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1、 毕业设计 题 目：小区交换站供热系统数据采集模块的设计 学生： 学 号： 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： （副教授） 2014年6月20日word格式. 1 引言1.1 课题研究的意义和目的 近年来，随着人们节能降耗和环保意识的不断增强，通讯技术与计算机技术的发展，以往采用的分散供热的方式已由集中供热所取代，集中供热已成为我国北方城镇冬季供热的一种主要形式。城市集中供热是节能、环保的重要途径，是城市现代化的主要基础设施之一。热交换站是整个集中供热系统的重要主要部分是供热网络向用户供热的重要连接场所，目前大型热电联产系统大多采用间接连接的供热方式。热电厂提供的高温过热蒸汽经电厂换热站
2、汽水换热器形成供暖热水，由一次管网送至各换热站，高温热水再由板式换热器水水换热器形成供暖热水由二次管网送至用户。课题主要研究社区交换站供热系统的数据采集模块的设计，通过对热水管网温度、压力、流量等数据参数的采集，实现对供热系统的实时监测。同时，分布于多个换热站的该供暖换热站运行参数监测装置可采集多个换热站的运行参数，并通过互联网将换热站的运行参数传送到供暖监控中心，集中显示和监测，可使供热调度部门需要对分散在不同地理位置换热站的温度、压力、流量、液位、设备状态等许多参数进行集中实时监测，有效的掌握系统各数据参数的变化和主要设备的运行效率极其变化规律，从而减少各个换热站的工作人员，实现各换热站无
3、人值守，达到了减员增效的目的，提高工作效率和管理水平，同时提高了供暖可靠性，保证供暖质量，为社区交换站供热系统的优化运行管理提供可靠的保证。 1.2 课题国外发展状况数据采集系统起始于20世纪中期，在70年代初，随着计算机技术及大规模集成电路的发展，特别是微处理器及高速A/D转换器的出现，数据采集系统结构发生了重大变革。原来由小规模集成的数字逻辑电路及硬件程控器组成的采集系统被微处理器控制的采集系统所代替。由微处理器去完成程控，数据处理及大部分逻辑操作，使系统的灵活性和可靠性大提高，系统硬件成本和系统的重建费用大降低。 近年来，随着国外微电子技术、计算技术、测控技术和数字通信技术的发展，目前国
4、外数据采集技术己经有了很大的发展5。从近来国外公司展示的新产品可以看出，主要的发展可以概括为体积小、功能多样和使用方便三个方面。国外数据采集系统快速发展，占据着大量市场，其结构基本上都是与一定个人计算机配套使用的模块化数采单元和系统，无论在性能、工艺或装潢方面都具有较强的竞争力，并由专门的产业集团公司研制和生产，产品也在不断更新换代。比较典型的有美国的B+F公司、HP公司，英国输力强公司，法国迈威公司的MOVILOG数据采集器等6。 上世纪80年代末到90年代初，我国一些仪器厂已研制出了多种数据采集器，其中单通道的有SP201、 SC247型，双通道的有EG3300、 YE5938型，超小型的
5、有911、902和921型，具有采集静态信号的有SM-9012型。所配套的软件包基本上包括了设备维修管理和基本频谱分析两大部分，能够适应机器设备的一般状况监测和故障诊断， 基本己经达到了国外数据采集器的初期水平7。随着我国微电脑技术的发展及工业自动化水平的提高，数据采集技术已经有了很大的提高，在众多领域中都有着重大的作用。数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件下， 应有尽可能高的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的要求口。作为一个整体而言，数据采集系统的发展将受到多方面的影响，比如：测量技术、传感器技术、软件技术、网络技术以及在实践中不断提出的新要求
6、，这些因素都将在很大程度上影响数据采集系统的发展。朱本坤在在其文献中介绍了基于PC的单片机数据采集系统，讨论了PC机和单片机之间的通信原理和通讯方法，同时给出了VB通讯程序的设计要点。为了使数据采集系统具有良好的性，还讨论了单片机应用程序的加密原理和加密方法。其系统的采用，解决了大数据量的数据采集、存储和复杂图表的显示等问题10。 社区交换站供热系统的数据采集与监控也在不断的提高，使我国城市的集中供热的有效运行更加可靠。例如，晓萍在其文献中谈到了基于微处理器F040的换热站数据采集与控制模块，为供热系统提供了一种新型现代化监控器，对于保证安全生产和提高换热站运行效率及自动化水平有着重要意义和广
7、阔的应用前景。在其文章中，针对目前换热站运行多凭人工经验操作，管理水平和运营效率较低的缺点，还设计了基于ARM一体机的一套嵌入式人机交互平台，为换热站的运行和管理提供了良好的人机界面，从而实现了换热站管理、调度、系统仿真的集成化，为供热系统的现代化运行和高效管理提供了一个有利的工具。 我国现已实现集中供热智能无人值守换热站自控系统的设计，林舒宜与炳伟在其文献中阐述了通过对换热站的数据参数进行数据采集、集中管理，通过网络把各个换热站 的信息汇总到服务器，增强自动化管理。通过对曲线进行对比、分析，可对换热站进行宏观调控，动态的修改控制参数，最终达到控制供热质量，节约能源的作用。 另外，王萌也在其论
8、文中阐述了设计的供暖换热站运行参数监测装置，可采集多个换热站的运行参数，并通过互联网将换热站的运行参数传送到供暖监控中心，集中显示和监测，从而减少各个换热站的工作人员，实现各换热站无人值守，达到了减员增效的目的，同时提高了供暖可靠性，保证供暖质量。由此可看出我国的城市的集中供暖，换热站的数据采集与自动监控已经取得了显著的成果，实现了监控管理自动化，同时也可以根据监控数据随时调整，达到有效供暖与节约能源双管齐下。 1.3 论文研究容 本文研究的是以单片机为核心的社区交换站供热系统数据采集模块的设计，通过微处理器及外围电路完成对换热站的温度、压力、流量等参数的数据采集及显示，然后进行数据存储以及与
9、上位机进行数据通信，通过互联网可把该监测装置所采集的数据送至供暖监控中心，进行集中显示和监测。本文将从实际出发，结合可以要求，进而详尽的阐述该数据采集模块的设计思路及过程。2 课题方案设计2.1 城市集中供热系统的构成城市集中供热系统主要包括热力站（或称热源厂）、热水管网、换热站、用户（或称居民社区）等几部分。连接于热源厂和热用户之间的供热系统是整个集中供热系统的重要组成部分，居民社区的供热系统主要包括社区的热水管网和热力站，热水管网分为一次网与二次网，一次网是指连接于城市管网与热力站之间的管网，二次网是指连接于热力站与热用户之间的管网，热力站通过二次管网把热量送到终端用户。集中供热系统的构成
10、如图2.1所示： 图2-1 城市集中供热系统的构成连接于一次网与二次网的相关设备、仪表和控制设备的机房，是热量交换、热量分配以及系统监控和调节的枢纽，它用于调整和保持热媒参数（压力、温度和流量），使供热、用热达到安全经济运行，所以，换热站自动化控制系统的功能和性能就显得有为重要，其控制和监视的核心主要是监控一次、二次网的进出水温度、压力、流量和循环泵、补水泵的状态、起停控制等参数；同时为了提高工作效率和管理水平，供热调度部门需要对分散在不同地理位置换热站的温度、压力、流量、液位、设备状态等许多参数进行集中实时监测，必要时远程式控制制换热站中各设备的运行，并进行远程视频监控。2.2 方案总体设计
11、框图根据本课题的设计要求，数据采集模块包括单片机最小系统、电源电路、数据采集模块、数据采集与输入模块、数据通信模块、数据存储模块。总体的方案原理图设计如图2.2所示： 数据显示A/D转化器 A/D转化器A/D转化器 温度检测 压力检测 流量检测 键盘输入 通信电路循环泵，补水泵的启停状态 存储电路 单 电源 片 机 图2.2 数据采集模块的构成 本课题的研究设计主要是实现基于以单片机为核心的对供热系统温度、压力、流量等模拟量及循环泵和补水泵启停控制等开关量的数据采集模块的设计，具体包括： 1）、热交换站一次侧总管的供水温度和回水温度（两路温度信号） 2）、热交换站二次侧总管的供水温度和回水温度
12、（两路温度信号） 3）、热交换站一次侧供水总管压力和回水总管压力（两路压力信号） 4）、热交换站二次侧供水总管压力和回水总管压力（两路压力信号） 5）、热力站补水管网的的流量（一路流量信号） 6）、热力站一次管网的流量（一路流量信号） 7）、循环泵和补水泵的启停（开关量信号)2.3 单片机的选择 本课题要求完成对温度、压力、流量等模拟量的采集，为了尽可能降低成本，简化电路，本课题采用自带8路A/D转换的单片机STC12C5A60S2。STC12C5A60S2是STC生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8
13、-12倍。部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。本课题采用40引脚封装的单片机型号：PDIP-40，单片机STC12C5A60S2芯片及引脚如图2.3所示：图2.3 STC12C5A60S2单片机及其引脚图2.4 传感器的选择1）温度传感器的选择本设计中，要求水温测量围0C 120C ,误差为0.5C 。DS18B20单总线数字温度传感器的测温围可达-55C +125C，精度可达0.5C ，完全可以满足所要求的测量围和精度，因此，选择DS18B20作为本次设计的温度传感器。DS18B20数字温度计提供9-12位摄氏温度测量而且有一个由高低电平触发的可不因电源消失而改变的报警功能。DS18B20通过一个单线界面发送或接受信息，因此在中央处理器和DS18B20之间仅需一条连接线（加上地线），直接从单线通讯在线汲取能量，除去了对外部电源的需求。 2）压力传感器的选择考虑到工业实际环境和要求，压力传感器采用工业中的压力变送器，它能够接收气体液体等压力信号并将其转换成电流信号，以供记录仪、报警仪等仪器进行测量。本论文要求的压力变送器需要输出4-20mA的电流信号，能够测得0-20Mpa的压力，供电电压为24V，且
