基于通断时间面积法的热计量远程抄表系统

李 佳 亮，王 雅 君，王 德 权

（大连工业大学 机械工程与自动化学院，辽宁 大连 116034）

0 引 言

在全国积极推行低碳发展、节能减排的大背景下，北方采暖地区供热计量改革提上日程。从2010年开始，住建部提出要求北方新建住宅都要进行分户热计量，住建部《供热计量技术规程》明确提出4种分户热计量方法中，通断时间面积法位列其中。通断时间面积法遵循“楼栋计量、分摊入户”的原则［1］，以每户的采暖面积和供暖系统的通水时间为依据，分摊建筑的总供热量［2］。热计量远程抄表系统将信息技术应用于城市供热，充分发挥了信息化的优势，使城市供热更加科学、高效、透明。该系统设计的目的在于优化供热部门资源配置，达到节能减排的效果，调动居民参与供热节能改造的积极性。

1 系统总体设计

按照系统的需求分析以及技术方案，基于通断时间面积法的热计量远程抄表系统由五部分组成：室温控制器、通断控制器、热量表、楼栋管理器、数据中心［3］，如图1所示。

热计量远程抄表系统拓扑关系如图2所示。远程数据中心与楼栋管理器之间通过GPRS 网络进行连接，楼栋管理器与热量表、通断控制器之间通过M－BUS抄表总线进行连接，通断控制器与室温控制器之间通过无线通信连接，各设备详细功能如下：

图2 系统拓扑图Fig.2 Topology diagram of the system

室温控制器：放置于用户室内，具有室内温度的采集、遥控阀门的开关、欠费通知的显示等功能。室温控制器通过无线通信方式与通断控制器连接，与通断器实时进行信息交互。

通断控制器：安装于室外，与供热管道入户阀门相连，通过控制电动阀门的开关实现对室温的调节，并能够按照分摊周期对阀门周期的开启时间进行记录。通断控制器能够实时接收楼栋管理器指令，根据指令完成数据上传、时钟校准、实时开关阀、非供暖期休眠、用户温度设定等功能。

热量表：安装于楼栋供热主管道，对楼栋热量消耗值进行采集，能够实时接收楼栋管理器抄表指令，并将热量值、进／回水温度以及各个运行参数上传到楼栋管理器。热量表应达到二级表精度要求［4］，热量表的精度是整个通断时间面积法能够精确计量的根基。

楼栋管理器：通过M－BUS 总线与通断控制器和热量表相连，配有GPRS 无线通信模块，通过GPRS网络实现现场供热数据远程上传到数据中心［5］。

2 通断时间面积法

2.1 通断时间面积法简介

通断时间面积法基于通断时间面积算法，利用用户阀门开启时间作为分摊的基础，结合各个用户供热面积、热用户总数、分摊周期以及总消耗热量计算出各用热户分摊热量的热计量方法。

传统供热系统最大的问题是热网的水力失调、热力失调和监测手段的缺乏，二次供热网中这些问题尤其突出，因此，建立针对二次供热网的供热信息系统可以给供热企业带来可观的经济效益［6］。

在通断时间面积法系统中，阀门开启时间的概念替代了传统热量表测量热量的方法，此举不仅简化了分户计量之后的管理难题，还解决了由于流量计的制造精度问题而带来的计量偏差过大问题［7］。

通断时间面积法解决传统供热系统问题的同时又能够实现分户的控制、调节和计量，经济实用，是一种适应我国国情的热计量方法。

当然，任何事物都有它的局限性，在现场使用过程中，发现了一些制约通断时间面积法使用和推广的问题，比如计量用户的热负荷和供暖系统供暖能力不相匹配、建筑热惰性与调节之间的矛盾、总热量表的安装等问题［8］。

总体来说，通断时间面积法是一种科学、高效的热计量方法，值得在我国推广和使用。

微生物的生长曲线代表该微生物在新的环境中生长繁殖直至衰老死亡全过程的动态变化，一般分为迟缓期、对数期、稳定期和衰亡期4个阶段。鲁氏酵母菌生长的标准曲线见图1。

2.2 通断时间面积法计算方法

通断时间面积法中热用户的分摊热量计算公式［9］为：

式（1）中：Qi为第i个热用户分摊周期内或供暖总时间内分摊热量，kW·h；Si为第i个热用户的建筑面积，m2；Q为分摊周期内或供暖总时间内楼栋热量表计量的热量值，kW·h；n为参与热分摊的热用户数量。式（2）中：εi为第i个热用户阀门周期开启时间比或阀门累计开启时间比；Δτ为分摊周期或供暖总时间，h；Δτ′为第i个热用户在分摊周期内或供暖总时间内阀门累计开启时间，h。

综合公式（1）、（2）可得

在本项目中，分摊周期Δτ取1h，故可将公式简化为

假设Hi＝Δτ′iSi，可得：

由公式（5）可知，在分摊周期固定的前提下，计算热用户周期分摊量，可先计算出每户的周期开阀时间与供热面积的乘积Hi，将Hi代入公式（5），即可算出热用户的周期分摊，将用户每周期的分摊量累加，可得用户的累计分摊量，累计分摊量是收费的重要依据。

3 楼栋管理器设计

3.1 楼栋管理器总体设计

楼栋管理器主要由ARM 核心模块、M－BUS通信模块、触摸显示屏、GPRS模块组成。

ARM 核心模块是楼栋管理器的运算和数据处理的核心，模块搭载Windows CE 嵌入式操作系统，配备自主开发的数据采集处理软件，实现抄表指令发出、抄表数据处理、抄表系统总体调度等功能，其硬件选用三星ARM9处理器S3C2416，主频400 MHz，配备128 MB DDR2内存和1GB Nand Flash，经实际使用，核心模块硬件性能能够满足楼栋采集器数据处理要求。

M－BUS通信模块是楼栋管理器与通断控制器、热量表进行通信的基础，楼栋管理器作为MBUS总线的主机，通断控制器及热量表作为从机，由主机发出抄表指令，从机应答。M－BUS总线是一种半双工通信总线，其主要优势是可以对从机进行远程供电［10］，减少元器件的使用，降低成本。

GPRS通信模块能够接入运营商GPRS 网络，利用GPRS系统提供的广域无线IP与数据中心建立网络通信，实现楼栋管理器与数据中心的远程连接［11］。GPRS 模块不仅能够把需要上传的数据封装成TCP／IP 数据包，通过Internet传送数据到数据中心，而且能够接收数据中心发出的TCP／IP数据包，将数据包通过RS232接口传递给ARM 核心模块。

3.2 数据采集

按照技术协议要求，M－BUS总线上最多挂载256个设备，楼栋管理器需每10 min抄表1 次，采用轮询方式进行数据采集。系统还应具备多种控制功能，比如通断控制器的校时。实现这些功能需制定合理的通信协议，本节着重介绍通信协议的制定规则。

通信中的信息帧由前导码、帧起始符、仪表类型、从站地址域、控制码、控制参数、检验位和结束符8部分组成［12］。

（1）前导码：在主站或从站发送的所有信息帧的开头有一串固定长度的十六进制字节“FEFE”，即前导码。

（2）帧起始符：表示一个帧的开始，帧起始符为“68H”。

（3）仪表类型：由于本项目中需从通断控制器和热量表两种仪表中采集数据，故用仪表类型区分，规定仪表类型“50H”为通断控制器，“30H”为热量表。

（4）地址域：每个从机都有一个唯一地址码，发送抄表指令时，协议中地址域由4个字节组成，每个字节为2位BCD 码格式。

（5）控制码：控制码是包含仪表控制信息的一个字节数据，具体定义：“01H”轮询命令，“02H”欠费通知，“03H”通断控制器在线测试，“04H”强制关断通断器阀门。

（6）控制参数：控制参数是由6个字节组成，不同控制码具有不同的控制参数。

（7）校验码：校验码CS 由一个字节组成，计算方法是从帧起始符开始到校验码之前的所有字节进行十六进制算术累加，不计超过FFH 的溢出值。

（8）结束符：结束符与起始符作用相同，表示一个帧的结束，结束符为“16H”。

3.3 软件设计

嵌入式操作系统Windows CE中的应用程序可以用微软编程软件Visual Studio 2008进行开发，本项目中开发语言为C#［13］，数据库采用嵌入式数据库SQL Server CE［14］，该数据库不仅提供了完整的SQL语法，包括内联接、外联接，还内置了数据同步技术，是一款稳定、高效的嵌入式数据库。数据采集处理软件在一个进程下开启多个线程来完成各个任务，软件业务流程如图3所示。软件在完成必要的初始化数据和打开串口以后，会开启一个新的线程进行实时调度。调度部分的原理是将当前时间和任务执行时刻表进行比对，当比对成功时说明这一时刻需要有任务执行，系统会开启新的线程执行任务。

图3 软件流程图Fig.3 Flow chart of the software

软件需要执行的任务分为抄表、计算分摊、时钟校准和上传分摊。通过程序的调度实现对数据的采集、计算和上传。

软件设计时，数据采集最大周期不应大于分摊周期。计算分摊时的总热量值应为最近一次采集热量值与上周期计算分摊热量值的差值，此差值即为周期消耗总热量。数据库设计时，需要注意将实时数据和历史数据分别存储，防止历史数据过多导致采集计算过慢的问题。由于GPRS模块数据传输速度受现场GPRS 网络覆盖程度影响［15］，设计软件数据上传部分时，宜将大数据包拆成小数据包分多次上传，以保证数据远程传输的准确率。

4 结 语

本设计以热计量中通断时间面积法为基础，在总结和研究了国内外远程抄表技术的基础上，将传统供热系统与信息技术相结合，并综合了嵌入式数据库、GPRS远程通信等先进技术。目前自动抄表技术还在不断发展中，未来自动化仪表应创新设计模式，充分利用嵌入式微处理器、嵌入式操作系统以及大数据信息系统，在此基础上开发和设计的信息网络化智能化仪器仪表，必然会成为仪表行业的发展趋势。

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