由单片机控制的智能供热监控系统.docx

由单片机控制的智能供热监控系统.docx

《由单片机控制的智能供热监控系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《由单片机控制的智能供热监控系统.docx（56页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

由单片机控制的智能供热监控系统

摘要

本系统介绍了由单片机控制的智能供热监控系统。

采用ATM89C51系列单片机作为CPU，设置AD590温度传感器、压差传感器、涡轮流量计等传感器元件对供回水、补水、供热蒸汽的温度、压力检测；对回水、补水的流量检测，通过测量电路、A/D转换后把数据传送到CPU，CUP根据已经设置好的温度范围进行比较判断，并发回命令调整供回水的压力以及流量，最终达到自动控制温度的目的，这对于保证供热品质和节省能源都有着非常重要的意义。

此外，本系统还安装了键盘，显示以及打印机，方便了数据的读取、切换和统计，使管理层对供热过程和供热品质有最直观的了解。

本设计应用前景广阔，可应用于城市或者小区的集中供热方便快捷，节约能源而且安全可靠。

关键词：

智能控制集中供热监控信号采集

Single-chipIntelligentHeatingControlSystem

Abstract

Thispaperpresentthegeneraldesignandcontrolconceptionofanintelligentheatingcontrolsystemindetail.ATM89c51asthecentralintelligentunitinthissystem,whichcontrolsthetemperatureofeachwater-pipingway’sin-or-outandsurroundingthepressureoftheoutfilternets,thevolumeofoffer-heatcyclewaterandsoon.Thetemperatureischangedbythepressureandvolume’schange,sousingthissystemfirstcanmakesureconsumer’stemperatureisnotenough,anotherhanditalsocanresources.Thesystemalsohasthekeyboard,displayunitandtypewriter,whichcangiveanobviousunderstandingtoworkers.

Thissystemwoulddevelopandapplyexpansive,wecanapplyittothecentralheatingofacommunity.Ithasthemeritsofsecure,tidyandconvenient.Thiscontrolsystemisasuccessfulexample,whichcombinetheoryautomationwithpractice.

Keywords:

IntelligentControl,CentralHeating,MonitorSystem,CollectSignal

第一章绪论

供热业是国民经济中不可缺少的部分，作为重要的城市基础设施，其任务是合理有效地组织、制备热能，并经济可靠地把热能送到热用户。

城镇供热方式大体分为火炉采暖、分散锅炉房供暖、区域锅炉房供暖、城市集中供热等几种。

其中，集中供热特别是热电联产供热，对于节约一次能源，改善环境污染，提高人民生活水平有着重要的意义。

随着城市大气污染问题的日益严重，以及传统已出现枯竭苗头，集中供热在越来越多的国家受到了广泛的重视，并迅速发展。

在世界上，北欧四国，如芬兰、瑞典、挪威和丹麦，因为其地理环境的影响，发展集中供热系统比较早，目前已经发展的比较完善。

其供热的规模及供热质量都比较好。

此外，受地理环境影响，俄罗斯是世界上集中供热最发达的国家之一。

我国的集中供热是在解放后才开始的，由于各方面的原因，发展缓慢，都八十年代初，我国的集中供热比例仍然很小，尤其是城市的民用供热比例更为偏低。

据东北、西北和华北三个北方寒冷地区统计，城市民用供热系统中实行集中供热的仅占2%，分散锅炉房供热占48%，家庭小炉灶占50%，即使是集中供热发展较好的北京市，集中供热的比重也只占8.2%。

但自改革开放以来，随着国家经济的快速发展，人民的生活水平大幅度提高，集中供热作为一项节能及改善城市环境的市政工程，得到了迅猛的发展，尤其是进入90年代以来，人们对于冬季供暖的要求及质量提出了更高的要求。

我国各地方的集中供热规模越来越大，供热网的覆盖面积越来越广，目前，全国已有近300个城市敷设了城市供热管网，“三北”地区集中供热普及率达到30%左右，热网结构也逐步从小规模的树支状热网向大规模的多源联合运行的环状网发展。

因此，保证供暖的质量及热网的安全运行是十分重要的。

但在供热规模扩大的同时也出现了很多问题，其中之一是随着热网的扩大，先前小规模热网运行的经验已不实用，只能沿用以前的理论与方法，因此对它的运行管理也越来越困难。

加之我国热网运行调节技术手段少，经验成分过多，使得现在的运行管理和调节技术手段少，迫切需要一种新的技术方案来指导、调节热网运行。

使之无论从技术上还是管理上都能达到一个更高的水平。

1.1国集中供热的现状

我国集中供热发展到今天，经历了从无到有、从小到大、从弱到强、艰苦奋斗、竞争发展的历程。

如前所述,集中供热系统就是将大量的热用户用热力网连接起来，由统一的热源提供所需热量的供热系统。

该系统一般有三个部分组成：

热源、热力网和热用户。

大型集中供热网一般均为间接式供热网，作为热能输送的管网可分为一次网和二次网两个部分。

下面从以上几个部分出发对我国集中供热系统的现状进行介绍。

1.1.1热源

我国传统的集中供热主要采取热电联产、区域联合供热和小区锅炉房供暖等几种方式。

从我国北方采暖地区大城市来看，以分散锅炉房供暖比重最大，据对29个大中城市统计显示，目前，分散锅炉房供热占我国总供暖面积的84%，其中，90%以上的锅炉房的容量一般只维持在7MW以下的水平，其效率低下，除尘设备落后（或从未安装除尘设备），这样一来，不仅造成了能源的大量浪费，而且还严重污染了环境。

就全国而言，目前我国供热系统的能效只有30%左右，而我国是一个能源缺乏的国家，能源需求增长率大大超过能源生产的增长率。

因此，如何在现有基础上提高热源的利用率，降低能源的浪费。

减少城市污染等诸多方面的问题，已经成为现今城市集中供热系统急需解决的问题。

八十年代后，热电联产、热交换站以及相配套的尖峰锅炉房等集中供热系统在许多城市相继建成。

特别是热电联产作为综合、合理利用能源的一个重要途径，逐渐受到重视，也得到了较快的发展。

目前。

许多城市的大型热源已不止一个，如：

北京、沈阳等集中供热系统较发达的城市已经在实践初级的多热源并网运行；另外，其他地区，如：

赤峰、郑州、牡丹江、烟台等市由于热负荷的扩大，也在近远期规划了多热源的格局。

但这些系统大多是单独承担一个区域的集中供热，单独运行，互不连接。

有的城市虽然也把管网联在一起，但在供热时又都用阀门断开，分别运行。

这样，就各个热源失去了互补性，同时在供热初期和末期又都不能满负荷工作，使其无法发挥全部的供热能力。

不但造成了能源和设备的浪费，而且多个热源同时在低负荷下运行，也加重了城市的污染。

1.1.2热用户

我国的供热系统型式落后，缺乏控制与节能手段，大部分用户室内无法进行温度调节和无热量设备，普遍在低负荷、低效率下运行，实际供暖面积只有设备能力的40%左右，采暖能耗为相近气候条件国家的3-5倍左右，能源浪费十分严重。

同时，我国室内热环境差，发达国家室内温度是22摄氏度，而我国只有16摄氏度；供热品质也很差，室温冷热不均，室内没有控温设备，用户无法调节室温。

采暖收费制度也不合理，按面积收费使用户无节能意识，热能浪费严重，原有的室内供暖系统的设计多为上供下回单管顺流式，不具备对欠费的用户采取强制措施的手段，使得供热企业收费难。

随着我国供热体制的市场经济转变，供暖在不远的将来将不再作为一项福利来实施，而是成为一个商品。

1.1.3热网

我国大型热网普遍采用间连供热方式。

通常一个城市有几个区域供热网，一个区域供热网有几十到上百个换热站。

供热电厂提供的高温过热蒸汽经电厂换热站汽-水换热器形成供暖热水由二次管网送至用户。

在我国现有按供热面积供热体制下，用户不能主动调节室内温度，因此总供热量仅仅和室外温度有关，其总供热量就可预先知道并且有热源厂管理控制，热源厂只要根据相应的室外温度控制一次网系统供回水温度。

一般供热公司基本按定流量或分阶段变流量的质调节方案运行，即热网流量在整个供暖期内基本保持不变，平时只根据室外温度高低来调节热网的供水温度。

因此，只要保证流量按供热面积均匀分配并保证适合的供水温度就可以满足供暖的需要。

其特点为：

1）调节主动权在供热公司；

2）调节原则就是按供热面积均匀分配流量。

这种运行调节方法简单，且能保证供热要求，因此被许多供热公司所应用。

但其所具有的按照供热面积收费的许多弊端是无法避免的。

1.2我国集中供热系统的发展趋势

从上述对我国集中供暖的当前情况的总结和分析可知，随着形式的不断发展，我国与供暖有关的相关的体制和条件发生了很大的变化：

1、随着我国各项体制改革的不断进行，供暖事业按面积收费的弊端日益突出，必将阻碍供暖事业的发展；

2、我国节能和环境保护问题日益严重，而供暖的能量消耗在我国经济占有很大的比重，并且会对环境产生较大的影响；

3、我国用户生活水平近年来有了很大的提高，对供暖的舒适度有了更一步的要求。

因此，原有传统供暖方式的缺陷日益突出，寻求集中供暖的进一步发展以满足我国当前多方面的要求势在必行。

在集中供热发展最早的是西欧的丹麦、瑞典、芬兰和原苏联等国家，从上个世纪八十年代开始，就不断采取措施和相应的技术有效提高供热系统的节能和优化，二十多年来，欧洲国家在集中供热的政策规范及技术在实践中不断补充完善，代表了当今世界的先进水平，提供了比较成熟的技术和经验来借鉴。

但由于我国的国情不同，我国的供暖系统有着自身特点：

1、我国的供热热源结构以及供热负荷与欧洲国家存在很大的差异，从而决定了我国供热系统的总体格局；

2、经过多年的发展，我国供暖已具有相当的规模，而我国已形成的供暖系统的结构与发达国家有着很大的差异，我国在建立新型供暖系统的同时，对原有系统如何进行改造有着非常的意义；

3、我们应当建立与我国当前生产力发展相适应的供热系统，也就是既要能满足目前不断发展的供热需求，同时又要与我国的经济实力和经济体制改革相适应；

4、我国目前的普及率还不是很高，热网以采暖为主，生活热水所占比例不大。

集中供暖有存在诸多节能和成本优势，当前，我国供暖面临着巨大的发展前景。

如何建立起既经济又符合供暖发展趋势的供暖格局和供暖系统至关重要。

通过对我国供暖现状的总结和分析，结合发达国家的供暖模式，适合我国供暖发展需要的主要趋势为：

1、实现分户调节和热量计量收费。

热用户的耗能量决定供暖负荷的大小，因此，促进用户自觉节能，可大大减少我国供暖系统的能源浪费，而促使用户自觉节能的唯一有效手段，就是对使用热量进行计量，并根据计量结果来收费。

世界各国的经验表明，把“大锅饭”式的采暖包费制，改为按实际使用热量向用户收费，可节能20%至30%。

这种明显的节能效果自70年代末起就已经在西欧各国的节能措施中得到证明，而且近年来某些东欧国家的努力也说明了这一点。

而另一方面，解决目前日趋严重的供热公司收费难问题的最根本有效的管理方法就是采用根据用户的实际使用热量来收费。

可以说，对热量进行计量并据此来收费是集中供热领域行之有效的不可或缺的管理手段。

2、多热网逐渐联网，形成多热源联合供热系统。

近几年多热源环网联合供热系统经过实际运行已取得了非常明显的效果，并充分显露出其诸多优点：

①、提高了整个供热系统运行可靠性与安全性。

当热网中某一或某些热源出现事故时，各热源可相互替代，相互补充。

②、可灵活调整供热量，达到良好的节能效果。

系统中多热源可根据供热负荷的具体情况，制定出更为合理的供热方案，并可随时使全系统的供热工况（供热量、供回水温度和水力工况）优化，从而实现较理想的节能措施。

③、系统的水力稳定性好。

采用环状网连接，热网比摩阻较小，各换热站的资用压头大，增强了系统的水力稳定性。

④、优化水力工况，平衡供热效果。

⑤、供热系统热源的可扩充性强。

发达国家已开发形成了多热源（如:

垃圾焚烧厂、热源厂、锅炉房等）供热格局，我国在不远的将来，随着多种技术的不断成熟，必将发展出更多可利用的热源，如：

地热、太阳能以及垃圾焚烧所产生的附热等，多热源联合供热系统为更多新热源的加入提供了必要的基础。

3、建立相应的系统智能协调机制。

和传统供热方案不同，在新的供热系统下，用户可根据自身的需要来控制供热温度。

当众多用户调节自己的流量后，整个热网的流量和供热量也将随之变化，此时热网的总供热量随机变化增大；同时，多热源联合供热的结构需要确定如何使得处于同一供热网中的多热源相互配合适应供热负荷的不断变化，从而降低运行费用、提高经济效益和节能效果。

第二章方案论证

2.1CPU的选择

ATMEL89系列单片机（简称89系列单片机）是ATMEL公司的8位Flash单片机系列。

89系列单片机是以8031为核心构成的，它和8051系列单片机是兼容的，其最大特点是内部含有Flash存储器。

其功能如下：

（1）内部含有Flash存储器

由于内部含有Flash存储器，因此在系统的开发过程中可以十分容易的进行程序的修改，大大地缩短了系统的开发周期。

同时，在系统工作过程中，能有效地保存一些数据信息，即使外界电源损坏也不影响信息的保存。

（2）和8051系列单片机兼容

89系列单片机的端子和8051系列是一样的，因此，当89系列单片机取代8051单片机时，可以直接进行代换。

（3）静态时钟方式

89系列单片机采用静态时钟方式，可以节省电能。

（4）错误编程亦无废品产生

一般的OTP产品，一旦错误编程就成了废品。

而89系列单片机内部采用了Flash存储器，所以，错误编程之后仍可以重新编程，直到正确为止，因此不存在废品。

（5）可反复进行系统实验

用89系列单片机设计的系统，可以反复进行系统试验。

每次试验可以编入不同的程序，这样可以保证用户的系统设计到最优。

而且随着用户的需求和发展，还可以进行修改，使系统能不断追随用户的最新要求。

因此，综上所述在本设计中采用ATMEL89C51单片机作为系统的智能控制器。

2.2控制方案

计算机控制系统大致可分为直接数字控制系统，分布控制系统，操作指导控制系统，监督控制系统。

2.2.1数字控制系统（DDC系统）

直接数字控制系统DDC（DirectDigitalContral）是单片机在工业控制中应用最普通的一种方式。

在这种方式中，单片机作为系统的一个组成部分或环节，直接参与控制过程。

一台单片机可以对多个被控参数进行巡回检测，并把检测结果和给定值进行比较，再按事先约定的控制规律进行运算处理，然后通过D/A和反多路开关控制执行机构动作，从而产生过程始终处于最佳状态。

DDC系统是闭环系统。

DDC系统的优点是灵活性大。

在常规模拟调节器控制系统中，控制器一旦被选定，其控制方法也就确定了，要改变控制方法就必须改变硬件，这往往难度较大。

而在DDC系统中由于微机代替了常规模拟调节器，因此要改变控制方法，只要改变程序就可以实现了，无须对硬件线路做任何改动。

另外，计算机计算能力强，可以有效地实现较复杂的控制用来改善控制质量，提高经济效益，当控制回路较多时，采用DDC系统比采用常规控制器控制系统要经济合算，因为一台微机可代替多个模拟调节器。

2.2.2分布式控制系统（DCS系统）

分布式控制系统DCS（DistributedContralSystems）简称DCS系统，它实际上是一个分级结构的计算机系统，是有一台或数台主计算机和若干单片机构成的计算机系统，所以也叫主从结构或树形结构，单片机绝大部分时间都是在并行工作的只是必要时才与主机通讯。

该系统代替了原来的中小型计算机集中控制系统，它具有以下特点：

1、可靠性高

分布式计算机控制系统能实现地理上和功能上分散的控制，使每台危机的任务相应减少，功能更明确，组成也更简单，因此可靠性提高了。

2、速度快

分布式计算机控制系统各级并行工作，很多采样和控制功能都分散到各个子环节中，仅在必要时才通过高速数据通道与监督计算机进行信息交换，因此减少了数据集中串行处理时间，也减少了信息传递的次数，所以速度提高了。

3、结构灵活，易于扩展

分布式计算机控制系统采用的是模块化结构，即把任务相同的部分作成一个模块，系统结构灵活，可大可小，便于操作、组装和调度，容易扩展。

4、设计、开发、维护简便

由于系统采用模块式结构，且具有自诊断和错误检测系统，所以设计、开发及维护都很方便，并且能实现高级复杂规律控制。

2.2.3操作指导控制系统

在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接作用于生产对象，属于开环控制结构。

计算机根据数学模型、控制算法对检测到的生产过程参数进行处理，计算出各控制量应有的较合适或最优的数值，供操作员参考，这时计算机就起到了操作指导的作用。

该系统的优点是结构简单，控制灵活和安全可靠。

缺点是要由人工进行操作，操作速度受到人为的限制，并且不能控制多个回路。

该系统常用在计算机控制系统设计与调试阶段，进行数据检测、处理及试验新的控制程序等。

2.2.4计算机监督控制系统（SCC系统）

SCC（SuperbisoryComputerControl）系统比DDC系统更接近生产变化的实际情况，因为在DCC系统汇总计算机只是代替模拟调节器进行控制，系统不能进行在最佳状态，而SCC系统不仅可以进行给定值控制,并且还可以进行顺序控制、最优控制以及自适应控制等，它是操作指导控制系统和DDC系统的综合与发展。

SCC系统有两种形式：

一种是SCC+模拟调节器控制系统；另种是SCC+DCC控制系统。

1、CC+模拟调节器控制系统

SCC级微机的作用是收集检测信号及执行管理命令，然后按照一定的数学模型计算后，给定值与检测到的被控参数进行比较，其偏差经模拟调节器计算后输出控制量给执行机构，以使工作保持在最优状态，从而达到调节产生过程的目的。

当SCC微机出现故障时，可由模拟调节器独立完成操作。

该系统形式适合于老企业的技术改造，既用上了原有的模拟调节器，有实现了最佳给定值控制。

2、SCC+DDC控制系统

这是两级计算机控制系统，一级为监督级、计算机的作用与SCC+模拟调节器控制系统的SCC计算机一样，进行分析、计算，并且给出最佳给定值；另一级是直接数字控制DDC级，用来将给定值与测量值进行比较，其偏差有DDC计算机进行数字控制运算，然后经D/A转换器和多路开关分别控制各个执行机构以及对生产过程进行调节。

当DDC级危机出现故障时，可有SCC级微机完成DDC的控制功能，提高了系统的可靠性。

SCC+DDC控制系统与SCC+模拟调节器控制系统相比有许多优点，其控制规律可以改变，使用更加灵活，而且一台DDC可以控制多个回路，使系统比较简单。

总之，虽然SCC系统比DDC系统有很多优越性，但由于生产过程的复杂性，有时很难建立数学模型，所以SCC系统实现起来比较困难

2.2.5确定方案

比较以上各种控制系统，在考虑到本设计的目标是要使供热公司对用户实现高质量的供热服务，也就要求该控制系统可靠性高，速度快，结构灵活，易于扩展而且要便于维修。

综合以上要求，我选用分布式控制系统作为该设计的方案。

整个系统可以分布式结构，上位管理机最多可与255个供热站控制装置连接，每一控制又可接255个温度巡测仪。

供热一般要保证用户室温为18±2℃。

由于各用户建筑面积、暖气片性能及保温质量各不相同，很难确定一组典型的室内温度作为直接被控量，而供、回水的平均温度从整体上反映了各个用户暖气片的平均温度，因此本系统采用控制供、回水平均温度的方法来见解控制用户室温。

控制原理框图见下图

图中T0表示室外大气温度5min内的平均值，TS表示供、回水的温度的设定值，T1表示供水温度测量值，T2表示回水温度测量值。

供、回水温度与室外大气温度应是一个反向变化的量，当大气温度降低时，应增加供热量，反之则减少供热量。

其近似关系式为：

Ts=18+K（18-T0）

上式中K为供热系数。

由于用户的热交换关系比较复杂，系统循环水泵的开启台数又是一个变值，因此供热系数K应根据具体情况作适当调整。

供、回水的压力是热网安全运行的重要参数。

供回水压力过高可能造成热水管道及用户暖气片破裂：

循环热水的流失会使水压力过低，有可能形成热水汽化，引起热交换器的振动。

为此，采用自动补水的控制方案。

控制逻辑为：

（P1<595kPa且P2<305kPa）

或（P1<605kPa且P2<295kPa）开补水泵

P1>605kPa或P2>305kPa停止补水

595kPa

式中，P1表示供水压力，P2表示回水压力。

由于补水温度较低，有时补水动作还相当频繁，所以补水成为影响供、回水温度的主扰动。

为了及时克服补水造成的供水温度降低，提高调节品质，本系统采取了以补水为前馈量的静态热量前馈措施，以热量平衡为基本出发点，保持补水时供水温度不变。

2.2.6补水前馈与热量计算

系统不补水时，供水流量M1等于回水流量M2，此时瞬时供热量为：

q1=供水量–回水热量

=Cp×M2×（T1-T2）

当系统处于补水状态时，供水流量M1等于回水流量M2与补水流量M3之和，此时瞬时供、供热量为：

q1=供水量–回水热量–补水热量

=Cp×[M2×（T1-T2）+M3×（T1-T3）]

上式中，T1为供水温度（℃），T2问回水温度（℃），T3为补水温度（℃），Cp为水的定压质量比热。

因为P和T都不太高，为简化计算，取Cp=4.1868（MJ/T×℃），流量单位为t/h,热量单位为MJ。

比较以上两式可以看出，如果要保持补水前后供热温度T1不变，需要在开启补水泵的同时，加大蒸汽投放量，多提供：

q3=q1-q2=Cp×M3×（T1-T3）的热量。

新增热量占原供热量的比例为：

q3/q1=M3×（T1–T3）/M2×（T1–T2）

供水热量是由供热蒸汽提供的，蒸汽热量与蒸汽流量基本上成正比关系，所以下式成立：

△Q/Q=q3/q1

式中，△Q为蒸汽流量增量，与热水新增热量q3为对应；Q为原蒸汽流量，与原热水热量q1对应。

共热蒸汽采用对数阀进行调节。

假设调节阀为理想流量特性，以补水为前馈量，保持供水温度不变时，阀门相对开度的增量为：

△1/L=（1/LnR）Ln（1=q3/q1）

式中，1/L表示阀门相对开度，R表示阀门理想可调比。

考虑到系统实际运行情况的复杂性，阀门实际相对开度的增量比上式计算略小为宜。

系统的瞬时供热量，分补水和不补水两种情况，分别按q1式和q2式计算。

对瞬时供热量进行累计，就得出供热总量。

第三章硬件设计

3.1CUP

AT89C51单片机是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能的8位CMOS单片机。

其片内含4K字节的可反复擦写的只读存储器（EPROM），128字节的随机存取数据存储器（RAM）。

器件采用ATMEL公司高密度、非易失性存储器技术生产、并兼容标准MCS-51指令系统，片内置有通用的8位