基于通斷時間面積法的熱計量遠程抄表系統(tǒng)

李 佳 亮，王 雅 君，王 德 權

（大連工業(yè)大學 機械工程與自動化學院，遼寧 大連 116034）

0 引 言

在全國積極推行低碳發(fā)展、節(jié)能減排的大背景下，北方采暖地區(qū)供熱計量改革提上日程。從2010年開始，住建部提出要求北方新建住宅都要進行分戶熱計量，住建部《供熱計量技術規(guī)程》明確提出4種分戶熱計量方法中，通斷時間面積法位列其中。通斷時間面積法遵循“樓棟計量、分攤?cè)霊簟钡脑瓌t［1］，以每戶的采暖面積和供暖系統(tǒng)的通水時間為依據(jù)，分攤建筑的總供熱量［2］。熱計量遠程抄表系統(tǒng)將信息技術應用于城市供熱，充分發(fā)揮了信息化的優(yōu)勢，使城市供熱更加科學、高效、透明。該系統(tǒng)設計的目的在于優(yōu)化供熱部門資源配置，達到節(jié)能減排的效果，調(diào)動居民參與供熱節(jié)能改造的積極性。

1 系統(tǒng)總體設計

按照系統(tǒng)的需求分析以及技術方案，基于通斷時間面積法的熱計量遠程抄表系統(tǒng)由五部分組成：室溫控制器、通斷控制器、熱量表、樓棟管理器、數(shù)據(jù)中心［3］，如圖1所示。

熱計量遠程抄表系統(tǒng)拓撲關系如圖2所示。遠程數(shù)據(jù)中心與樓棟管理器之間通過GPRS 網(wǎng)絡進行連接，樓棟管理器與熱量表、通斷控制器之間通過M－BUS抄表總線進行連接，通斷控制器與室溫控制器之間通過無線通信連接，各設備詳細功能如下：

圖2 系統(tǒng)拓撲圖Fig.2 Topology diagram of the system

室溫控制器：放置于用戶室內(nèi)，具有室內(nèi)溫度的采集、遙控閥門的開關、欠費通知的顯示等功能。室溫控制器通過無線通信方式與通斷控制器連接，與通斷器實時進行信息交互。

通斷控制器：安裝于室外，與供熱管道入戶閥門相連，通過控制電動閥門的開關實現(xiàn)對室溫的調(diào)節(jié)，并能夠按照分攤周期對閥門周期的開啟時間進行記錄。通斷控制器能夠?qū)崟r接收樓棟管理器指令，根據(jù)指令完成數(shù)據(jù)上傳、時鐘校準、實時開關閥、非供暖期休眠、用戶溫度設定等功能。

熱量表：安裝于樓棟供熱主管道，對樓棟熱量消耗值進行采集，能夠?qū)崟r接收樓棟管理器抄表指令，并將熱量值、進／回水溫度以及各個運行參數(shù)上傳到樓棟管理器。熱量表應達到二級表精度要求［4］，熱量表的精度是整個通斷時間面積法能夠精確計量的根基。

樓棟管理器：通過M－BUS 總線與通斷控制器和熱量表相連，配有GPRS 無線通信模塊，通過GPRS網(wǎng)絡實現(xiàn)現(xiàn)場供熱數(shù)據(jù)遠程上傳到數(shù)據(jù)中心［5］。

2 通斷時間面積法

2.1 通斷時間面積法簡介

通斷時間面積法基于通斷時間面積算法，利用用戶閥門開啟時間作為分攤的基礎，結(jié)合各個用戶供熱面積、熱用戶總數(shù)、分攤周期以及總消耗熱量計算出各用熱戶分攤熱量的熱計量方法。

傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)最大的問題是熱網(wǎng)的水力失調(diào)、熱力失調(diào)和監(jiān)測手段的缺乏，二次供熱網(wǎng)中這些問題尤其突出，因此，建立針對二次供熱網(wǎng)的供熱信息系統(tǒng)可以給供熱企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益［6］。

在通斷時間面積法系統(tǒng)中，閥門開啟時間的概念替代了傳統(tǒng)熱量表測量熱量的方法，此舉不僅簡化了分戶計量之后的管理難題，還解決了由于流量計的制造精度問題而帶來的計量偏差過大問題［7］。

通斷時間面積法解決傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)問題的同時又能夠?qū)崿F(xiàn)分戶的控制、調(diào)節(jié)和計量，經(jīng)濟實用，是一種適應我國國情的熱計量方法。

當然，任何事物都有它的局限性，在現(xiàn)場使用過程中，發(fā)現(xiàn)了一些制約通斷時間面積法使用和推廣的問題，比如計量用戶的熱負荷和供暖系統(tǒng)供暖能力不相匹配、建筑熱惰性與調(diào)節(jié)之間的矛盾、總熱量表的安裝等問題［8］。

總體來說，通斷時間面積法是一種科學、高效的熱計量方法，值得在我國推廣和使用。

微生物的生長曲線代表該微生物在新的環(huán)境中生長繁殖直至衰老死亡全過程的動態(tài)變化，一般分為遲緩期、對數(shù)期、穩(wěn)定期和衰亡期4個階段。魯氏酵母菌生長的標準曲線見圖1。

2.2 通斷時間面積法計算方法

通斷時間面積法中熱用戶的分攤熱量計算公式［9］為：

式（1）中：Qi為第i個熱用戶分攤周期內(nèi)或供暖總時間內(nèi)分攤熱量，kW·h；Si為第i個熱用戶的建筑面積，m2；Q為分攤周期內(nèi)或供暖總時間內(nèi)樓棟熱量表計量的熱量值，kW·h；n為參與熱分攤的熱用戶數(shù)量。式（2）中：εi為第i個熱用戶閥門周期開啟時間比或閥門累計開啟時間比；Δτ為分攤周期或供暖總時間，h；Δτ′為第i個熱用戶在分攤周期內(nèi)或供暖總時間內(nèi)閥門累計開啟時間，h。

綜合公式（1）、（2）可得

在本項目中，分攤周期Δτ取1h，故可將公式簡化為

假設Hi＝Δτ′iSi，可得：

由公式（5）可知，在分攤周期固定的前提下，計算熱用戶周期分攤量，可先計算出每戶的周期開閥時間與供熱面積的乘積Hi，將Hi代入公式（5），即可算出熱用戶的周期分攤，將用戶每周期的分攤量累加，可得用戶的累計分攤量，累計分攤量是收費的重要依據(jù)。

3 樓棟管理器設計

3.1 樓棟管理器總體設計

樓棟管理器主要由ARM 核心模塊、M－BUS通信模塊、觸摸顯示屏、GPRS模塊組成。

ARM 核心模塊是樓棟管理器的運算和數(shù)據(jù)處理的核心，模塊搭載Windows CE 嵌入式操作系統(tǒng)，配備自主開發(fā)的數(shù)據(jù)采集處理軟件，實現(xiàn)抄表指令發(fā)出、抄表數(shù)據(jù)處理、抄表系統(tǒng)總體調(diào)度等功能，其硬件選用三星ARM9處理器S3C2416，主頻400 MHz，配備128 MB DDR2內(nèi)存和1GB Nand Flash，經(jīng)實際使用，核心模塊硬件性能能夠滿足樓棟采集器數(shù)據(jù)處理要求。

M－BUS通信模塊是樓棟管理器與通斷控制器、熱量表進行通信的基礎，樓棟管理器作為MBUS總線的主機，通斷控制器及熱量表作為從機，由主機發(fā)出抄表指令，從機應答。M－BUS總線是一種半雙工通信總線，其主要優(yōu)勢是可以對從機進行遠程供電［10］，減少元器件的使用，降低成本。

GPRS通信模塊能夠接入運營商GPRS 網(wǎng)絡，利用GPRS系統(tǒng)提供的廣域無線IP與數(shù)據(jù)中心建立網(wǎng)絡通信，實現(xiàn)樓棟管理器與數(shù)據(jù)中心的遠程連接［11］。GPRS 模塊不僅能夠把需要上傳的數(shù)據(jù)封裝成TCP／IP 數(shù)據(jù)包，通過Internet傳送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)中心，而且能夠接收數(shù)據(jù)中心發(fā)出的TCP／IP數(shù)據(jù)包，將數(shù)據(jù)包通過RS232接口傳遞給ARM 核心模塊。

3.2 數(shù)據(jù)采集

按照技術協(xié)議要求，M－BUS總線上最多掛載256個設備，樓棟管理器需每10 min抄表1 次，采用輪詢方式進行數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)還應具備多種控制功能，比如通斷控制器的校時。實現(xiàn)這些功能需制定合理的通信協(xié)議，本節(jié)著重介紹通信協(xié)議的制定規(guī)則。

通信中的信息幀由前導碼、幀起始符、儀表類型、從站地址域、控制碼、控制參數(shù)、檢驗位和結(jié)束符8部分組成［12］。

（1）前導碼：在主站或從站發(fā)送的所有信息幀的開頭有一串固定長度的十六進制字節(jié)“FEFE”，即前導碼。

（2）幀起始符：表示一個幀的開始，幀起始符為“68H”。

（3）儀表類型：由于本項目中需從通斷控制器和熱量表兩種儀表中采集數(shù)據(jù)，故用儀表類型區(qū)分，規(guī)定儀表類型“50H”為通斷控制器，“30H”為熱量表。

（4）地址域：每個從機都有一個唯一地址碼，發(fā)送抄表指令時，協(xié)議中地址域由4個字節(jié)組成，每個字節(jié)為2位BCD 碼格式。

（5）控制碼：控制碼是包含儀表控制信息的一個字節(jié)數(shù)據(jù)，具體定義：“01H”輪詢命令，“02H”欠費通知，“03H”通斷控制器在線測試，“04H”強制關斷通斷器閥門。

（6）控制參數(shù)：控制參數(shù)是由6個字節(jié)組成，不同控制碼具有不同的控制參數(shù)。

（7）校驗碼：校驗碼CS 由一個字節(jié)組成，計算方法是從幀起始符開始到校驗碼之前的所有字節(jié)進行十六進制算術累加，不計超過FFH 的溢出值。

（8）結(jié)束符：結(jié)束符與起始符作用相同，表示一個幀的結(jié)束，結(jié)束符為“16H”。

3.3 軟件設計

嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE中的應用程序可以用微軟編程軟件Visual Studio 2008進行開發(fā)，本項目中開發(fā)語言為C#［13］，數(shù)據(jù)庫采用嵌入式數(shù)據(jù)庫SQL Server CE［14］，該數(shù)據(jù)庫不僅提供了完整的SQL語法，包括內(nèi)聯(lián)接、外聯(lián)接，還內(nèi)置了數(shù)據(jù)同步技術，是一款穩(wěn)定、高效的嵌入式數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)采集處理軟件在一個進程下開啟多個線程來完成各個任務，軟件業(yè)務流程如圖3所示。軟件在完成必要的初始化數(shù)據(jù)和打開串口以后，會開啟一個新的線程進行實時調(diào)度。調(diào)度部分的原理是將當前時間和任務執(zhí)行時刻表進行比對，當比對成功時說明這一時刻需要有任務執(zhí)行，系統(tǒng)會開啟新的線程執(zhí)行任務。

圖3 軟件流程圖Fig.3 Flow chart of the software

軟件需要執(zhí)行的任務分為抄表、計算分攤、時鐘校準和上傳分攤。通過程序的調(diào)度實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集、計算和上傳。

軟件設計時，數(shù)據(jù)采集最大周期不應大于分攤周期。計算分攤時的總熱量值應為最近一次采集熱量值與上周期計算分攤熱量值的差值，此差值即為周期消耗總熱量。數(shù)據(jù)庫設計時，需要注意將實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)分別存儲，防止歷史數(shù)據(jù)過多導致采集計算過慢的問題。由于GPRS模塊數(shù)據(jù)傳輸速度受現(xiàn)場GPRS 網(wǎng)絡覆蓋程度影響［15］，設計軟件數(shù)據(jù)上傳部分時，宜將大數(shù)據(jù)包拆成小數(shù)據(jù)包分多次上傳，以保證數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)臏蚀_率。

4 結(jié) 語

本設計以熱計量中通斷時間面積法為基礎，在總結(jié)和研究了國內(nèi)外遠程抄表技術的基礎上，將傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)與信息技術相結(jié)合，并綜合了嵌入式數(shù)據(jù)庫、GPRS遠程通信等先進技術。目前自動抄表技術還在不斷發(fā)展中，未來自動化儀表應創(chuàng)新設計模式，充分利用嵌入式微處理器、嵌入式操作系統(tǒng)以及大數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)，在此基礎上開發(fā)和設計的信息網(wǎng)絡化智能化儀器儀表，必然會成為儀表行業(yè)的發(fā)展趨勢。

［1］樊慶堂，林秀麟.鶴壁市分戶熱計量案例分析［J］.中國建設信息：供熱制冷，2009（8）：24－25.

［2］郭海新，王健.住宅供熱單戶計量的幾種方式［J］.暖通空調(diào)，1998，28（1）：24－26.

［3］CAO Liting，TIAN Jingwen，ZHANG Dahang.Networked remote meter－reading system based on wireless communication technology［C］／／Information Acquisition，2006IEEE International Conference on.Weihai：IEEE，2006：172－176.

［4］李玉明，潘毅群，陳晨.上海市既有公共建筑節(jié)能改造適用技術研究［J］.建筑熱能通風空調(diào)，2009，28（2）：33－37.

［5］黨世紅，黨宏社.基于GPRS 的嵌入式遠程自動抄表系統(tǒng)設計［J］.低壓電器，2008（18）：16－20.

［6］李聯(lián)友，陳忠海，李德英，等.分戶計量供熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)方法分析［J］.暖通空調(diào)，2004，34（1）：82－84.

［7］劉蘭斌，江億，付林.通斷時間面積法的應用狀況和應用中的主要問題［J］.區(qū)域供熱，2013（3）：64－69.

［8］齊承英.通斷時間面積法熱計量技術的發(fā)展及應用評述［J］.建設科技，2013（24）：81－85.

［9］鄒瑜，宋波，胡月波，等.《通斷時間面積法熱計量裝置技術條件》（JG／T 379—2012）解讀［J］.建設科技，2012（18）：30－31.

［10］金晨雨，劉淑敏.基于M－Bus總線的熱力站監(jiān)測系統(tǒng)［J］.儀器儀表用戶，2005，12（1）：105－106.

［11］金福寶，曹軍.基于GPRS網(wǎng)絡遠程抄表系統(tǒng)的設計［J］.電測與儀表，2006，43（10）：38－41.

［12］宋鵬，王俊杰.儀表總線M－Bus協(xié)議的研究［J］.自動化儀表，2004，25（8）：19－21.

［13］劉繁明，邢坤，孫銘雪.基于WinCE 的機車故障監(jiān)測系統(tǒng)智能顯示單元設計［J］.應用科技，2010，37（9）：57－60.

［14］陳福，周樹杰，林小竹，等.基于wince 的嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫訪問技術研究［J］.計算機系統(tǒng)應用，2004（4）：47－49.

［15］趙金明，曹曉衛(wèi)，張明哲，等.GPRS數(shù)據(jù)傳輸時延測試［J］.移動通信，2004，28（6）：36－39.