基于4G網絡的區域供熱控制器的設計

劉 偉，王博偉

（吉林化工學院，吉林 吉林 132022）

0 引 言

我國城市供熱廣泛采用集中供熱，集中供熱系統主要由熱源、熱交換網絡、熱用戶組成[1-5]。供熱系統的供熱管網分為一次網和二次網，其中一次網包括熱源、換熱站，二次網包括換熱站、熱用戶。作為一次網和二次網的重要連接樞紐，換熱站安裝有各種系統監測儀器儀表，且承擔一次和二次網的熱量交換、手動調節的角色，結構如圖1所示。針對目前國內采用的供熱控制器存在的控制設備成本較高、設備配線相對復雜等問題，本文采用STM32單片機進行設計，具有集成度高、安裝維護簡單、成本低的特點。

圖1 供熱系統結構

1 供熱控制器硬件系統設計

1.1 供熱控制器硬件系統結構

熱網的控制過程主要是保證熱量的供給、合理控制管網中循環水的流量、保障室內溫度適宜的過程[6-8]。

本文的控制器系統結構主要包括STM32主控單元、溫度和壓力等模擬量測量單元、4～20 mA模擬量輸出控制單元、開關量輸入輸出接口單元、隔離RS 485單元、4G無線網絡通信單元等組成，結構如圖2所示。

圖2 控制器系統結構

1.2 STM32核心電路的設計

STM32F103VCT6是ST公司生產的Cortex M3系列單片機，內置256 KB程序存儲器、48 KB數據存儲器，具有82個GPIO接口、16路12位ADC、8個定時器、5個UART通信控制器以及2個I2C通信控制器，最高工作頻率可達72 MHz，具有良好的性能及較高的集成度，極適合高集成、高性價比的嵌入式工業控制器的設計[9-10]。因此，本次設計以STM32F103VCT6為控制核心，實現了對換熱過程中信號的采集與輸出控制，其核心電路如圖3所示。其中，電容C1和R1組成上電復位電路，Y1、C2和C3構成了系統時鐘電路，單片機提供8 MHz的振蕩頻率，C4～C10為電源引腳退耦電容，SWD為三線下載調試接口。

圖3 STM32最小控制系統電路原理

模擬信號的精確測量需要為ADC提供穩定電壓基準，基準電路采用TL431并聯式低噪聲三端電壓基準芯片進行設計。TL431輸出電壓可在2.495～36 V調節，電壓參考誤差為±0.4%，工作溫度可達-40 ℃，溫度系數為20 ppm/℃，負載電流可達100 mA，并且具有0.22 Ω低動態輸出阻抗。

電壓基準電路中3.3 V電壓經L1電感和C11、C12濾波流過電阻R3后由TL431產生2.5 V基準電壓，2.5 V基準電壓通過STM32單片機的21腳Vref＋接入ADC內部模擬電路，為測量提供基準電壓。

1.3 信號采集與控制電路設計

供熱控制器測量與控制信號均采用工業標準信號，現場溫度、壓力及流量均采用4～20 mA標準信號進行傳輸，對調節閥、循環泵和補水泵的輸出控制也采用4～20 mA模擬量，現場開關量輸入信號采用光電隔離電路進行采集，開關量輸出信號采用繼電器進行控制。

1.3.1 4～20 mA模擬信號測量電路的設計

4～20 mA信號通過V/I變換電路后送入STM32單片機的ADC進行測量，如圖4所示。

圖4 模擬輸入電路

4～20 mA信號經UR1流經100 Ω采樣電阻Rs1至地線回路，在采樣電阻Rs1上實現了V/I變換，Rs1上電壓經R4和C15組成的低通濾波器對信號進行濾波降噪再送入STM32F103VCT6 ADC采集通道對信號進行采集。其中自恢復保險絲UR1、瞬態抑制二極管D1以及D3對信號輸入端和ADC輸入端進行電壓鉗位保護，以防錯接信號而損壞測量電路及單片機等控制器內部器件。

V/I變換及ADC測量關系如下：

式中：Vref為單片機的參考電壓，取值2.5 V；N為ADC測得的數字量。

1.3.2 4～20 mA模擬信號輸出電路設計

變頻器、調節閥等采用4～20 mA模擬量進行控制，因其需要3路模擬量進行控制，而STM32只集成了2個DAC，因此本設計放棄了DAC電路而采用PWM方式進行控制。圖5為PWM方式控制的DAC電路，實現了PWM對輸出電壓的控制。

圖5 PWM方式控制的DAC電路

4～20 mA的U/I變換電路如圖6所示，實現了UPWM到輸出電流的變換。

圖6 4～20mA信號輸出電路

圖6中二極管D4、瞬態抑制二極管D5及自恢復保險絲UR13實現了對電流輸出電路的保護。

1.3.3 開關量輸入輸出電路設計

現場運行啟停等開關量控制輸入信號采用光電隔離電路進行采集，并送入CPU進行處理，開關量輸入信號共8路，如圖7所示為其中一路光電輸入電路，實現了電平轉換及光電隔離的作用。

圖7 開關量光電隔離輸入電路

現場開關量輸出驅動采用繼電器，電路如圖8所示，STM32F103VCT6輸出的控制信號經8路復合管集成驅動芯片ULN2803驅動繼電器，用以控制循環泵和補水泵的啟停等操作。

圖8 ULN2803繼電器驅動電路

2 系統通信電路的設計

供熱系統控制器需要與現場觸摸屏進行通信，為此控制器設置了RS 485隔離通信電路。同時設計了4G移動網絡通信單元，實現與遠程中控平臺進行通信。

2.1 RS 485總線通信電路

本系統與上位機和采集卡采用RS 485總線方式連接進行通信，RS 485串行總線以標準差分信號傳輸，抗干擾能力強，傳輸距離長，支持雙向多點通信，單個網絡可搭載32個節點。連接方式如圖9所示。

圖9 RS 485總線連接方式

當RS 485總線通信進行長距離的數據傳輸時，若遇到阻抗不連續和突變的情況會引起信號反射，導致信號失真。為了增加RS 485的抗干擾性，需要在A、B兩線之間并接一個120 Ω的電阻。控制芯片采用BL3085。

2.2 4G網絡通信硬件系統

本供熱控制器與遠程監控平臺通信采用4G無線通信，通過4G網絡將供熱數據傳輸至監控平臺進行分析處理，以使系統做出最佳控制決策。

本系統采用LTE cat-1 WH-GM5無線通信模組，其下行通信速率為10 Mb/s，上行速率為5 Mb/s，具有毫秒級延時，完全可滿足供熱數據的傳輸任務需求。圖10為4G無線通信單元電路原理。該4G通信芯片需要外接SIM卡才能獲得4G信號，故設計SIM卡電路如圖11所示，每路信號都采用電容濾波，復位、數據、時鐘信號均與地接入TVS，防止干擾和高壓損壞芯片。

圖10 GM5芯片I/O電路

圖11 GM5-SIM卡電路

為正常獲取4G信號，還須設計天線電路以保障信號正常傳輸。如圖12所示，4G信號經TVS保護電路后再通過電容濾波送入GM5芯片。

圖12 GM5天線電路

3 結 語

本文的供熱控制器是基于ARM內核設計的，經實際測試采集與控制發現其精度較高、控制效果較好、系統運行可靠穩定。系統具有體積小、集成度高、安裝調試便捷、成本低等特點，具有較強實用性與推廣價值。