文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.08.027
中文引用格式: 姚仲敏,何昫,翟菲菲. 地鐵車(chē)庫(kù)恒溫集控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2016,42(8):109-111,120.
英文引用格式: Yao Zhongmin,He Xu,Zhai Feifei. Design of constant temperature centralized control system for underground garage[J].Application of Electronic Technique,2016,42(8):109-111,120.
0 引言
地鐵作為一種安全、快捷、高效、環(huán)保的交通工具,已成為許多大城市解決交通問(wèn)題的首要選擇[1,2]。目前地鐵已成為我國(guó)城市公共交通的重要方式,并逐漸成為城市現(xiàn)代化建設(shè)的重要符號(hào)。我國(guó)有40余個(gè)城市正在進(jìn)行地鐵的建設(shè)和規(guī)劃,到2020年,我國(guó)城市地鐵里程將達(dá)到近6 000 km[1]。
目前,地鐵車(chē)庫(kù)的供暖主要采用燃?xì)廨椛涔┡?/a>和散熱器+暖風(fēng)機(jī)供暖兩種主要的供暖方式[3,4]。地鐵車(chē)庫(kù)供暖常用的恒溫控制方法是在每臺(tái)供暖設(shè)備設(shè)置獨(dú)立的控制端進(jìn)行溫度控制,隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng),可能會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題,需要員工定期對(duì)采暖設(shè)備和線(xiàn)纜故障進(jìn)行逐一排檢來(lái)保證其運(yùn)行安全。由于車(chē)庫(kù)場(chǎng)地大,所以巡查困難,每臺(tái)供暖設(shè)備的溫度控制端都需要人員專(zhuān)門(mén)去開(kāi)關(guān)和設(shè)定,具體的溫度需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和記錄,耗費(fèi)大量的人力物力。
本文針對(duì)燃?xì)廨椛涔┡绞?,基?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/STM32" title="STM32" target="_blank">STM32和CAN總線(xiàn)技術(shù),設(shè)計(jì)了一種既可單臺(tái)運(yùn)行也可多臺(tái)聯(lián)合群控運(yùn)行的恒溫集控系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵供熱設(shè)備的集中監(jiān)控、獨(dú)立設(shè)置、自動(dòng)運(yùn)行、節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展、功耗檢測(cè)和故障保護(hù)預(yù)警等功能。
1 地鐵車(chē)庫(kù)恒溫集控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
地鐵車(chē)庫(kù)恒溫集控系統(tǒng)由PC客戶(hù)端、信息集控器、溫控器和溫度采集器等四部分組成。PC客戶(hù)端實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)庫(kù)供暖系統(tǒng)分區(qū)管理、溫度上下限設(shè)定、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和預(yù)警信息的顯示。信息集控器實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)溫度和溫控信息的收發(fā)。溫度采集器與溫控器之間、溫控器與信息集控器之間均使用CAN總線(xiàn)通信[5,6]。信息集控器和PC客戶(hù)端之間的通信采用TCP/IP協(xié)議。地鐵車(chē)庫(kù)恒溫集控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。
圖1 地鐵車(chē)庫(kù)恒溫集控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D
系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)首先通過(guò)溫控器設(shè)定燃?xì)廨椛涔┡O(shè)備的啟動(dòng)溫度下限、關(guān)閉溫度上限和供暖設(shè)備功率,當(dāng)被供暖廠(chǎng)房溫度低于設(shè)定溫度下限時(shí),溫控器開(kāi)啟燃?xì)廨椛涔┡O(shè)備;當(dāng)環(huán)境溫度高于溫控器設(shè)定的溫度上線(xiàn)時(shí),燃?xì)廨椛涔┡O(shè)備停止運(yùn)行。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 溫度采集器設(shè)計(jì)
溫度采集器的溫度采集芯片采用工業(yè)級(jí)的TMP75芯片。TMP75溫度輸出采用I2C數(shù)字接口,工作溫度范圍為-40 ℃~+125 ℃,工作電壓為2.7 V~5.5 V,分辨率最高可設(shè)為0.062 5 ℃。CAN收發(fā)器采用具有電鍍隔離的ISO1050芯片,ISO1050傳輸速率可達(dá)1 Mb/s,具有2500 VRMS隔離。電源模塊采用TPS62175同步降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器,具有4.75 V~28 V寬工作輸入電壓,可提供500 mA的輸出電流。TPS62175第5引腳FB可設(shè)定芯片輸出電壓,依據(jù)公式R1=R2(Vout/Vref-1)和常用電阻阻值表,并為降低功耗和保證FB引腳的輸入電流大于5 ?滋A,選擇編程電阻V1=787 kΩ、R2=150 kΩ和FB參考電壓Vref=800 mV,編程后的輸出電壓Vout=5 V。微控制器采用STM32F103RBT6,它具有20 KB SRAM、128 KB Flash、72 MHz主頻以及I2C等多種接口,可以滿(mǎn)足μC/OS-II的運(yùn)行要求。I2C接口外接傳感器TMP75,CAN接口外接ISO1050收發(fā)器。溫度采集器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
圖2 溫度采集器的結(jié)構(gòu)框圖
在溫度采集器和溫控器上各設(shè)置一個(gè)120 Ω終端匹配電阻以減少回波反射,在CAN總線(xiàn)接口終端處添加SM712ESD靜電保護(hù)二極管,增加浪涌防護(hù)能力[7]。
2.2 溫控器設(shè)計(jì)
溫控器主要完成接收傳感器發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)、監(jiān)控燃?xì)廨椛涔┡O(shè)備運(yùn)作以及與信息集控器數(shù)據(jù)交互等功能。溫控器主芯片采用STM32F207VET6微控制器。該芯片為L(zhǎng)QFP100封裝,主頻120 MHz,具有2路CAN接口、24通道12 bit ADC、2通道12 bit D/A、132 KB SRAM和1 MB Flash Memory。CAN總線(xiàn)接口的1路接口接溫度采集器總線(xiàn),另1路接信息集控器總線(xiàn)。功率檢測(cè)電路是2路最大檢測(cè)功率為4 000 W、輸出0 V~3.3 V的模擬信號(hào)電路,其電流互感器TA1420-04額定輸入電流20 A、輸出電流5 mA,用IC法獲得前級(jí)采樣電壓,通過(guò)LM358組成的全波精密整流電路和濾波電路獲得直流輸出電壓信號(hào)。人機(jī)交互鍵盤(pán)為5獨(dú)立按鍵鍵盤(pán),顯示器采用工業(yè)級(jí)LCD1602顯示器;電路設(shè)計(jì)采用外部I2C串行接口存儲(chǔ)器AT24C02,可保證溫控器運(yùn)行配置信息斷電不丟失;溫控器采用ISO1050CAN收發(fā)器和B0505S-1W隔離電源,可以降低車(chē)庫(kù)中機(jī)車(chē)運(yùn)行時(shí)對(duì)恒溫集控系統(tǒng)的干擾,增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。溫控器結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
圖3 溫控器結(jié)構(gòu)框圖
2.3 信息集控器設(shè)計(jì)
信息集控器的硬件電路采用成熟模塊設(shè)計(jì)。信息集控器可以管理8個(gè)以上的類(lèi)以及64個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)設(shè)備,根據(jù)設(shè)計(jì)要求,本系統(tǒng)中一臺(tái)信息集控器最多管理16臺(tái)溫控器。信息集控器有1路10/100 M以太網(wǎng)接口,1路全速USB2.0接口,一個(gè)SD卡槽,2路CAN總線(xiàn)接口,1個(gè)7寸TFTLCD液晶觸摸屏。溫控器可以隨時(shí)接入信息集控器的CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò),并被信息集控器指定標(biāo)識(shí)ID。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 溫度采集器從站軟件設(shè)計(jì)
恒溫集控系統(tǒng)采用CAN2.0A標(biāo)準(zhǔn),數(shù)據(jù)幀由7段組成,仲裁段有11位標(biāo)識(shí)符[6]。依據(jù)CAN報(bào)文標(biāo)準(zhǔn)幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),編寫(xiě)發(fā)送一幀數(shù)據(jù)幀函數(shù)。
根據(jù)意法半導(dǎo)體提供的驅(qū)動(dòng)庫(kù)編寫(xiě)溫度采集器收發(fā)數(shù)據(jù)的程序。溫度采集器采用μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng),該系統(tǒng)是一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度的搶占式的實(shí)時(shí)內(nèi)核,并在這個(gè)內(nèi)核之上提供最基本的系統(tǒng)服務(wù),如信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列、內(nèi)存管理、中斷管理等[8]。運(yùn)用該系統(tǒng)創(chuàng)建3個(gè)任務(wù):任務(wù)1發(fā)送CAN總線(xiàn)消息;任務(wù)2接收CAN總線(xiàn)消息;任務(wù)3讀取溫度信息并發(fā)送給主機(jī)。系統(tǒng)任務(wù)創(chuàng)建流程如圖4所示,溫度讀取發(fā)送任務(wù)流程如圖5所示。
圖4 從站系統(tǒng)任務(wù)創(chuàng)建流程
圖5 溫度讀取和發(fā)送流程
3.2 溫控器CAN主站軟件設(shè)計(jì)
每個(gè)溫控器只偵聽(tīng)過(guò)濾3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)幀ID標(biāo)識(shí)符:標(biāo)識(shí)符A用來(lái)偵聽(tīng)廣播信息,標(biāo)識(shí)符B用來(lái)建立和信息集控器間的通信,標(biāo)識(shí)符C備用。每臺(tái)設(shè)備接收的廣播幀過(guò)濾器的設(shè)置固定統(tǒng)一。
溫控器是在μC/OS-II系統(tǒng)下運(yùn)行的。系統(tǒng)開(kāi)始創(chuàng)建6個(gè)任務(wù),分別是CAN數(shù)據(jù)處理任務(wù)、CAN數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)、按鍵處理任務(wù)、人機(jī)交互任務(wù)、功率檢測(cè)任務(wù)和LCD數(shù)據(jù)更新任務(wù)。CAN數(shù)據(jù)處理任務(wù)是核心任務(wù),它的消息郵箱由CAN總線(xiàn)接收中斷函數(shù)發(fā)送。
溫控器系統(tǒng)任務(wù)程序創(chuàng)建流程如圖6所示,CAN數(shù)據(jù)處理任務(wù)程序流程如圖7所示。
圖6 溫控器系統(tǒng)任務(wù)創(chuàng)建程序流程
圖7 CAN數(shù)據(jù)處理任務(wù)程序流程
3.3 信息集控器軟件設(shè)計(jì)
信息集控器通過(guò)廣播幀為每臺(tái)入網(wǎng)的溫控器設(shè)備分配唯一ID過(guò)濾標(biāo)識(shí)符。信息集控器軟件主要對(duì)PC發(fā)送的數(shù)據(jù)和溫控器發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。PC發(fā)送的信息為更改溫控器的配置信息和請(qǐng)求更新數(shù)據(jù)信息。信息集控器轉(zhuǎn)發(fā)配置信息至每臺(tái)注冊(cè)過(guò)的溫控器,并接收梳理每臺(tái)溫控器發(fā)送的實(shí)時(shí)控制信息,然后再把整理好的信息轉(zhuǎn)發(fā)給PC。
信息集控器系統(tǒng)軟件在運(yùn)行時(shí)主要處理8個(gè)系統(tǒng)任務(wù)和1個(gè)硬件中斷任務(wù)。μC/OS CORE開(kāi)啟后系統(tǒng)主要任務(wù)運(yùn)行流程如圖8所示。
圖8 主要任務(wù)運(yùn)行流程
3.4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
基于Visual Studio 2012設(shè)計(jì)了上位機(jī)軟件,即地鐵車(chē)庫(kù)恒溫集控系統(tǒng)監(jiān)控軟件。上位機(jī)軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)庫(kù)供暖系統(tǒng)分區(qū)管理,每個(gè)溫控器監(jiān)控設(shè)備開(kāi)啟溫度或停止溫度的上下限溫度限制設(shè)定,風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、能耗統(tǒng)計(jì)、故障報(bào)警和保護(hù),具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和預(yù)警信息的多重顯示方式,可拓展檢測(cè)其他功能傳感器數(shù)據(jù)(本系統(tǒng)增加了CO2傳感器數(shù)據(jù))。該軟件還設(shè)計(jì)了和其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的接口。
圖9為地鐵車(chē)庫(kù)恒溫集控系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)圖??v軸是溫度,量程從10 ℃~20 ℃;橫軸是時(shí)間軸。在本次測(cè)試中,溫度上限設(shè)置為18 ℃,下限設(shè)置為15 ℃。設(shè)定帶方塊的曲線(xiàn)為曲線(xiàn)A,帶三角的曲線(xiàn)為曲線(xiàn)B。曲線(xiàn)A是辦公區(qū)域的燃?xì)廨椛涔┡O(shè)備運(yùn)作產(chǎn)生的溫度監(jiān)控曲線(xiàn),曲線(xiàn)B是由大廳的燃?xì)廨椛涔┡O(shè)備運(yùn)作產(chǎn)生的溫度監(jiān)控曲線(xiàn)。辦公區(qū)域的熱源相對(duì)復(fù)雜,有大功率電熱暖氣,大廳的熱源相對(duì)單一,但是兩個(gè)區(qū)間可通過(guò)玻璃門(mén)聯(lián)通。燃?xì)廨椛涔┡O(shè)備是9點(diǎn)開(kāi)啟,軟件監(jiān)控至16點(diǎn)45分。從圖中可以看出,這兩個(gè)區(qū)域的溫度比較穩(wěn)定地控制在15 ℃~18 ℃范圍內(nèi)。
圖9 地鐵車(chē)庫(kù)恒溫集控系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)圖
4 結(jié)論
本文針對(duì)燃?xì)廨椛涔┡到y(tǒng)的供暖方式,基于STM32和CAN總線(xiàn)設(shè)計(jì)了一種新型的地鐵車(chē)庫(kù)恒溫集控系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明:溫度采集器能夠準(zhǔn)確地采集傳輸實(shí)時(shí)溫度,溫控器可以控制溫度在給定的溫差內(nèi)波動(dòng),信息集控器可以實(shí)時(shí)處理來(lái)自PC和溫控器的信息,PC軟件可以獨(dú)立或批量管理設(shè)置溫控器運(yùn)行狀態(tài),實(shí)現(xiàn)了對(duì)地鐵供熱設(shè)備的集中監(jiān)控、獨(dú)立設(shè)置、自動(dòng)運(yùn)行、節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展、功耗檢測(cè)和故障保護(hù)預(yù)警等功能,具有很好的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。本套系統(tǒng)適用于機(jī)車(chē)車(chē)庫(kù)、大面積的廠(chǎng)房等使用燃?xì)廨椛涔┡到y(tǒng)供暖的場(chǎng)所。系統(tǒng)中所有的數(shù)據(jù)都為數(shù)字信息,增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和兼容性。
參考文獻(xiàn)
[1] 何川,封坤,方勇.盾構(gòu)法修建地鐵隧道的技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2015,50(1):97-109.
[2] 顧岷.我國(guó)城市軌道交通發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].城市軌道交通,2011(10):53-56.
[3] 楊秀娟.高大空間地鐵車(chē)庫(kù)供暖方式分析[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品,2012(7):187.
[4] 孟磊,霍苗苗,宗立明,等.地源熱泵技術(shù)在地鐵車(chē)庫(kù)內(nèi)使用的可行性研究[A].中國(guó)土木工程學(xué)會(huì).中國(guó)城市軌道交通關(guān)鍵技術(shù)論壇文集——高水平地建設(shè)城市軌道交通[C].北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,2013:320-322.
[5] 張坤鰲.基于CAN總線(xiàn)的高壓變頻系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].儀表技術(shù)與傳感器,2015(10):82-84.
[6] 萬(wàn)曉鳳,張燕飛,余運(yùn)俊,等.基于嵌入式的純電動(dòng)汽車(chē)CAN總線(xiàn)通信及實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2013,21(10):2795-2798.
[7] GALAL S,RAZAVI B.Broadband ESD protection circuits in CMOS technology[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,2003,38(12):2334-2340.
[8] 田明,徐平,黃國(guó)輝,等.基于STM32和μC/OS-Ⅱ的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].機(jī)電工程,2012,9(4):482-485.