基于虚拟仪器技术的计量供热测控系统的研究与设计

师 丽，王改艳

（1.榆林学院 建筑工程系，陕西 榆林719000；2.长安大学 陕西 西安710000）

基于虚拟仪器技术的计量供热测控系统的研究与设计

师 丽1，王改艳2

（1.榆林学院 建筑工程系，陕西 榆林719000；2.长安大学 陕西 西安710000）

随着我国经济快速发展，能源消耗已成为我国不得不面对的重要问题，节约能源是全世界的主要研究课题。提高供热效率是对节约能源的一项有力方法，不仅节约能源，还能改善环境，但是传统的供热系统已跟不上现在用户的需求。因此，本文利用虚拟仪器技术，提出了一个计量供热测控系统。先对供热系统、虚拟仪器技术以及测控平台进行简单介绍分析，然后依据上述技术设计了计量供热测控系统，最后详细研究了系统的各个组成模块。

虚拟仪器技术；LabVIEW；计量供热；测控系统

随着我国国力的大力发展，现代化城市的逐步建立，大大增加了建筑能耗，而热能耗则是建筑能耗中的主要部分，伴随人民生活的进一步改善的后果是能源消耗也将进一步增大，所以，建筑节能刻不容缓。为改善这一问题，国家先后颁布了相关条例，整改建筑耗能的问题。目前我国的供热计量方式各个地区标准仍不统一，同时，用户可自行修调的方式是传统集中供热方式所调节管理不了的，结合国外先进的计量供热体制，我国已逐步将供热收费方式由之前的根据所占面积收取变为根据所用热量收取的方式，通过经济调节手段虽然这大大提高了供热效率，但是相比与先进技术而言，还有很多的不足之处需要改正。

文中根据国外先进供热理念，结合我国实际国情，通过分析热计量方式以及计量供热原理，在研究虚拟仪器技术和LabVIEW测控平台后，提出了计量供热测控系统，并对系统中的重要模块详细分析[1-5]。

1　虚拟仪器技术及LabVIEW测控平台

1.1虚拟仪器技术

虚拟仪器，顾名思义，是指通过计算机软件对仪器的功能进行设定，实现操作功能和虚拟控制的系统。使用者可以在虚拟操作面上对仪器进行测量和控制。也可以说，虚拟仪器将计算机技术、软件技术和高效硬件技术完美进行结合。在这三者中，软件是核心，因为软件的改变就可实现仪器的功能。所以，虚拟仪器的特点可总结为：高性能、强扩展、开发容易以及集成度高[8-10]。

为更好地表现虚拟仪器的特点，将其与传统仪器做比较，比较结果如表1所示。

表1　虚拟仪器和传统仪器的比较

1.2LabVIEW测控平台

LabVIEW，简称实验室虚拟仪器工作平台，它是一款创新型软件，具有强大的数据收集、分析、处理以及对仪器实现控制的软件开发能力。与传统软件相区别的是，传统软件在编程过程中，文本语言所编写的代码语句顺序就是软件执行程序的顺序。然而，LabVIEW是采用图形化语句编辑，而不是文本语言编辑，图形框图间的数据转换方向就是程序运行的顺序，而且，在LabVIEW编程过程中，可以采用图标代替原有函数表达方式，并且将交互软件、主菜单等模块添加到图形框图中，对应用功能进行定义以后，再利用后控板就可以操控前控板。综上所述，LabVIEW具有高效、高速、美观、简便等特点[11-12]。

文中所设计的计量供热测控系统就是建立在LabVIEW测控平台上的，利用个人计算机和虚拟仪器技术，采用多种硬件控件可实现对计量供热系统的实时测控，再添加一些软件可扩展系统所实现的功能，满足不同条件下的要求与需要，从而降低测量成本。基于LabVIEW的虚拟仪器测控系统结构图如图1所示。

图1　基于LabVIEW的虚拟仪器测控系统结构图

2　供热测控系统组成及硬件选择

通过对温度、热流量以及传感器的数据，计量供热测控系统完成对供热系统中一些关键的数据采集，然后将所得数据信号传输到基于LabVIEW平台的计算机当中进行分析处理，将处理结果再与假设的固定值做比较，比较结果作为输出信号控制水阀的开关或变频器的频率来调节电机转动的速度，进而调节二次供水的热量和或流量，从而满足用户调节要求，实现控温的目的。上述过程都是基于虚拟仪器技术，在LabVIEW平台上完成的，主监控器对系统中的各个参数进行实时监控，进而判断供热系统的运行状态，同时，为保证系统的稳定性和安全性，应添加声光报警模块，提高系统的实用性[13-15]。

图2为文中所设计的计量供热测控系统结构图。

图2　系统结构图

文中所设计的计量供热测控系统通过数据采集卡对各个模拟信号的采集，再将采集到的模拟信号通过A/D转换器转换为数字信号，将数字信号传输到计算机当中对其进行分析和处理，并在LabVIEW平台面板将结果表示出来，最后再将处理过后的数字信号再通过D/A转换器转换为模拟信号，将输出的电流或电压等控制信号输入到供热系统当中，进而实现对计量供热系统的测控过程。

3　系统软件的设计与实现

由上述分析可知，在整个计量供热测控系统当中，软件是其中的核心，可以通过改变软件编写即可实现不同的功能，并且，软件编写的好坏也直接影响着整个系统性能的优劣。

3.1系统软件总体设计

文中设计的系统软件模块主要由10个模块组成，功能结构图如图3所示，系统设计框图如图4所示。

图3　系统软件功能结构图

图4　测控系统设计框图

系统工作步骤为：

1）系统先自行检查一番，如果发现有异常现象，则提醒工作人员解决问题，之后再自测，直到一切正常以后，系统会进入工作状态

2）对系统中的所有设备都进行初始化，并对设备中需要设定初始值的接口进行赋值，并将系统空间进行合理安排分配

3）对系统工作状态参数进行设定

4）在检测周期过程中，先随机提取温度、流量、压力差等相关参数，判断该组参数是否超过设定的正常工作状态参数范围，若超过了，那么启动声光报警装置，若没有超过，那么将这组信号与设定的参考值进行比较

5）通过比较之后，将比较结果作为输出信号去调节水阀的开关或者水泵的转速，进而实现对水温或流量的控制，实现用户对室内温度调节的要求。

在用户使用系统期间，也可以对系统中的任意模块进行操作，可以查看历史数据、检测工作状态等等。在供暖期结束以后，用户可以退出测控系统，进而释放资源空间。

3.2软件系统各模块的设计

由图3可知，系统由10个主要模块组成，现分别介绍各个模块的作用。

1）系统登录模块：系统登录模块是进入系统的第一步，用户在系统界面中输入用户名和密码，然后再点击“用户登录”按钮，若用户名和密码都正确，则进入系统，若不正确，则会提醒重新输入，但是输入三次仍失败时，系统会自动退出。当然，登录模块中还包括用户帮助、退出系统以及修改密码等功能按钮。

2）参数设置模块：在进入系统后，会对系统中的一些参数需要设定，比如一次供水温度、二次供水温度、室内温度以及室外温度等等。

3）信号采集模块：系统对温度、流量、压力差等数据进行采集，将采集到的电流信号转换为电压信号，再传输到数据采集卡当中，再将电压值转换为温度值，然后将温度值在界面显示出来。

4）信号分析处理模块：该模块是整个系统的核心部分，模块可以分为两块，一个是以平均温度为分析主体的模块，一个是以水压为分析主体的模块，但是，两个模块的工作方式基本一致，都是将所提取的二次供水水温或水压与设定的固定值比较，比较结果作为输出信号实现对水阀的开关或水泵的转速进行调节，进而对结果进行改变，从而达到用户需求。

5）控制信号输出模块：该模块就是将信号分析处理模块的结果进行处理，然后输出周期性的控制电压信号。

6）数据保存、查询和打印模块：因为LabVIEW平台本身并不能对数据进行直接访问，所以对数据进行保存和查询非常必要，并对数据进行打印可保证操作员较为直接且直观的对系统进行分析和变化预测。

7）报警模块：为保证系统可以正常工作，不会因操作失误或实际情况的改变而产生危险，必要的报警措施非常必要。

4　结束语

文中首先对计量供热系统进行原理上的介绍，进一步介绍了虚拟仪器技术和LabVIEW[16-17]测控平台的创建，最后，在虚拟仪器技术的基础上，提出了创建与LabVIEW平台上的计量供热测控系统，在介绍了该系统的系统结构之后，着重对在系统中占据核心部分的软件系统进行介绍，该软件系统总共包括了十个模块，最后详细介绍了各个模块的功能。

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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稿件编号：201511082

榆林市2015年科技计划项目（2015CXY-21）

师 丽（1983—），女，陕西榆林人，硕士，讲师。研究方向：工程管理。