基于CAN總線技術(shù)的供暖計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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1 引言
CAN總線技術(shù)誕生于汽車控制領(lǐng)域，隨著其技術(shù)的不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)展。 CAN總線技術(shù)進(jìn)入我國(guó)以來，在經(jīng)歷了引進(jìn)、使用階段后，自2000年以來，國(guó)內(nèi)許多相關(guān)廠商對(duì)該總線技術(shù)進(jìn)行了不懈的研究與開發(fā)，取得了一定的成果，目前，國(guó)內(nèi)CAN總線技術(shù)已經(jīng)在汽車控制、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械和樓宇自動(dòng)化等眾多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，是受到廣泛關(guān)注的總線技術(shù)之一[1]。
CAN總線具有現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)，適合于分布式系統(tǒng)的應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)已具有一定的 CAN總線產(chǎn)品的開發(fā)能力，其應(yīng)用成本也隨之降低，所以，在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的改造中 CAN總線技術(shù)得到了比較廣泛的應(yīng)用。隨著熱能商品化和供暖計(jì)費(fèi)制度的改革，國(guó)內(nèi)居民住宅供暖體制也將發(fā)生變化，其中最為重要的也是最為困難的是對(duì)供暖計(jì)量系統(tǒng)的改造。在新建居民住宅小區(qū)中可以根據(jù)目前國(guó)家供暖制度的要求采用不同的供暖方式，并根據(jù)具體的供暖方式進(jìn)行住宅小區(qū)供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，但是，如何對(duì)存量很大的老舊住宅供暖計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行改造是一個(gè)難點(diǎn)，因?yàn)檫@可能要涉及到現(xiàn)有供暖管線的改造，而供暖管線改造的工程量比較大，工期較長(zhǎng)，特別是管線改造對(duì)住戶的影響很大，實(shí)施中可能會(huì)遇到比較大的阻力 [2、3]。所以，根據(jù)老舊住宅供暖系統(tǒng)改造的要求，設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單、實(shí)用的住宅供暖計(jì)量系統(tǒng)是必要的。本文完成了一種基于 CAN總線技術(shù)的供暖計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 2 CAN總線技術(shù)簡(jiǎn)介
2.1 CAN總線結(jié)構(gòu)
CAN（Controller Area Network）總線是德國(guó) Bosch公司 1990年推出的一種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。它具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高，且開發(fā)工具廉價(jià)的特點(diǎn)。 Motorola、Intel、Philips等公司
都為其提供硬件支持。
CAN總線系統(tǒng)是由許多 CAN節(jié)點(diǎn)組成，CAN總線將各個(gè)節(jié)點(diǎn)連接起來，其總線總長(zhǎng)度最大為 10千米。CAN總線可以通過鏈接設(shè)備（Linking Device）與上層網(wǎng)絡(luò)相連，上層網(wǎng)絡(luò)可以是信息網(wǎng)或其它標(biāo)準(zhǔn)的總線。
CAN總線協(xié)議遵從 OSI模型，其數(shù)據(jù)鏈路層和物理層由 CAN2.0協(xié)議規(guī)范描述。 CAN2.0協(xié)議規(guī)范沒有描述 CAN總線協(xié)議的應(yīng)用層，所以，其應(yīng)用層需要另行構(gòu)建[4]。
2.2 CAN總線節(jié)點(diǎn)
CAN總線節(jié)點(diǎn)由微處理器系統(tǒng)、CAN控制器、CAN總線收發(fā)器三部分組成。CAN總線節(jié)點(diǎn)組成及連接示意圖如圖 1所示。
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節(jié)點(diǎn)中微處理器系統(tǒng)由微處理器和本地應(yīng)用電路構(gòu)成，微處理器是整個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制中心，本地應(yīng)用電路與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相連，節(jié)點(diǎn)中 CAN收發(fā)器與 CAN總線相連，CAN總線節(jié)點(diǎn)是連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和總線的關(guān)鍵。
CAN總線節(jié)點(diǎn)具有兩個(gè)重要功能，即：總線通信功能和本地控制功能?？偩€通信功能完成與總線上其它節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸；本地控制功能完成對(duì)與本節(jié)點(diǎn)相連的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。節(jié)點(diǎn)加上現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備構(gòu)成了一個(gè)控制系統(tǒng)，而且是具有通信功能的控制系統(tǒng)，CAN總線是將眾多這樣的控制系統(tǒng)連接在一起的信息通道，采用 CAN總線技術(shù)構(gòu)建的系統(tǒng)是分布式系統(tǒng)，這體現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的本質(zhì)[5、6]。 3 總體方案設(shè)計(jì)
3.1需求及技術(shù)分析
我國(guó)集中供暖方式主要用于樓房住宅建筑中，目前，老舊住宅中供暖方式雖然各有不同，但是，其供暖管線的基本結(jié)構(gòu)是所謂 “串連分趟”式。按照住宅內(nèi)供暖區(qū)域的不同，每一趟供暖管線分布于住宅內(nèi)的不同位置，上下各層的每一趟管線上串行連接有散熱器，單層單趟供暖管線結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2所示。
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住宅的設(shè)備層設(shè)有橫向的回水管線，例如一個(gè)兩室兩廳一衛(wèi)一廚的單元中至少有 6趟供暖管線通過，在不改變現(xiàn)有供暖管線的條件下，必須對(duì)每一住戶的每一趟管線所消耗的熱量分別進(jìn)行計(jì)量，即圖 2中 A點(diǎn)到 B點(diǎn)所消耗的熱量值，累加后得出該住戶所消費(fèi)的總熱量。由于空間上的分布性，要求供暖計(jì)量系統(tǒng)必須采用全分布式系統(tǒng)，CAN總線技術(shù)符合這一要求，而且 CAN總線產(chǎn)品與其它現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品相比其成本低，適合于現(xiàn)有系統(tǒng)的改造，所以設(shè)計(jì)中采用了 CAN總線技術(shù)。在民用住宅中要計(jì)量熱量的消耗量，一般要求系統(tǒng)應(yīng)對(duì)相應(yīng)熱傳導(dǎo)介質(zhì)的流量和溫度進(jìn)行計(jì)量，所以，每一住戶的單趟供暖線路的兩端，即圖 2中 A、 B點(diǎn)處應(yīng)設(shè)有流量和溫度的測(cè)量點(diǎn)，根據(jù)該兩處的流量差值和溫度差值可以計(jì)算出該住戶這一散熱器所消耗的熱量。為簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，熱量值的計(jì)算在主機(jī)中完成。單元住宅具有層層相疊的特點(diǎn)，在這樣的住宅中每一住戶的單趟供暖線路上設(shè)置一個(gè)測(cè)量點(diǎn)即可滿足計(jì)量的要求，如層高為 21層的住宅樓，每一單趟供暖線路上的測(cè)量點(diǎn)個(gè)數(shù)是 22個(gè)，若每層按 10戶計(jì)算，每戶 6趟供暖管線，則該棟住宅樓共有 1320個(gè)測(cè)量點(diǎn)。
3.2總體方案設(shè)計(jì)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用主/從結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 3所示。其中主機(jī)通過 CAN總線適配器與 CAN總線相連，節(jié)點(diǎn)采用統(tǒng)一供電方式，端接器是 CAN總線所要求的它安裝在總線的兩端。節(jié)點(diǎn) 1至節(jié)點(diǎn) n是 CAN總線節(jié)點(diǎn)，主要完成流量值和溫度值的采集以及與主機(jī)的通信，系統(tǒng)具有自動(dòng)數(shù)據(jù)采集的功能，避免了人工查表的過程。
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主機(jī)采用巡檢的方式訪問節(jié)點(diǎn)。流量的累加在節(jié)點(diǎn)中完成，溫度值由節(jié)點(diǎn)采集后供主機(jī)讀取?？偩€的最大長(zhǎng)度可以達(dá)到 10千米，這一長(zhǎng)度完全可以滿足目前高層住宅的要求。
在正常供暖狀態(tài)下，如果沒有泄漏，單趟供暖線路上的流量應(yīng)該是相等的，由于橫向回水管線在設(shè)備層中，所以，流量傳感器只安裝在設(shè)備層，這些點(diǎn)的流量值與住戶室內(nèi)的流量值是相等的，這樣可以減少改造的工程量，其缺點(diǎn)是不能檢測(cè)到住戶供暖設(shè)施的泄漏故障。溫度傳感器安裝在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)處。以層高為 21層的住宅樓為例其設(shè)備層在頂層和中間的一層中，所以在頂層、底層和中間的設(shè)備層安裝節(jié)點(diǎn)。
溫度傳感器安裝在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)處，溫度傳感器電纜和 CAN總線（采用非屏蔽雙絞線）必須沿供暖管線穿過住戶的上下層樓板，如果采用無線系統(tǒng)可以避免布線從而可以降低對(duì)住戶的影響，但從系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性方面考慮最終選擇了有線系統(tǒng)。 4 節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)
4.1節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
在 CAN節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)中采用 89C51單片機(jī)為處理器，CAN控制器和 CAN收發(fā)器選擇目前應(yīng)用比較廣泛的 Philips公司的 SJA1000和 82C250。節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 4所示。節(jié)點(diǎn)具有流量值累加、溫度采集、電源顯示和掉電保護(hù)、光報(bào)警及總線通信的功能。
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溫度傳感器采用美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的數(shù)字式溫度傳感器DS18B20。該傳感器測(cè)溫范圍為-55～+125℃，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625℃，其中在-10℃～+85℃的范圍內(nèi)的測(cè)量精度為 ±0.5℃，由于每個(gè) DS18B20有唯一的一個(gè)連續(xù) 64位產(chǎn)品號(hào)，這樣，在微處理器的控制下允許在一根電纜上接多個(gè)傳感器，其最長(zhǎng)電纜長(zhǎng)度可達(dá)150米，能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求 [7]。
4.2節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
節(jié)點(diǎn)軟件由節(jié)點(diǎn)通信程序、溫度采集程序和流量采集程序三個(gè)部分組成。這里主要對(duì)流量采集程序作簡(jiǎn)單介紹。在我國(guó)北方地區(qū)，一個(gè)供暖季大約是 150天，流量的累加值如果采用 8位十進(jìn)制數(shù)，最多可以達(dá)到 9999999.9噸的流量計(jì)數(shù)，能夠滿足絕大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合的要求。設(shè)計(jì)中節(jié)點(diǎn)流量的累加計(jì)數(shù)采用非壓縮 BCD碼形式，一共占用 8個(gè)單元，使用 89C51單片機(jī)片內(nèi) 60H-67H開始的單元作為軟件計(jì)數(shù)的累加單元，其中 60H作為最低位 8位。流量采集需要記錄流量的累加值，所以，其工作的連續(xù)性是十分重要的，但是當(dāng)節(jié)點(diǎn)本身出現(xiàn)故障時(shí)，當(dāng)前流量的累加值就會(huì)丟失，這時(shí)在整個(gè)系統(tǒng)中只有主機(jī)中有上次采集到的該節(jié)點(diǎn)發(fā)出的流量累加值，所以，流量采集節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)故障修復(fù)后再次投入使用時(shí)如何恢復(fù)流量累加值的問題，軟件設(shè)計(jì)中采用了現(xiàn)場(chǎng)流量采集只計(jì)量流量的增量值，主機(jī)讀取后進(jìn)行累加的方式。節(jié)點(diǎn)流量采集程序流程圖如圖 5所示。
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5 結(jié)論
本文所設(shè)計(jì)的基于 CAN總線技術(shù)的供暖計(jì)量系統(tǒng)適合于目前我國(guó)老舊居民住宅供暖系統(tǒng)的改造，其試驗(yàn)系統(tǒng)已經(jīng)在一棟高五層，建筑面積約為 6千平方米的辦公樓內(nèi)運(yùn)行了一個(gè)供暖季，系統(tǒng)的可靠性和計(jì)量精度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。老舊住宅供暖計(jì)量系統(tǒng)的改造是我國(guó)供暖體制改革的重點(diǎn)和難點(diǎn)，希望本文的工作能夠?yàn)槟壳懊裼米≌┡到y(tǒng)的改造提供點(diǎn)滴經(jīng)驗(yàn)。
【參考文獻(xiàn)】
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