摘要 
      本文論述了水暖供熱系統(tǒng)的熱量計量以及與之相適應的熱量計量計算機數(shù)據(jù)采集和計費管理系統(tǒng)；給出了所研制的家用水暖供熱計量裝置一暖氣表以及水暖供熱自動計費管理系統(tǒng)二者的原理、結(jié)構和框圖。

　　關鍵詞 供熱 計量 計算機

1 供熱計量
      隨著市場經(jīng)濟的拓展，矛盾日漸突出的北方采暖供熱問題，迫切地需要有一個好的安裝于城鎮(zhèn)居民家中的供熱計量裝置和一個好的小區(qū)供熱計量計費管理系統(tǒng)。有了科學的計量手段，可以充分地利用經(jīng)濟杠桿促使用戶合理用熱，避免浪費，以促進城市供熱系統(tǒng)發(fā)展的良性循環(huán)。多用熱，多交錢；少用熱，少交錢。用戶長時間外出、無人的房間可以少開或開至以設施不被損壞不凍結(jié)為限的用熱本底數(shù)，借以合理利用資源，合理收費。有了科學的計量手段，還可以使供熱部門對供熱系統(tǒng)進行科學地管理，及時了解系統(tǒng)的情況，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)、管線和用戶的故障。目前，我國大多數(shù)地區(qū)都采用或改為采用水暖供熱，也就是用熱水做為熱量傳送的載體。為此，我們研制了適用于水暖供熱系統(tǒng)的供熱計量裝置及計費管理系統(tǒng)，即安裝于用戶家中的暖氣表及設于居民小區(qū)中的水暖供熱自動計量計費管理系統(tǒng)。暖氣表，確切地說應被稱為熱量計，但考慮到稱謂的習慣，在此仍暫稱其為暖氣表，而且盡管它是用于水暖系統(tǒng)。本系統(tǒng)為供熱部門提供了強有力的供熱計量手段，使供熱部門能科學地有效地對供熱進行計費，對供熱網(wǎng)絡進行管理。
      暖氣表是個具有計量和顯示功能的獨立裝置。根據(jù)需要，它也可以與計費管理系統(tǒng)聯(lián)結(jié)而單獨銷售和使用。自動計費管理系統(tǒng)是個通用的系統(tǒng)，它除了對暖氣表可實行遠程計費管理外，還可在供熱計量的同時對水、電、煤氣等進行計費管理，也可加掛消防、報警等信號。有了自動計費管理系統(tǒng)，可以做到各種表計抄表不入戶，科學公正計量，節(jié)省了人力，免除了抄表的治安隱患等。該系統(tǒng)還可監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)各網(wǎng)絡系統(tǒng)的安全運行。
2 系統(tǒng)
      本水暖供熱自動計費管理系統(tǒng)，包括暖氣表、主機和計算機三部分，它們之間的聯(lián)結(jié)如圖1所示。
      暖氣表，安于暖氣用戶家中，不論用戶家中安裝有幾只暖氣，原則上每戶都可只安裝一只暖氣表。暖氣表用兩只溫度傳感器分別測量入戶水進水溫度和出水溫度，用一只傳感器測量水的流量，三個信號在暖氣表中進行處理和運算后得到用戶的用熱量Q。暖氣表裝有8位的液晶顯示器，時刻顯示著用戶的累計用熱量多少，并將累計用熱量隨時報送主機。暖氣表本身具有計量顯示和輸出遠傳脈沖信號功能，因而它也可做為獨立產(chǎn)品銷售，或根據(jù)客戶的需要構成各式各樣的抄表收費系統(tǒng)或IC卡表等。
     主機，負責接收各暖氣表送來的數(shù)據(jù)信息和工作信息，管理各暖氣表，并向各暖氣表送電。所有的暖氣表均并聯(lián)掛接在由二根線構成的總線上，這二根線（一信一地）既是通訊總線又是主機向暖氣表供電的電源線。一臺主機可管理256只或512只暖氣表。
      計算機，負責對多臺主機送來的各用戶的各種信息進行加工處理、統(tǒng)計顯示、打印報表、費用結(jié)算等

3 暖氣表
      暖氣表由熱量表、進水溫度傳感器（Tr1）和出水溫度傳感器（Tr2）三部分組成。兩溫度傳感器以AD590作為感溫元件。為使AD590能與被測水溫溫度一致，減小誤差，AD590需安裝在導熱環(huán)上。兩溫度傳感器導熱環(huán)分別牢靠地固定在暖氣入戶總水管的進水管（熱端）和出水管（冷端）上。兩溫度傳感器用雙芯屏蔽電纜與熱量表相接，熱量表再通過二線制的總線與主機相聯(lián)。熱量表設8位的LCD顯示器，顯示本用戶的熱量消耗累計值，單位MJ（兆焦耳）。
      暖氣表內(nèi)部的聯(lián)接及其電路框圖如圖2所示。圖中，L是我們專門研制并已批量生產(chǎn)的采用感應式原理的流量傳感器，外形及尺寸與現(xiàn)有普通水表相同。它能將暖氣管道中所流熱水的瞬時流量Lt轉(zhuǎn)換成與之成比例的電脈沖頻率FL，經(jīng)整形后送單片機2051。
      溫度傳感器Tr1、Tr2送來的溫度信號取差放大后，經(jīng)V-F電路變換成與被測溫差⊿T成比例的電脈沖頻率信號FT后送單片機2051（參見圖2）。其中
⊿T=T1-T2
式中： T1——溫度傳感器Tr1所檢測到的暖氣用戶的進水溫度；
T2——溫度傳感器Tr2所檢測到的暖氣用戶的出水溫度。
      2051將FL與FT相乘，得到相對應的用戶所消耗的熱量。2051通過輸入輸出電路，“收聽”系統(tǒng)主機對暖氣表的巡呼。當呼叫的地址碼與該戶暖氣表的地址碼相同時，2051通過輸入輸出電路發(fā)出應答信號，接著報送出該戶暖氣表的輸出數(shù)據(jù)信號：熱量消耗值，KJ數(shù)。用戶的熱量消耗累計值，由2051驅(qū)動用8位的LCD就地顯示。為保證單片機2051程序絕對不跑飛，電路中設置了強制周期復位式的看門狗電路。暖氣表中設有電源電路，以保證電路和傳感器對供電質(zhì)量的需要。暖氣表的全部電子電路和顯示器都安裝在熱量表中。熱量表通過總線與主機相聯(lián)，其中的一根信號線掛接在系統(tǒng)主機總線的信號線上，熱量表的另一根線為地線，接在水表表殼上并同總線的地線相接。
4 系統(tǒng)通訊
      各戶暖氣表與系統(tǒng)主機間的通訊以及流量傳感器技術，是“水暖供熱自動計費計機管理系統(tǒng)”的兩個關鍵。
      各戶表與主機間通訊，目前有點對點式和總線式兩大類通訊方式。前者，每個檢測量的數(shù)據(jù)由獨立的通訊線路送給主機，各戶表與主機間的聯(lián)接線路較多，施工不便，主機管理的表數(shù)也因此受到限制。后者，又分二總線制、三總線制及多總線制。本系統(tǒng)中采用“一信一地”式的二總線制，主機與各表間的通訊、供電全部由這兩根導線完成。各戶暖氣表不設電源，統(tǒng)一由主機集中供電，提高了供電的可靠性，也使各戶暖氣表結(jié)構簡單。
      為了能使通訊、供電合一，簡化系統(tǒng)硬件，主機與各暖氣表間的通訊采用了我們自行研制開發(fā)的二總線制通訊方式。主機發(fā)出方波脈沖送至總線上，其波形如圖4所示。正半周期用來為各暖氣表供電，負半周期用來完成主機與暖氣表之間的通訊。

　　通訊協(xié)議如下：
　　1） 每個長脈沖后開始一次對暖氣表的巡呼。長脈沖后的短脈沖為地址碼。第1個短脈沖n1表示呼叫第1號暖氣表，第I(I<256)個短脈沖表示呼叫第I號暖氣表，直至下一個長脈沖的到來完成一次呼叫循環(huán)。
　　2） 每個暖氣表在接收到對應的地址碼呼叫后，在該次呼叫脈沖的負半周時間內(nèi)發(fā)出應答信號和1位二進制數(shù)的數(shù)據(jù)信號。
　　3） 緊相連的連續(xù)兩個長脈沖構成一個雙長脈沖信號，作為數(shù)據(jù)傳輸起始位的標志。雙長脈沖及雙長脈沖后的長脈沖N1，N2，…，Nj，…，Nn所對應的每次呼叫循環(huán)，依次傳輸各暖氣表向主機所傳送數(shù)據(jù)的二進制數(shù)的D1，D2，…，Dj，…Dn位。也就是各暖氣表的數(shù)據(jù)要經(jīng)過N次呼叫循環(huán)才能全部傳送至主機。N次呼叫循環(huán)結(jié)束后，主機又發(fā)出1個雙長脈沖，各暖氣表又開始向主機傳送一組新的二進制數(shù)，將主機中的數(shù)據(jù)刷新。
　　4） 第I號暖氣表處于Nj長脈沖后的呼叫循環(huán)中時，在ni個脈沖負半周時間內(nèi)向主機發(fā)送應答信號和第j位數(shù)據(jù)信號。
　　5） 長脈沖的周期為10τ,短脈沖的周期為6τ。短脈沖的負半周期長為3τ，其中負半周起始的0.5τ為準備時間，接著的1τ時間暖氣表用來向主機發(fā)出應答信號，以表明暖氣表的工作、以及暖氣表與主機間的聯(lián)線是否正常。再接著的1τ時間，暖氣表用來向主機傳送被測量結(jié)果數(shù)據(jù)的一位二進制數(shù)，最后的0.5τ時間為結(jié)束收尾時間。
     系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為6位十進制數(shù)（000000-999999），對應的二進制數(shù)共為20位。取τ等于工頻周期，即τ=20ms。掛在一個系統(tǒng)主機上的暖氣表個數(shù)為最大值，256（FFH）個時，則主機接收各暖氣表傳輸來的一組新數(shù)據(jù)的時間需要10.3min。這對于計費管理系統(tǒng)來說是足夠了。
總線輸出的供電功率為25W。
5 系統(tǒng)功能
      本系統(tǒng)主機將采集到的信號加工處理后送PC機，由PC機對信息進行加工處理以完成下述的一些任務。本系統(tǒng)中各部分也可單獨使用，這為在設有智能終端板的高級住宅中進行供熱計費計量提供了方便。
　　5.1計費
   　　計費是本系統(tǒng)的主要任務。本系統(tǒng)的計費公式如下
    F=AQ×Q+FA (1)
    式中：F ——用戶應向物業(yè)部門所交付的總費用；
          AQ——用熱費用系數(shù)；
          Q ——用戶用熱量，千焦爾（K J）；
          FA——附加費用
    PC機根據(jù)物業(yè)管理部門的要求，將各用戶應繳的費用顯示、打印制表或轉(zhuǎn)帳等。由式（1）看出，物業(yè)部門收取用戶的費用由二部分所組成：用熱費和附加費。
    用戶暖氣從供熱系統(tǒng)得到的熱量Q為
          Q=4.1868·m·⊿T （2）
式中：m——累計水流量，千克（kg）：
流量傳感器轉(zhuǎn)換關系為
N=KL·m （3）
式中：N——流量傳感器輸出的電脈沖個數(shù)，赫茲·秒（HZ.S）：
t1，t2——為計費時間的起點和終點；
KL.——流量傳感器系數(shù)，赫茲.秒/千克（HZ.S/kg）
溫度傳感器及電路的轉(zhuǎn)換關系為
F=KT.⊿T （4）
式中：F——與溫度差⊿T相對應的頻率，赫茲（HZ）；
KT——溫度傳感器與電路溫度的頻率轉(zhuǎn)換系數(shù)，赫茲/度（HZ/℃）
由式2、3和4得N和F的乘積S，單位為赫茲平方秒（HZ2.S）。
S=K.Q （5）
式中：

    通過式（5）計算得用戶用熱消耗量Q，由暖氣表中的LCD顯示出其累計值，并在主機呼叫時將其數(shù)值報送主機。

　　5.2系統(tǒng)監(jiān)控
     通過對各暖氣表所報送的數(shù)據(jù)的分析，可隨時了解供熱管網(wǎng)系統(tǒng)的運行狀況，及時地發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行中的問題，例如，管路有熱損失、泄漏或是有用戶表前竊熱等，此時本系統(tǒng)將會提示操作人員注意。
對拖欠費用的用戶，計費系統(tǒng)還可計算其滯納金。

　　5.3優(yōu)質(zhì)服務
      將模糊技術應用到系統(tǒng)中去，利用熱量計量的既往數(shù)據(jù)和供熱總表的數(shù)據(jù)可使監(jiān)測更加準確，熱量計量管理系統(tǒng)更加科學和完美。例如，通過隨時采集到的瞬時熱流量，利用計算機可判斷出供熱網(wǎng)絡系統(tǒng)壓力參數(shù)變化的情況，以保障供熱網(wǎng)絡系統(tǒng)不間斷地按質(zhì)接量地向用戶供熱。當發(fā)生意外停止供熱時，或水質(zhì)、水壓、溫度及所供熱量達不到要求時，物業(yè)管理部門應該向用戶做出適當?shù)馁r償。為此，自動計費系統(tǒng)對此可做出相應的記載。

　　5.4管理系統(tǒng)的功能擴充
      利用“暖氣自動計費管理系統(tǒng)”的完善的軟硬件資源條件，在其上可掛接其它的信息信號，例如，火災自動報警信號，室內(nèi)溫度監(jiān)測信號，防竊報警，事故呼救等等。這樣，大大提高了本系統(tǒng)的利用率。

6 系統(tǒng)聯(lián)接
      系統(tǒng)聯(lián)接的示意圖如圖4所示。流量傳感器的外殼、聯(lián)接及聯(lián)接尺寸與同規(guī)格的水表相同；溫度傳感器的外部尺寸和聯(lián)接，與同管徑的“水管三通”完全相同。熱量表的外形尺寸為120×80×40mm，它可懸掛在住戶的墻壁上，也可掛在住戶家外的走廊上。聯(lián)接電纜均為單芯屏蔽電纜，無頻帶寬度的要求。主機的尺寸小于370×250×130mm，可無人值守。
      根據(jù)客戶要求還可生產(chǎn)顯示器和電子電路都安裝于流量傳感器內(nèi)部的暖氣表。這種顯示器與流量傳感器成一體的暖氣表，單獨銷售，用來與用戶自行開發(fā)的住宅智能系統(tǒng)相配套。
      對于有多根進出水管（沒設總進水管）的部分老住房，每根水管上都須加溫度傳感器，每根出水管上要加裝流量傳感器，而熱量表共用，不必另外增加。


　　參考文獻
1． 李福彬，李 列.一種計費數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通訊模式.湖南大學學報1996.7(68)
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