閥門狀態(tài)、用戶室內(nèi)溫度和設(shè)定溫度等值。采集計算器通過M-BUS總線與樓棟熱量表連接、通信，通信協(xié)議為了滿足CJ-T 188—2004《用戶計量儀表數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)條件》的要求，熱量表采用國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的熱量表。下面以表號31366732為例，簡要說明了采集熱表數(shù)據(jù)的通信協(xié)議。讀表協(xié)議為：FE FE 68 20 32 67 36 31 00 11 11 01 03 1F 90 03 60 16；熱量表回碼協(xié)議為：FE FE FE FE FE FE FE FE FE FE FE FE FE 68 25 32 67 36 31 00 11 11 81 2E 1F 90 12 78 56 34 12 0589 63 71 29 05 99 37 05 00 17 80 11 07 00 35 43 23 38 00 2C 80 93 00 27 26 00 43 09 00 59 57 15 17 11 11 20 04 08 1C 16.通過解析熱量表回碼的內(nèi)容，可以得到熱量表的當(dāng)前熱量、當(dāng)前冷量、熱功率、累計流量、瞬時流量、進(jìn)水溫度和回水溫度等物理量值。采集計算器根據(jù)用戶供熱面積、無線通斷一體閥記錄的用戶開閥時間和樓棟熱量表計量的整個樓棟的耗熱量，應(yīng)用通斷時間面積法分?jǐn)偣郊纯捎嬎愠鲇脩粼趩挝粫r間內(nèi)分?jǐn)偟臒崃?。采集計算器與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心服務(wù)器是通過GPRS網(wǎng)絡(luò)通信的，通信協(xié)議為自定義協(xié)議。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心通過Socket接收采集計算器上傳的數(shù)據(jù)。其中，接收數(shù)據(jù)協(xié)議為（以接收用戶分?jǐn)偀崃繀f(xié)議為例）FTSJ|11013005|00002324|2015/01/06 9：30：56|0.00 |0.00|60|45.34|0|18|22|331|0|0|1|2015/01/06 10：01：39|0|0|！ 通過使用字符“|”切割該協(xié)議串即可拆分出相應(yīng)的物理量值。該協(xié)議的完整含義是：分?jǐn)倲?shù)據(jù)|采集器編號|通斷一體閥編號|分?jǐn)倳r間|周期分?jǐn)倈累積分?jǐn)倈周期開閥時間供熱面積|周期總消耗熱量|室內(nèi)溫度|設(shè)定溫度|總開閥時間|閥門狀態(tài)|通斷器電源|遙控器狀態(tài)|采集時間|強(qiáng)制開關(guān)閥|遙控器屏蔽|結(jié)束標(biāo)志。

6 結(jié)束語

該系統(tǒng)已經(jīng)在新疆、遼寧、北京等地的多個小區(qū)成功實施，為現(xiàn)場安裝、調(diào)試工作的順利進(jìn)行創(chuàng)造了條件，各個裝置之間的通信都很穩(wěn)定，室溫控制器與無線通斷一體閥、室溫控制器與采集計算器、無線通斷一體閥與采集計算器、樓棟熱量表與采集計算器、數(shù)據(jù)中心與采集計算器之間的數(shù)據(jù)流都能夠有條不紊地相互傳遞，以達(dá)到供熱計量的目的。

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