基于虛擬儀器技術(shù)的計(jì)量供熱測控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

師 麗，王改艷

（1.榆林學(xué)院 建筑工程系，陜西 榆林719000；2.長安大學(xué) 陜西 西安710000）

基于虛擬儀器技術(shù)的計(jì)量供熱測控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

師 麗1，王改艷2

（1.榆林學(xué)院 建筑工程系，陜西 榆林719000；2.長安大學(xué) 陜西 西安710000）

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源消耗已成為我國不得不面對(duì)的重要問題，節(jié)約能源是全世界的主要研究課題。提高供熱效率是對(duì)節(jié)約能源的一項(xiàng)有力方法，不僅節(jié)約能源，還能改善環(huán)境，但是傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)已跟不上現(xiàn)在用戶的需求。因此，本文利用虛擬儀器技術(shù)，提出了一個(gè)計(jì)量供熱測控系統(tǒng)。先對(duì)供熱系統(tǒng)、虛擬儀器技術(shù)以及測控平臺(tái)進(jìn)行簡單介紹分析，然后依據(jù)上述技術(shù)設(shè)計(jì)了計(jì)量供熱測控系統(tǒng)，最后詳細(xì)研究了系統(tǒng)的各個(gè)組成模塊。

虛擬儀器技術(shù)；LabVIEW；計(jì)量供熱；測控系統(tǒng)

隨著我國國力的大力發(fā)展，現(xiàn)代化城市的逐步建立，大大增加了建筑能耗，而熱能耗則是建筑能耗中的主要部分，伴隨人民生活的進(jìn)一步改善的后果是能源消耗也將進(jìn)一步增大，所以，建筑節(jié)能刻不容緩。為改善這一問題，國家先后頒布了相關(guān)條例，整改建筑耗能的問題。目前我國的供熱計(jì)量方式各個(gè)地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)仍不統(tǒng)一，同時(shí)，用戶可自行修調(diào)的方式是傳統(tǒng)集中供熱方式所調(diào)節(jié)管理不了的，結(jié)合國外先進(jìn)的計(jì)量供熱體制，我國已逐步將供熱收費(fèi)方式由之前的根據(jù)所占面積收取變?yōu)楦鶕?jù)所用熱量收取的方式，通過經(jīng)濟(jì)調(diào)節(jié)手段雖然這大大提高了供熱效率，但是相比與先進(jìn)技術(shù)而言，還有很多的不足之處需要改正。

文中根據(jù)國外先進(jìn)供熱理念，結(jié)合我國實(shí)際國情，通過分析熱計(jì)量方式以及計(jì)量供熱原理，在研究虛擬儀器技術(shù)和LabVIEW測控平臺(tái)后，提出了計(jì)量供熱測控系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)中的重要模塊詳細(xì)分析[1-5]。

1　虛擬儀器技術(shù)及LabVIEW測控平臺(tái)

1.1虛擬儀器技術(shù)

虛擬儀器，顧名思義，是指通過計(jì)算機(jī)軟件對(duì)儀器的功能進(jìn)行設(shè)定，實(shí)現(xiàn)操作功能和虛擬控制的系統(tǒng)。使用者可以在虛擬操作面上對(duì)儀器進(jìn)行測量和控制。也可以說，虛擬儀器將計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)和高效硬件技術(shù)完美進(jìn)行結(jié)合。在這三者中，軟件是核心，因?yàn)檐浖母淖兙涂蓪?shí)現(xiàn)儀器的功能。所以，虛擬儀器的特點(diǎn)可總結(jié)為：高性能、強(qiáng)擴(kuò)展、開發(fā)容易以及集成度高[8-10]。

為更好地表現(xiàn)虛擬儀器的特點(diǎn)，將其與傳統(tǒng)儀器做比較，比較結(jié)果如表1所示。

表1　虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器的比較

1.2LabVIEW測控平臺(tái)

LabVIEW，簡稱實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工作平臺(tái)，它是一款創(chuàng)新型軟件，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)收集、分析、處理以及對(duì)儀器實(shí)現(xiàn)控制的軟件開發(fā)能力。與傳統(tǒng)軟件相區(qū)別的是，傳統(tǒng)軟件在編程過程中，文本語言所編寫的代碼語句順序就是軟件執(zhí)行程序的順序。然而，LabVIEW是采用圖形化語句編輯，而不是文本語言編輯，圖形框圖間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方向就是程序運(yùn)行的順序，而且，在LabVIEW編程過程中，可以采用圖標(biāo)代替原有函數(shù)表達(dá)方式，并且將交互軟件、主菜單等模塊添加到圖形框圖中，對(duì)應(yīng)用功能進(jìn)行定義以后，再利用后控板就可以操控前控板。綜上所述，LabVIEW具有高效、高速、美觀、簡便等特點(diǎn)[11-12]。

文中所設(shè)計(jì)的計(jì)量供熱測控系統(tǒng)就是建立在LabVIEW測控平臺(tái)上的，利用個(gè)人計(jì)算機(jī)和虛擬儀器技術(shù)，采用多種硬件控件可實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)量供熱系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測控，再添加一些軟件可擴(kuò)展系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能，滿足不同條件下的要求與需要，從而降低測量成本?；贚abVIEW的虛擬儀器測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　基于LabVIEW的虛擬儀器測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2　供熱測控系統(tǒng)組成及硬件選擇

通過對(duì)溫度、熱流量以及傳感器的數(shù)據(jù)，計(jì)量供熱測控系統(tǒng)完成對(duì)供熱系統(tǒng)中一些關(guān)鍵的數(shù)據(jù)采集，然后將所得數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)交贚abVIEW平臺(tái)的計(jì)算機(jī)當(dāng)中進(jìn)行分析處理，將處理結(jié)果再與假設(shè)的固定值做比較，比較結(jié)果作為輸出信號(hào)控制水閥的開關(guān)或變頻器的頻率來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，進(jìn)而調(diào)節(jié)二次供水的熱量和或流量，從而滿足用戶調(diào)節(jié)要求，實(shí)現(xiàn)控溫的目的。上述過程都是基于虛擬儀器技術(shù)，在LabVIEW平臺(tái)上完成的，主監(jiān)控器對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)而判斷供熱系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，應(yīng)添加聲光報(bào)警模塊，提高系統(tǒng)的實(shí)用性[13-15]。

圖2為文中所設(shè)計(jì)的計(jì)量供熱測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

文中所設(shè)計(jì)的計(jì)量供熱測控系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集卡對(duì)各個(gè)模擬信號(hào)的采集，再將采集到的模擬信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，將數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)當(dāng)中對(duì)其進(jìn)行分析和處理，并在LabVIEW平臺(tái)面板將結(jié)果表示出來，最后再將處理過后的數(shù)字信號(hào)再通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，將輸出的電流或電壓等控制信號(hào)輸入到供熱系統(tǒng)當(dāng)中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)量供熱系統(tǒng)的測控過程。

3　系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

由上述分析可知，在整個(gè)計(jì)量供熱測控系統(tǒng)當(dāng)中，軟件是其中的核心，可以通過改變軟件編寫即可實(shí)現(xiàn)不同的功能，并且，軟件編寫的好壞也直接影響著整個(gè)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。

3.1系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件模塊主要由10個(gè)模塊組成，功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖3　系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)圖

圖4　測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)工作步驟為：

1）系統(tǒng)先自行檢查一番，如果發(fā)現(xiàn)有異?，F(xiàn)象，則提醒工作人員解決問題，之后再自測，直到一切正常以后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入工作狀態(tài)

2）對(duì)系統(tǒng)中的所有設(shè)備都進(jìn)行初始化，并對(duì)設(shè)備中需要設(shè)定初始值的接口進(jìn)行賦值，并將系統(tǒng)空間進(jìn)行合理安排分配

3）對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定

4）在檢測周期過程中，先隨機(jī)提取溫度、流量、壓力差等相關(guān)參數(shù)，判斷該組參數(shù)是否超過設(shè)定的正常工作狀態(tài)參數(shù)范圍，若超過了，那么啟動(dòng)聲光報(bào)警裝置，若沒有超過，那么將這組信號(hào)與設(shè)定的參考值進(jìn)行比較

5）通過比較之后，將比較結(jié)果作為輸出信號(hào)去調(diào)節(jié)水閥的開關(guān)或者水泵的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫或流量的控制，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)的要求。

在用戶使用系統(tǒng)期間，也可以對(duì)系統(tǒng)中的任意模塊進(jìn)行操作，可以查看歷史數(shù)據(jù)、檢測工作狀態(tài)等等。在供暖期結(jié)束以后，用戶可以退出測控系統(tǒng)，進(jìn)而釋放資源空間。

3.2軟件系統(tǒng)各模塊的設(shè)計(jì)

由圖3可知，系統(tǒng)由10個(gè)主要模塊組成，現(xiàn)分別介紹各個(gè)模塊的作用。

1）系統(tǒng)登錄模塊：系統(tǒng)登錄模塊是進(jìn)入系統(tǒng)的第一步，用戶在系統(tǒng)界面中輸入用戶名和密碼，然后再點(diǎn)擊“用戶登錄”按鈕，若用戶名和密碼都正確，則進(jìn)入系統(tǒng)，若不正確，則會(huì)提醒重新輸入，但是輸入三次仍失敗時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)退出。當(dāng)然，登錄模塊中還包括用戶幫助、退出系統(tǒng)以及修改密碼等功能按鈕。

2）參數(shù)設(shè)置模塊：在進(jìn)入系統(tǒng)后，會(huì)對(duì)系統(tǒng)中的一些參數(shù)需要設(shè)定，比如一次供水溫度、二次供水溫度、室內(nèi)溫度以及室外溫度等等。

3）信號(hào)采集模塊：系統(tǒng)對(duì)溫度、流量、壓力差等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，將采集到的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡當(dāng)中，再將電壓值轉(zhuǎn)換為溫度值，然后將溫度值在界面顯示出來。

4）信號(hào)分析處理模塊：該模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，模塊可以分為兩塊，一個(gè)是以平均溫度為分析主體的模塊，一個(gè)是以水壓為分析主體的模塊，但是，兩個(gè)模塊的工作方式基本一致，都是將所提取的二次供水水溫或水壓與設(shè)定的固定值比較，比較結(jié)果作為輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)水閥的開關(guān)或水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而對(duì)結(jié)果進(jìn)行改變，從而達(dá)到用戶需求。

5）控制信號(hào)輸出模塊：該模塊就是將信號(hào)分析處理模塊的結(jié)果進(jìn)行處理，然后輸出周期性的控制電壓信號(hào)。

6）數(shù)據(jù)保存、查詢和打印模塊：因?yàn)長abVIEW平臺(tái)本身并不能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行直接訪問，所以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和查詢非常必要，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打印可保證操作員較為直接且直觀的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和變化預(yù)測。

7）報(bào)警模塊：為保證系統(tǒng)可以正常工作，不會(huì)因操作失誤或?qū)嶋H情況的改變而產(chǎn)生危險(xiǎn)，必要的報(bào)警措施非常必要。

4　結(jié)束語

文中首先對(duì)計(jì)量供熱系統(tǒng)進(jìn)行原理上的介紹，進(jìn)一步介紹了虛擬儀器技術(shù)和LabVIEW[16-17]測控平臺(tái)的創(chuàng)建，最后，在虛擬儀器技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了創(chuàng)建與LabVIEW平臺(tái)上的計(jì)量供熱測控系統(tǒng)，在介紹了該系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之后，著重對(duì)在系統(tǒng)中占據(jù)核心部分的軟件系統(tǒng)進(jìn)行介紹，該軟件系統(tǒng)總共包括了十個(gè)模塊，最后詳細(xì)介紹了各個(gè)模塊的功能。

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Research and design of heat-metering measurement and control system based on virtual instrument

SHI Li1，WANG Gai-yan2
（1.Department of Architectural Engineering，Yulin University，Yulin 719000，China；2.Chang’an University，Xi’an 710000，China）

With the rapid development of China's economy，energy consumption has become an important issue that China has to face.To improve heating efficiency is a powerful way to save energy，not only save energy，but also improve the environment，but the traditional heating system has not been able to keep up with the needs of users.Therefore，this paper presents a measurement and control system of heating measurement and control system based on virtual instrument technology. First of all，the heating system，virtual instrument technology and measurement and control platform for a brief introduction，and then based on the above technology design of the measurement and control system，and finally a detailed study of the various components of the system.

virtual instrument technology；LabVIEW；heat metering；measurement and control system

TM933.4

A

1674－6236（2016）21-0051-03

2015-11-09稿件編號(hào)：201511082

榆林市2015年科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015CXY-21）

師 麗（1983—），女，陜西榆林人，碩士，講師。研究方向：工程管理。