紅外線冰面溫度測控裝置

摘要：本文介紹了冰場冰面溫度紅外線測量自動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)。在冰場自動控制的常規(guī)做法基礎(chǔ)上，開發(fā)紅外線測溫裝置，闡述了它的系統(tǒng)組成及控制原理，硬件結(jié)構(gòu)，軟件流程及其關(guān)鍵技術(shù)和帶來的經(jīng)濟效益。
關(guān)鍵詞：冰場；紅外線；信號處理單元控制器；上位機

概述

　　冰上運動是一項集體育、健身、娛樂于一體的全民參與活動。近年來隨著人們生活水平的提高和該項運動的普及，越來越多的大型冰場在國內(nèi)各地興建，僅去年全國就已建造了數(shù)十座大型冰場。

　　冰上項目如速滑、花樣、冰球及其他群眾娛樂要求的冰面溫度各有不同，同時要求整塊冰溫度均勻，目前國內(nèi)所建造的冰場基本做法是：采用Pt100溫度傳感器，檢測冰層下面的制冷管道溫度，對壓縮機進行控制，而環(huán)境條件下諸多影響冰面溫度的因素無法考慮進去，使得冰層與冰面的實際溫度差別很大，如受燈光、觀眾、溜冰人數(shù)，冰面保養(yǎng)影響，都會使得冰面出現(xiàn)嚴重的質(zhì)量問題。過高的控制溫度會使冰面出現(xiàn)水霧，冰面過軟不能進行冰球之類項目；過低的控制溫度又會使制冷機處于長期運行，耗電量大，過硬的冰面使花樣滑冰難以完成動作又容易受傷。于是在本文中，我們提出了研制紅外線冰面測溫裝置，通過冰面自身輻射能量原理，利用紅外技術(shù)，實時檢測冰表面溫度，及時濾掉那些因燈光、人體、熱源等因素的干擾信號，根據(jù)設(shè)定溫度來自動調(diào)節(jié)制冷機能級、自動控制壓縮機起、停，實現(xiàn)冰面溫度的恒定控制，既保持了冰面溫度質(zhì)量要求又大大降低了運行成本。這套裝置的關(guān)鍵技術(shù)是實現(xiàn)了紅外探頭、旋轉(zhuǎn)云臺、信號干擾的濾波處理于一體的集成過程自動控制。本套裝置目前已經(jīng)在國內(nèi)數(shù)個新建冰場得以布設(shè)，實踐反映效果良好。

系統(tǒng)組成及原理

圖1 系統(tǒng)框圖

　　紅外線測溫傳感器：冰面溫度與冰層硬度密切相關(guān)，很小的溫度變化就會引起很大的冰層硬度變化，不時變化的外界環(huán)境使得冰表面溫度要比冰層溫度變化快得多。接觸式的探頭是無法安裝在冰面上的，采用紅外線冰面測溫技術(shù)可以解決以上技術(shù)問題，選用紅外線溫度傳感器安置在冰面上方的馬道，避免照明系統(tǒng)直射，考慮到標準場地馬道高度一般在12米以上，冰面溫度在-3～-7℃，冰層厚度在40mm，環(huán)境溫度≤26℃,并且濕度較大，所以我們選擇了一款美國產(chǎn)的溫度探頭，技術(shù)參數(shù)為：4～20mA輸出，測量溫度-20～100℃，距離系數(shù)30：1，防護等級IP65，響應(yīng)時間200ms，光譜范圍8～14um，此探頭滿足設(shè)計需求。

　　智能云臺：標準滑冰場的冰面尺寸一般在61x30米范圍。選用定點測溫方式需要數(shù)十個紅外測溫探頭才能夠檢測到不同位置的冰面溫度，成本太高，不經(jīng)濟。于是我們應(yīng)用了智能云臺，將溫度檢測探頭放在云臺上，由溫度檢測控制器通過遠程協(xié)議控制云臺旋轉(zhuǎn)，以掃描方式檢測溫度，改變云臺仰角可以改變探頭的傘狀覆蓋面積，對一個標準冰場有兩個紅外探頭就滿足需求。我們選用了一款國產(chǎn)的云臺。技術(shù)參數(shù)為：旋轉(zhuǎn)角度：水平方向0～355度;每秒4.7度，垂直方向0～90度；每秒4.7度。

紅外冰面溫度控制器

　　這是一個核心控制單元。所有的信號檢測、信號處理、濾波放大、工程換算、信號輸出、設(shè)備連接控制、網(wǎng)絡(luò)通訊等，測溫區(qū)域，測溫速度，測溫方式都是由這個控制器來完成的。參見軟、硬件設(shè)計框圖。

　　點位檢測：在0～355度內(nèi)可設(shè)定檢測點數(shù)量1～100點，每點停留5秒，取濾波后的溫度。再計算所有測溫點的平均值。與設(shè)定溫度進行比較輸出控制信號。

　　掃描檢測：在0～355度內(nèi)可掃描檢測，掃描一周取濾波后的平均值溫度與設(shè)定溫度進行比較，輸出控制信號。

　　全自動制冷系統(tǒng)：包括壓縮機組，全自動蒸發(fā)冷，智能乙二醇水泵等組成，接收到紅外冰面溫度控制器輸出的制冷信號后自動聯(lián)鎖運行，因為制冷控制系統(tǒng)不是本文介紹對象，不再贅述。

　　冰場監(jiān)控軟件：通過上位機設(shè)定顯示制冷系統(tǒng)、紅外冰面溫度控制系統(tǒng)的各種參數(shù)、工作狀態(tài)、畫面、歷史記錄、打印等。本工程采用一臺計算機作為整個冰場的檢測和控制平臺，通過組態(tài)畫面可模擬系統(tǒng)中制冷設(shè)備的運行狀況，冰面的溫度狀態(tài)、人機界面清晰、醒目、直觀；顯示所采集的溫度等歷史曲線，自動記錄，定時打印溫度報表；進行設(shè)備故障報警，提示故障原因并記錄；可隨時對現(xiàn)場所有控制器中的控制設(shè)定值和報警設(shè)定值等參數(shù)進行設(shè)定等功能。方便了操作人員管理整個制冷系統(tǒng)。

硬件組成

圖2 硬件設(shè)計框圖

　　紅外冰面溫度控制器的核心是一款8位mcu，有2個獨立的usart，1路外接485芯片控制云臺動作，另一路預(yù)留與上位機通訊用，紅外探頭的4~20ma信號經(jīng)電阻分壓后濾波進入12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，mcu使用SPI接口讀取a/d12位數(shù)據(jù)，1路運行允許信號經(jīng)電平轉(zhuǎn)換送入mcu，根據(jù)計算結(jié)果輸出制冷運行開關(guān)量信號。

軟件流程

　　紅外冰面溫度控制器軟件包括云臺控制程序，模擬量驅(qū)動程序，輸入輸出啟動程序，modbus程序，冰面溫度控制邏輯。

　　云臺控制程序?qū)崿F(xiàn)了如下函數(shù)：

pelco_pan(addr,action) 參數(shù)分別是云臺地址和動作，通過這個接口控制程序可以操作云臺垂直和水平方向搖動。
pelco_init() 協(xié)議初始化
模擬量驅(qū)動程序函數(shù)：
GetScaledValue(channel)獲得經(jīng)過濾波和校正的溫度值
輸入輸出程序函數(shù)：
Hal_GetDigitalInput(Input)獲得開關(guān)量狀態(tài)
Hal_SetRelays(State)設(shè)置繼電器狀態(tài)
Modbus程序函數(shù)：
ModbusApp_Control() modbus狀態(tài)機控制
ModbusApp_ProcessPacket(pprotol) modbus包處理
控制邏輯函數(shù)：
Application_Scan() 掃描方式測溫
Application_Point() 點方式測溫
Calc_Temp() 計算冰面溫度，濾除干擾
Control()  控制邏輯

圖3 軟件設(shè)計框圖

圖4邏輯設(shè)計框圖

經(jīng)濟效益分析

　　對于一座冰場來說，按照常規(guī)設(shè)計需要10個測溫探頭，如果采用旋轉(zhuǎn)掃描技術(shù)只需要1個測溫探頭，且10個溫度傳感器均勻分布在冰面上，控制室離冰面的平均距離為50米，高度為20米計算，表1 即為一個冰場項目施工中節(jié)約的管線數(shù)量及資金。

表1  冰場項目節(jié)約資金表

　　這樣一年按10個冰場項目計算共節(jié)約資金為83800*10=838000元人民幣。

結(jié)語

　　此系統(tǒng)整個運行過程都能通過電腦軟件結(jié)合相應(yīng)的硬件配置來實現(xiàn)，使設(shè)備的利用率更高，運行費用更節(jié)省，管理更加方便，從而達到冰場運行級管理所期望的經(jīng)濟效果，符合國家節(jié)能減排的發(fā)展目標。

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