基于4G網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域供熱控制器的設(shè)計(jì)

劉 偉，王博偉

（吉林化工學(xué)院，吉林 吉林 132022）

0 引 言

我國(guó)城市供熱廣泛采用集中供熱，集中供熱系統(tǒng)主要由熱源、熱交換網(wǎng)絡(luò)、熱用戶組成[1-5]。供熱系統(tǒng)的供熱管網(wǎng)分為一次網(wǎng)和二次網(wǎng)，其中一次網(wǎng)包括熱源、換熱站，二次網(wǎng)包括換熱站、熱用戶。作為一次網(wǎng)和二次網(wǎng)的重要連接樞紐，換熱站安裝有各種系統(tǒng)監(jiān)測(cè)儀器儀表，且承擔(dān)一次和二次網(wǎng)的熱量交換、手動(dòng)調(diào)節(jié)的角色，結(jié)構(gòu)如圖1所示。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)采用的供熱控制器存在的控制設(shè)備成本較高、設(shè)備配線相對(duì)復(fù)雜等問(wèn)題，本文采用STM32單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有集成度高、安裝維護(hù)簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)。

圖1 供熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1 供熱控制器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 供熱控制器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

熱網(wǎng)的控制過(guò)程主要是保證熱量的供給、合理控制管網(wǎng)中循環(huán)水的流量、保障室內(nèi)溫度適宜的過(guò)程[6-8]。

本文的控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括STM32主控單元、溫度和壓力等模擬量測(cè)量單元、4～20 mA模擬量輸出控制單元、開(kāi)關(guān)量輸入輸出接口單元、隔離RS 485單元、4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信單元等組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 STM32核心電路的設(shè)計(jì)

STM32F103VCT6是ST公司生產(chǎn)的Cortex M3系列單片機(jī)，內(nèi)置256 KB程序存儲(chǔ)器、48 KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，具有82個(gè)GPIO接口、16路12位ADC、8個(gè)定時(shí)器、5個(gè)UART通信控制器以及2個(gè)I2C通信控制器，最高工作頻率可達(dá)72 MHz，具有良好的性能及較高的集成度，極適合高集成、高性價(jià)比的嵌入式工業(yè)控制器的設(shè)計(jì)[9-10]。因此，本次設(shè)計(jì)以STM32F103VCT6為控制核心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)換熱過(guò)程中信號(hào)的采集與輸出控制，其核心電路如圖3所示。其中，電容C1和R1組成上電復(fù)位電路，Y1、C2和C3構(gòu)成了系統(tǒng)時(shí)鐘電路，單片機(jī)提供8 MHz的振蕩頻率，C4～C10為電源引腳退耦電容，SWD為三線下載調(diào)試接口。

圖3 STM32最小控制系統(tǒng)電路原理

模擬信號(hào)的精確測(cè)量需要為ADC提供穩(wěn)定電壓基準(zhǔn)，基準(zhǔn)電路采用TL431并聯(lián)式低噪聲三端電壓基準(zhǔn)芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。TL431輸出電壓可在2.495～36 V調(diào)節(jié)，電壓參考誤差為±0.4%，工作溫度可達(dá)-40 ℃，溫度系數(shù)為20 ppm/℃，負(fù)載電流可達(dá)100 mA，并且具有0.22 Ω低動(dòng)態(tài)輸出阻抗。

電壓基準(zhǔn)電路中3.3 V電壓經(jīng)L1電感和C11、C12濾波流過(guò)電阻R3后由TL431產(chǎn)生2.5 V基準(zhǔn)電壓，2.5 V基準(zhǔn)電壓通過(guò)STM32單片機(jī)的21腳Vref＋接入ADC內(nèi)部模擬電路，為測(cè)量提供基準(zhǔn)電壓。

1.3 信號(hào)采集與控制電路設(shè)計(jì)

供熱控制器測(cè)量與控制信號(hào)均采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)溫度、壓力及流量均采用4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行傳輸，對(duì)調(diào)節(jié)閥、循環(huán)泵和補(bǔ)水泵的輸出控制也采用4～20 mA模擬量，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)采用光電隔離電路進(jìn)行采集，開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)采用繼電器進(jìn)行控制。

1.3.1 4～20 mA模擬信號(hào)測(cè)量電路的設(shè)計(jì)

4～20 mA信號(hào)通過(guò)V/I變換電路后送入STM32單片機(jī)的ADC進(jìn)行測(cè)量，如圖4所示。

圖4 模擬輸入電路

4～20 mA信號(hào)經(jīng)UR1流經(jīng)100 Ω采樣電阻Rs1至地線回路，在采樣電阻Rs1上實(shí)現(xiàn)了V/I變換，Rs1上電壓經(jīng)R4和C15組成的低通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波降噪再送入STM32F103VCT6 ADC采集通道對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集。其中自恢復(fù)保險(xiǎn)絲UR1、瞬態(tài)抑制二極管D1以及D3對(duì)信號(hào)輸入端和ADC輸入端進(jìn)行電壓鉗位保護(hù)，以防錯(cuò)接信號(hào)而損壞測(cè)量電路及單片機(jī)等控制器內(nèi)部器件。

V/I變換及ADC測(cè)量關(guān)系如下：

式中：Vref為單片機(jī)的參考電壓，取值2.5 V；N為ADC測(cè)得的數(shù)字量。

1.3.2 4～20 mA模擬信號(hào)輸出電路設(shè)計(jì)

變頻器、調(diào)節(jié)閥等采用4～20 mA模擬量進(jìn)行控制，因其需要3路模擬量進(jìn)行控制，而STM32只集成了2個(gè)DAC，因此本設(shè)計(jì)放棄了DAC電路而采用PWM方式進(jìn)行控制。圖5為PWM方式控制的DAC電路，實(shí)現(xiàn)了PWM對(duì)輸出電壓的控制。

圖5 PWM方式控制的DAC電路

4～20 mA的U/I變換電路如圖6所示，實(shí)現(xiàn)了UPWM到輸出電流的變換。

圖6 4～20mA信號(hào)輸出電路

圖6中二極管D4、瞬態(tài)抑制二極管D5及自恢復(fù)保險(xiǎn)絲UR13實(shí)現(xiàn)了對(duì)電流輸出電路的保護(hù)。

1.3.3 開(kāi)關(guān)量輸入輸出電路設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行啟停等開(kāi)關(guān)量控制輸入信號(hào)采用光電隔離電路進(jìn)行采集，并送入CPU進(jìn)行處理，開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)共8路，如圖7所示為其中一路光電輸入電路，實(shí)現(xiàn)了電平轉(zhuǎn)換及光電隔離的作用。

圖7 開(kāi)關(guān)量光電隔離輸入電路

現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)采用繼電器，電路如圖8所示，STM32F103VCT6輸出的控制信號(hào)經(jīng)8路復(fù)合管集成驅(qū)動(dòng)芯片ULN2803驅(qū)動(dòng)繼電器，用以控制循環(huán)泵和補(bǔ)水泵的啟停等操作。

圖8 ULN2803繼電器驅(qū)動(dòng)電路

2 系統(tǒng)通信電路的設(shè)計(jì)

供熱系統(tǒng)控制器需要與現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏進(jìn)行通信，為此控制器設(shè)置了RS 485隔離通信電路。同時(shí)設(shè)計(jì)了4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信單元，實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程中控平臺(tái)進(jìn)行通信。

2.1 RS 485總線通信電路

本系統(tǒng)與上位機(jī)和采集卡采用RS 485總線方式連接進(jìn)行通信，RS 485串行總線以標(biāo)準(zhǔn)差分信號(hào)傳輸，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離長(zhǎng)，支持雙向多點(diǎn)通信，單個(gè)網(wǎng)絡(luò)可搭載32個(gè)節(jié)點(diǎn)。連接方式如圖9所示。

圖9 RS 485總線連接方式

當(dāng)RS 485總線通信進(jìn)行長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，若遇到阻抗不連續(xù)和突變的情況會(huì)引起信號(hào)反射，導(dǎo)致信號(hào)失真。為了增加RS 485的抗干擾性，需要在A、B兩線之間并接一個(gè)120 Ω的電阻?？刂菩酒捎肂L3085。

2.2 4G網(wǎng)絡(luò)通信硬件系統(tǒng)

本供熱控制器與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)通信采用4G無(wú)線通信，通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)將供熱數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行分析處理，以使系統(tǒng)做出最佳控制決策。

本系統(tǒng)采用LTE cat-1 WH-GM5無(wú)線通信模組，其下行通信速率為10 Mb/s，上行速率為5 Mb/s，具有毫秒級(jí)延時(shí)，完全可滿足供熱數(shù)據(jù)的傳輸任務(wù)需求。圖10為4G無(wú)線通信單元電路原理。該4G通信芯片需要外接SIM卡才能獲得4G信號(hào)，故設(shè)計(jì)SIM卡電路如圖11所示，每路信號(hào)都采用電容濾波，復(fù)位、數(shù)據(jù)、時(shí)鐘信號(hào)均與地接入TVS，防止干擾和高壓損壞芯片。

圖10 GM5芯片I/O電路

圖11 GM5-SIM卡電路

為正常獲取4G信號(hào)，還須設(shè)計(jì)天線電路以保障信號(hào)正常傳輸。如圖12所示，4G信號(hào)經(jīng)TVS保護(hù)電路后再通過(guò)電容濾波送入GM5芯片。

圖12 GM5天線電路

3 結(jié) 語(yǔ)

本文的供熱控制器是基于ARM內(nèi)核設(shè)計(jì)的，經(jīng)實(shí)際測(cè)試采集與控制發(fā)現(xiàn)其精度較高、控制效果較好、系統(tǒng)運(yùn)行可靠穩(wěn)定。系統(tǒng)具有體積小、集成度高、安裝調(diào)試便捷、成本低等特點(diǎn)，具有較強(qiáng)實(shí)用性與推廣價(jià)值。