基于虛擬儀器技術的計量供熱測控系統的研究與設計

師 麗，王改艷

（1.榆林學院 建筑工程系，陜西 榆林719000；2.長安大學 陜西 西安710000）

基于虛擬儀器技術的計量供熱測控系統的研究與設計

師 麗1，王改艷2

（1.榆林學院 建筑工程系，陜西 榆林719000；2.長安大學 陜西 西安710000）

隨著我國經濟快速發展，能源消耗已成為我國不得不面對的重要問題，節約能源是全世界的主要研究課題。提高供熱效率是對節約能源的一項有力方法，不僅節約能源，還能改善環境，但是傳統的供熱系統已跟不上現在用戶的需求。因此，本文利用虛擬儀器技術，提出了一個計量供熱測控系統。先對供熱系統、虛擬儀器技術以及測控平臺進行簡單介紹分析，然后依據上述技術設計了計量供熱測控系統，最后詳細研究了系統的各個組成模塊。

虛擬儀器技術；LabVIEW；計量供熱；測控系統

隨著我國國力的大力發展，現代化城市的逐步建立，大大增加了建筑能耗，而熱能耗則是建筑能耗中的主要部分，伴隨人民生活的進一步改善的后果是能源消耗也將進一步增大，所以，建筑節能刻不容緩。為改善這一問題，國家先后頒布了相關條例，整改建筑耗能的問題。目前我國的供熱計量方式各個地區標準仍不統一，同時，用戶可自行修調的方式是傳統集中供熱方式所調節管理不了的，結合國外先進的計量供熱體制，我國已逐步將供熱收費方式由之前的根據所占面積收取變為根據所用熱量收取的方式，通過經濟調節手段雖然這大大提高了供熱效率，但是相比與先進技術而言，還有很多的不足之處需要改正。

文中根據國外先進供熱理念，結合我國實際國情，通過分析熱計量方式以及計量供熱原理，在研究虛擬儀器技術和LabVIEW測控平臺后，提出了計量供熱測控系統，并對系統中的重要模塊詳細分析[1-5]。

1　虛擬儀器技術及LabVIEW測控平臺

1.1虛擬儀器技術

虛擬儀器，顧名思義，是指通過計算機軟件對儀器的功能進行設定，實現操作功能和虛擬控制的系統。使用者可以在虛擬操作面上對儀器進行測量和控制。也可以說，虛擬儀器將計算機技術、軟件技術和高效硬件技術完美進行結合。在這三者中，軟件是核心，因為軟件的改變就可實現儀器的功能。所以，虛擬儀器的特點可總結為：高性能、強擴展、開發容易以及集成度高[8-10]。

為更好地表現虛擬儀器的特點，將其與傳統儀器做比較，比較結果如表1所示。

表1　虛擬儀器和傳統儀器的比較

1.2LabVIEW測控平臺

LabVIEW，簡稱實驗室虛擬儀器工作平臺，它是一款創新型軟件，具有強大的數據收集、分析、處理以及對儀器實現控制的軟件開發能力。與傳統軟件相區別的是，傳統軟件在編程過程中，文本語言所編寫的代碼語句順序就是軟件執行程序的順序。然而，LabVIEW是采用圖形化語句編輯，而不是文本語言編輯，圖形框圖間的數據轉換方向就是程序運行的順序，而且，在LabVIEW編程過程中，可以采用圖標代替原有函數表達方式，并且將交互軟件、主菜單等模塊添加到圖形框圖中，對應用功能進行定義以后，再利用后控板就可以操控前控板。綜上所述，LabVIEW具有高效、高速、美觀、簡便等特點[11-12]。

文中所設計的計量供熱測控系統就是建立在LabVIEW測控平臺上的，利用個人計算機和虛擬儀器技術，采用多種硬件控件可實現對計量供熱系統的實時測控，再添加一些軟件可擴展系統所實現的功能，滿足不同條件下的要求與需要，從而降低測量成本。基于LabVIEW的虛擬儀器測控系統結構圖如圖1所示。

圖1　基于LabVIEW的虛擬儀器測控系統結構圖

2　供熱測控系統組成及硬件選擇

通過對溫度、熱流量以及傳感器的數據，計量供熱測控系統完成對供熱系統中一些關鍵的數據采集，然后將所得數據信號傳輸到基于LabVIEW平臺的計算機當中進行分析處理，將處理結果再與假設的固定值做比較，比較結果作為輸出信號控制水閥的開關或變頻器的頻率來調節電機轉動的速度，進而調節二次供水的熱量和或流量，從而滿足用戶調節要求，實現控溫的目的。上述過程都是基于虛擬儀器技術，在LabVIEW平臺上完成的，主監控器對系統中的各個參數進行實時監控，進而判斷供熱系統的運行狀態，同時，為保證系統的穩定性和安全性，應添加聲光報警模塊，提高系統的實用性[13-15]。

圖2為文中所設計的計量供熱測控系統結構圖。

圖2　系統結構圖

文中所設計的計量供熱測控系統通過數據采集卡對各個模擬信號的采集，再將采集到的模擬信號通過A/D轉換器轉換為數字信號，將數字信號傳輸到計算機當中對其進行分析和處理，并在LabVIEW平臺面板將結果表示出來，最后再將處理過后的數字信號再通過D/A轉換器轉換為模擬信號，將輸出的電流或電壓等控制信號輸入到供熱系統當中，進而實現對計量供熱系統的測控過程。

3　系統軟件的設計與實現

由上述分析可知，在整個計量供熱測控系統當中，軟件是其中的核心，可以通過改變軟件編寫即可實現不同的功能，并且，軟件編寫的好壞也直接影響著整個系統性能的優劣。

3.1系統軟件總體設計

文中設計的系統軟件模塊主要由10個模塊組成，功能結構圖如圖3所示，系統設計框圖如圖4所示。

圖3　系統軟件功能結構圖

圖4　測控系統設計框圖

系統工作步驟為：

1）系統先自行檢查一番，如果發現有異常現象，則提醒工作人員解決問題，之后再自測，直到一切正常以后，系統會進入工作狀態

2）對系統中的所有設備都進行初始化，并對設備中需要設定初始值的接口進行賦值，并將系統空間進行合理安排分配

3）對系統工作狀態參數進行設定

4）在檢測周期過程中，先隨機提取溫度、流量、壓力差等相關參數，判斷該組參數是否超過設定的正常工作狀態參數范圍，若超過了，那么啟動聲光報警裝置，若沒有超過，那么將這組信號與設定的參考值進行比較

5）通過比較之后，將比較結果作為輸出信號去調節水閥的開關或者水泵的轉速，進而實現對水溫或流量的控制，實現用戶對室內溫度調節的要求。

在用戶使用系統期間，也可以對系統中的任意模塊進行操作，可以查看歷史數據、檢測工作狀態等等。在供暖期結束以后，用戶可以退出測控系統，進而釋放資源空間。

3.2軟件系統各模塊的設計

由圖3可知，系統由10個主要模塊組成，現分別介紹各個模塊的作用。

1）系統登錄模塊：系統登錄模塊是進入系統的第一步，用戶在系統界面中輸入用戶名和密碼，然后再點擊“用戶登錄”按鈕，若用戶名和密碼都正確，則進入系統，若不正確，則會提醒重新輸入，但是輸入三次仍失敗時，系統會自動退出。當然，登錄模塊中還包括用戶幫助、退出系統以及修改密碼等功能按鈕。

2）參數設置模塊：在進入系統后，會對系統中的一些參數需要設定，比如一次供水溫度、二次供水溫度、室內溫度以及室外溫度等等。

3）信號采集模塊：系統對溫度、流量、壓力差等數據進行采集，將采集到的電流信號轉換為電壓信號，再傳輸到數據采集卡當中，再將電壓值轉換為溫度值，然后將溫度值在界面顯示出來。

4）信號分析處理模塊：該模塊是整個系統的核心部分，模塊可以分為兩塊，一個是以平均溫度為分析主體的模塊，一個是以水壓為分析主體的模塊，但是，兩個模塊的工作方式基本一致，都是將所提取的二次供水水溫或水壓與設定的固定值比較，比較結果作為輸出信號實現對水閥的開關或水泵的轉速進行調節，進而對結果進行改變，從而達到用戶需求。

5）控制信號輸出模塊：該模塊就是將信號分析處理模塊的結果進行處理，然后輸出周期性的控制電壓信號。

6）數據保存、查詢和打印模塊：因為LabVIEW平臺本身并不能對數據進行直接訪問，所以對數據進行保存和查詢非常必要，并對數據進行打印可保證操作員較為直接且直觀的對系統進行分析和變化預測。

7）報警模塊：為保證系統可以正常工作，不會因操作失誤或實際情況的改變而產生危險，必要的報警措施非常必要。

4　結束語

文中首先對計量供熱系統進行原理上的介紹，進一步介紹了虛擬儀器技術和LabVIEW[16-17]測控平臺的創建，最后，在虛擬儀器技術的基礎上，提出了創建與LabVIEW平臺上的計量供熱測控系統，在介紹了該系統的系統結構之后，著重對在系統中占據核心部分的軟件系統進行介紹，該軟件系統總共包括了十個模塊，最后詳細介紹了各個模塊的功能。

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Research and design of heat-metering measurement and control system based on virtual instrument

SHI Li1，WANG Gai-yan2
（1.Department of Architectural Engineering，Yulin University，Yulin 719000，China；2.Chang’an University，Xi’an 710000，China）

With the rapid development of China's economy，energy consumption has become an important issue that China has to face.To improve heating efficiency is a powerful way to save energy，not only save energy，but also improve the environment，but the traditional heating system has not been able to keep up with the needs of users.Therefore，this paper presents a measurement and control system of heating measurement and control system based on virtual instrument technology. First of all，the heating system，virtual instrument technology and measurement and control platform for a brief introduction，and then based on the above technology design of the measurement and control system，and finally a detailed study of the various components of the system.

virtual instrument technology；LabVIEW；heat metering；measurement and control system

TM933.4

A

1674－6236（2016）21-0051-03

2015-11-09稿件編號：201511082

榆林市2015年科技計劃項目（2015CXY-21）

師 麗（1983—），女，陜西榆林人，碩士，講師。研究方向：工程管理。