CN109556655B - 一种蓄热式换热系统温度及液位一体式采集变送装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种蓄热式换热系统温度及液位一体式采集变送装置。其中，所述装置包括多路电极式液位采集探头、多路NTC 10K热电阻采集探头和一体式温度及液位采集变送控制器。本发明通过RS485串行通信接口与上位机系统进行通信，通信协议为标准modbus_RTU协议。当需要多台一体式温度及液位采集变送控制器联合使用时，所述一体式温度及液位采集变送控制器可通过三线制串行扩展总线进行变送器的模块化级联扩展，从而减少RS485串行总线上的节点挂载数目，提高采集速率。所述电极式液位采集探头采用n+1采集工作模式，避免传统意义上公共电极发生故障而导致整个液位电极检测系统瘫痪的情况发生。
Description
技术领域
本发明涉及一种温度及液位采集变送装置，具体涉及一种蓄热式换热系统温度及液位一体式采集变送装置。
背景技术
蓄热式换热系统主要用于供暖行业，由于需要测量温度和液位的点数比较多，然而目前大多数温度和液位的变送器都是单路测量或者双路测量，不但成本较高，而且控制难度较大，因此影响测量准确度。
发明内容
本发明的目的是针对蓄热式系统中温度和液位测量点多的问题，提供一种蓄热式换热系统温度及液位一体式采集变送装置，能够保证一个采集变送控制器可以同时采集多点温度和液位，从而降低成本，增加测量准确度。
本发明的思路是，考虑到蓄热式系统需要采集的温度和液位点多的问题，结合蓄热换热系统水体温度较高的特点，采用电极式液位采集探头，结合电容耦合式电路，采用液位电极n+1采集工作模式进行液位采集；通过采集NTC 10K热电阻探头的阻值变化进行温度测量；采用RS485串行通信接口实现与上位机系统通信，通信协议采用标准modbus_RTU协议；通过三线制串行扩展总线实现控制器与控制器之间的级联扩展。
本发明采用以下技术方案予以实现：
一种蓄热式换热系统温度及液位一体式采集变送装置，其主要包括：多路电极式液位采集探头、多路NTC 10K热电阻采集探头和一体式温度及液位采集变送控制器。
该装置可以由一个或多个一体式温度及液位采集变送控制器构成，每个采集变送控制器包括1个MCU和与其连接的6路液位电极采集调理电路及液位电极探头、6路10KNTC采集电路及热电阻探头、RS485通信单元、DC电源输入单元、三线制串行扩展总线，每个采集变送控制器可单独完成6路电极液位采集和6路热电阻温度采集。
工作时6路液位电极采集调理电路及液位电极探头采集储热系统水容器中的液位信息，上位机系统通过RS485接口与本发明进行通信，判断水的体积是否符合系统运行，当水体积不能满足系统正常运转时，上位机控制补水机构进行补水，保证液位量足够。
在一些实施例中，液位电极采集调理电路及液位电极探头为5+1采集工作方式，即5路电极做为电平输出电极，增强瞬态负载能力，1路电极作为电平采集电极，逐次循环，使得各电极均可作为电平采集电极进而判定液位状态，又可作为电平输出电极进行高电位输出，避免传统意义上公共电极发生故障时，整个液位电极检测系统瘫痪的情况发生。
进一步地，液位电极采集调理电路为电容耦合式结构，该结构在液位电极作为电平输出电极进行高电位输出时，只会在高电位输出初期产生一个高电平脉冲，而后会处于直流截止状态，减缓电极在水体中的电化学腐蚀；当电平输出电极进行高电位输出时，若此时电平输出电极与电平采集电极之间有水存在，则同时会在电平采集电极采集到一个高电平脉冲信号，若经过数次采集该高电平信号依然存在，即可判定当前电平采集电极所处位置有水存在，若经过数次采集在电平采集电极采集到连续的低电平信号，则判断当前电平采集电极所处位置无水存在。
一种蓄热式换热系统温度及液位一体式采集变送装置通过三线制串行扩展总线进行控制器与控制器之间的级联扩展，实现多蓄热设备集中测量。
在一些实施例中，三线制串行扩展总线包括一个时钟信号线、一根数据信号线、一根状态应答信号线，在非工作状态各信号线均为高电平信号，所述三线制串行扩展总线采用一主多从通讯方式，即在一条通讯总线上最多只有一台主机，其他设备均为从机，通讯协议是首先由主机发送包含从机ID、从机被访问数据区首地址、从机被访问数据区长度、校验信息的报文，然后由所应答的从机按照被访问数据区首地址及被访问数据区长度生成应答数据，并在应答数据后添加校验信息构成应答数据报文后返回给主机，数据收发过程遵循字节从低到高字节内数据位由高到低的顺序，时钟信号高电平触发移位的原则。
进一步地，采集变送控制器在三线制串行扩展总线上默认作为从机设备，三线制串行扩展总线设备ID号可通过RS485接口修改和查询，在工作过程中，当控制器被触发为三线制串行扩展总线主机时，首先断开状态应答信号线所连接的MCU芯片引脚的内部上拉电阻，时钟信号线由高到低的电平变化一次作为触发信号，当从机首次检测到时钟信号的低电平信号后，会断开从机的状态应答信号所连接的MCU芯片引脚的内部上拉电阻，当所有从机都断开状态应答信号所连接的MCU芯片引脚的内部上拉电阻时，状态应答信号线会在外部下拉电阻的作用下变为低电平，此时主机判定各从机均进入数据接收状态并完成时钟同步，而后主机将待发送的数据报文发送给各从机，并接收应答从机的返回数据报文；当出现从机触发应答超时、从机应答报文返回超时和主机接收完从机返回的报文情况之一时，主机MCU将本机的状态应答信号线所连接芯片引脚的内部上拉电阻接通，使应答信号线恢复高电平，当从机检测到状态应答信号线变为高电平时，结束MCU内三线制串行扩展总线通讯程序。
在一些实施例中，外部上位机系统通过RS485接口与本发明进行通讯时，遵循modbus_RTU标准通讯协议，可被访问的数据区在modbusRTU协议中的寄存器地址规则为slave_ID*data_len+addr_o ffsets，slave_ID为采集变送控制器在三线制串行扩展总线中的设备ID号，data_len为采集变送控制器可被访问的数据区长度，addr_offsets为寄存器在采集变送控制器的地址偏移量。
进一步地，当上位机系统通过RS485串行总线查询一体式温度及液位采集变送控制器数据时，查询范围超出RS485串行总线所连接的采集变送控制器的数据区范围，RS485串行总线所连接的采集变送控制器自动调整为三线制串行扩展总线设备主机，并通过三线制串行扩展总线按照三线制串行扩展总线通信协议与其他采集变送控制器通信读取数据，并通过RS485串行总线返回给外部上位机系统。
在一些实施例中，RS485输入单元采用传输距离长、精度高、功耗低、传输速率高的MAX485ESE进行通信。
在一些实施例中，10KNTC采集电路采用负温度系数热敏电阻NTC，其电阻值与模拟电压信号成反比，模拟电压信号经所述MCU(102)自带的A/D转换器转换后得到模拟电压转换值，通过查表程序查询到该电压值所对应的温度值，完成温度采集。
进一步地，DC电源输入单元采用DC8～30V宽电压支流供电。
本发明与现有技术相比具有以下显著的优点：
①蓄热换热系统温度及液位一体式采集变送控制器器，能够多点测量温度及液位，一个变送器就能满足蓄热换热系统的多点温度及液位测量，节约了成本及空间；
②极式液位采集探头接口电路为电容耦合式，在长时间通电的情况下，该方式减缓电极在水体中的电化学腐蚀，延长使用寿命。采用液位电极n+1采集工作模式使得各电极即可作为电平采集电极进而判定液位状态，又可作为电平输出电极避免传统意义上公共电极发生故障时，整个液位电极检测系统瘫痪的情况发生；
③本发明具备模块化级联扩展接口，在多机使用时，各机之间通过三线制串口扩展总线进行通信，减少RS485串行总线上的节点挂载数目，提高了通讯速率。
附图说明
图1为本发明的一体式温度及液位采集变送控制器结构图；
图2为蓄热式换热系统温度及液位一体式采集变送装置应用示意图；
图1至图2中的附图标记说明如下：
101-一体式温度及液位采集变送控制器、102-MCU、103-液位电极采集调理电路、104-DC电源输入单元、105-RS485通信单元、106-10KNTC采集电路、107-三线制串行扩展总线接口。
201-整体装置、202-多路电极式液位采集探头、203-多路NTC10K热电阻采集探头、204-三线制串行扩展总线。
具体实施方式
下面参照附图对本发明具体实施方式进行详细说明：
如图1所示，本实施例提供的一体式温度及液位采集变送控制器101包括MCU102、液位电极采集调理电路103、DC电源输入单元104、RS485通信单元105、10KNTC采集电路106、三线制串行扩展总线接口107；所述DC电源输入单元104采用DC8～30V宽电压直流供电，具有供电范围广，适用率高的特点。
如图2所示，本实施例提供的一种蓄热式换热系统温度及液位一体式采集变送装置由一个或多个体式温度及液位采集变送控制器101构成，所述多路电极式液位采集探头202连接至所述液位电极采集调理电路103进行液位采集；所述多路NTC 10K热电阻采集探头203连接至所述10KNTC采集电路106进行温度采集；所述一体式温度及液位采集变送控制器101通过所述RS485通信单元105与外部上位机系统通信，通信协议遵循标准modbus_RTU协议，具有通讯抗干扰能力强，通信距离远的特点；所述一体式温度及液位采集变送控制器101通过所述三线制串行扩展总线接口107连接至三线制串行扩展总线204进行控制器与控制器之间的级联扩展，在需要多机使用时，减少了RS485串行总线上的节点挂载数目，增加了通讯速率。
所述NTC 10K热电阻采集探头203中的2个温度探头分别安装在水箱的上部和下部，4个温度探头分别安装在供热与需热的供回水管道上，把温度值通过一体式温度及液位采集变送控制器101上传到上位机系统，上位机系统根据供回水管道的温度差，控制对应的设备，使蓄热系统热量均衡，达到需热要求；如图2所示，所述电极式液位采集探头202在蓄热箱内以高低落差放置的方式进行安装，以此判断当前的液位状态，并将液位状态传递给上位机系统，上位机系统根据液位状态控制相关设备动作。
Claims (5)
1.一种蓄热式换热系统温度及液位一体式采集变送装置，其主要特征在于，包括：一台或多台一体式温度及液位采集变送控制器（101）、多路电极式液位采集探头（202）和多路NTC 10K 热电阻采集探头（203）；所述一体式温度及液位采集变送控制器（101）可通过三线制串行扩展总线（204）进行级联扩展；进一步的，所述一体式温度及液位采集变送控制器（101）包括MCU(102)、液位电极采集调理电路（103）、DC电源输入单元（104）、RS485通信单元（105）、10K NTC采集电路（106）、三线制串行扩展总线接口（107）；
所述DC电源输入单元（104）采用DC8～30V宽电压直流供电，其具有供电范围广，适用率高的特点；所述液位电极采集调理电路（103）采用电容耦合结构，所述电极式液位采集探头（202）连接至所述液位电极采集调理电路（103）采用液位电极n+1采集工作模式进行液位采集，所述液位电极n+1采集工作模式特征是在具有n+1路的液位电极采集系统中，n≥1时，n路电极做为电平输出电极，增强瞬态负载能力，1路电极作为电平采集电极，逐次循环，使n+1路电极依次为电平采集电极判定液位状态，又依次为电平输出电极输出高电位，避免传统意义上公共电极发生故障，整个液位电极检测系统瘫痪的情况发生；所述NTC 10K 热电阻采集探头（203）连接至所述10K NTC采集电路（106）进行温度采集；所述一体式温度及液位采集变送控制器（101）通过所述RS485通信单元（105）与外部上位机系统通信，通信协议遵循标准modbus_RTU协议，具有通讯抗干扰能力强，通信距离远的特点，所述一体式温度及液位采集变送控制器（101）在modbus_RTU协议中的可访问数据区寄存器地址定义规则为slave_ID*data_len+addr_offsets，slave_ID为三线制串行扩展总线设备ID号，并可通过RS485通讯单元（105）进行设置，data_len为控制器内可访问数据区长度，addr_offsets为所访问的寄存器在控制器内的地址偏移量；在需要多机使用时，所述一体式温度及液位采集变送控制器（101）通过所述三线制串行扩展总线接口（107）连接至三线制串行扩展总线（204）进行控制器与控制器之间的级联扩展，在待机状态下所述一体式温度及液位采集变送控制器（101）均作为从机存在，只有当外部上位机系统通过RS485串行总线读取所述一体式温度及液位采集变送控制器（101）内数据时，读取的范围超出与RS485串行总线连接的所述一体式温度及液位采集变送控制器（101）的数据区范围时，RS485串行总线连接的所述一体式温度及液位采集变送控制器（101）会自动调整为所述三线制串行扩展总线（204）上的主机，并将通过RS485串行总线接收到的数据报文中的寄存器首地址分解得到slave_ID和addr_offsets，再按照三线制串行扩展总线通讯协议与其他所述一体式温度及液位采集变送控制器（101）通信来读取数据，并将数据通过RS485串行总线返回给外部上位机系统，这样只需将其中一台采集变送控制器的RS485通信单元（105）与RS485串行总线连接即可实现通过该采集变送控制器访问所有三线制串行扩展总线（204）上的其他采集变送控制器，减少了RS485串行总线上的节点挂载数目，增加了通讯速率。
2.根据权利要求1所述的一种蓄热式换热系统温度及液位一体式采集变送装置，其特征在于，所述三线制串行扩展总线（204）采用一主多从通讯方式，即在一条通讯总线上最多只有一台主机，其他设备均为从机，通讯协议是首先由主机发送包含从机ID、从机被访问数据区首地址、从机被访问数据区长度、校验信息的报文，然后由所应答的从机按照被访问数据区首地址及被访问数据区长度生成应答数据，并在应答数据后添加校验信息构成应答数据报文后返回给主机，数据收发过程遵循字节从低到高字节内数据位由高到低的顺序，时钟信号高电平触发移位的原则。
3.根据权利要求1所述的一种蓄热式换热系统温度及液位一体式采集变送装置，其特征在于，所述三线制串行扩展总线（204）具有三根信号线，分别是数据信号线、状态应答信号线和时钟信号线，在待机状态时为高电平信号，当采集变送控制器被触发为三线制串行扩展总线主机后，该采集变送控制器的状态应答信号线所在的所述MCU(102)芯片引脚的内部上拉电阻断开，时钟信号线电平由高到低变化一次作为触发信号，当从机首次检测时钟信号的低电平信号时，从机端的状态应答信号线所在的所述MCU(102)芯片引脚的内部上拉电阻断开，当所有从机的状态应答信号线所在的所述MCU(102)芯片引脚的内部上拉电阻断开后，状态应答信号线在外部下拉电阻的作用下被下拉为低电平，此时主机判定所有从机均进入数据接收状态并完成时钟同步，随后主机将待发送的数据报文发送给从机，并接收从机的返回数据报文；当出现从机触发应答超时、从机应答报文返回超时、主机接收完从机返回的报文情况之一时，主机的状态应答信号线所在的所述MCU(102)芯片引脚的内部上拉电阻接通，状态应答信号线恢复高电平，从机检测到状态应答信号线为高电平后，结束所述MCU(102)内三线制串行扩展总线通讯程序。
4.根据权利要求1所述的一种蓄热式换热系统温度及液位一体式采集变送装置，其特征在于，所述的液位电极采集调理电路（103）采用电容耦合式结构，当电平输出电极输出高电位时，经电容耦合在电平输出电极上产生高电平脉冲，若电平输出电极与电平采集电极之间有水存在，能够在电平采集端采集到一个短时的高电平脉冲信号，当经过数次采集，若在电平采集端可连续采集到高电平脉冲信号，即判定电平采集电极所处位置有水存在，若可连续采集到低电平信号，则判定电平采集电极所处位置无水存在，该结构方式减少了电极的通电时长，减缓了电极在水中长时间供电产生的电化学腐蚀，延长了电极的使用寿命。
5.根据权利要求1所述的一种蓄热式换热系统温度及液位一体式采集变送装置，其特征在于，所述NTC 10K热电阻采集探头（203）采用负温度系数热敏电阻NTC，其电阻值与模拟电压信号成反比，模拟电压信号经所述MCU(102)自带的A/D转换器转换后得到模拟电压转换值，通过查表程序查询到该电压值所对应的温度值，完成温度采集。
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Legal Events
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
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