《電子技術(shù)應(yīng)用》
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地鐵車(chē)庫(kù)恒溫集控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2016年電子技術(shù)應(yīng)用第8期
姚仲敏1,何 昫1,翟菲菲2
1.齊齊哈爾大學(xué) 通信與電子工程學(xué)院,黑龍江 齊齊哈爾161006;2.天津市數(shù)城科建科技有限公司,天津300190
摘要: 針對(duì)地鐵車(chē)庫(kù)“燃?xì)廨椛涔┡到y(tǒng)”供暖方式,基于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)行的智能恒溫集控系統(tǒng)。該系統(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。對(duì)系統(tǒng)方案、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)介紹,并給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。系統(tǒng)可實(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,具有很好的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。
中圖分類(lèi)號(hào): TP273+.5
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.
Design of constant temperature centralized control system for underground garage
Yao Zhongmin1,He Xu1,Zhai Feifei2
1.School of Communication and Electronic Engineering, Qiqihar University of China,Qiqihar 161006,China; 2.Shucheng Science and Technology Limited Co. of Tianjin City,Tianjin 300190,China
Abstract: With regards to the underground garage “gas-fired radiant heating system heating method”, an intelligent constant temperature centralized control system, which can be single operated or multiple joint controlled, was designed based on the STM32 MCU and CAN bus technology. The system is composed of four parts: the PC client, the information collection controller, the temperature controller and the temperature collector. The system scheme, hardware design and software design were introduced in detail, and the experimental results were given. The system has the functions of centralized monitoring, independent setting, automatic operation, node expansion, power consumption detection and fault protection and so on, and it has a good real-time performance and stability.
Key words : underground garage;constant temperature control;gas-fired radiant heating;STM32;CAN bus

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。

圖像 001.png

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。

圖像 002.png

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。

圖像 003.png

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。

圖像 004.png

圖4  從站系統(tǒng)任務(wù)創(chuàng)建流程

圖像 005.png

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。

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圖6  溫控器系統(tǒng)任務(wù)創(chuàng)建程序流程

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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。

圖像 008.png

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)。

圖像 009.png

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。

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