一种土壤热物性数据采集与设备自动控制系统技术方案

本发明专利技术为一种土壤热物性数据采集与设备自动控制系统。它包含PLC控制器(3)、PLC模拟量模块(4)、主站计算机(2)、客户端计算机(1)、传感器组(9)、阀门组(7)、流量调节阀(10)、加热器(6)、电力调整器(11)、水泵(8)、报警蜂鸣器(5)。该系统可多参数并行数据采集与设备自动控制。通过图形化编程软件编写的软件，实现主站计算机(2)与PLC控制器(3)基于自由口通讯技术的串口通讯，完成数据采集与设备自动控制。在客户端计算机(1)上可实时查看测试数据和手动操作控制设备。PLC控制器(3)可在线状态监测及故障诊断分析，发生故障时自动完成PID反馈控制并报警，或手动操作控制设备。

A data acquisition and equipment automatic control system for soil thermal properties

The invention relates to an automatic control system for soil thermal property data acquisition and equipment. It consists of a PLC controller (3), PLC analog module (4), (2) the master computer and the client computer (1), (9), the sensor group valve group (7), the flow control valve (10) and a heater (6), power regulator (11), (8), water pump the alarm buzzer (5). The system can be used in parallel data acquisition with multi parameter and automatic control of equipment. Through graphical programming software written in the main computer (2) and PLC controller (3) based on free port communication technology serial communication, complete data acquisition and device automatic control. On the client computer (1), the test data and the manual operation control device can be viewed in real time. PLC controller (3) can on-line condition monitoring and fault diagnosis analysis, automatically complete PID feedback control and alarm or manual operation control equipment when failure occurs.

【技术实现步骤摘要】
一种土壤热物性数据采集与设备自动控制系统
本专利技术涉及一种基于图形化编程软件与PLC自由口通讯技术开发的土壤热物性数据采集与设备控制系统，属于地热能源利用、数据采集和仪器设备控制等领域。
技术介绍
土壤源热泵以其低耗高效和环保无污染等特点日益受到人们的重视，是我国浅层地能开发利用主要方式。土壤源热泵核心技术在于地下换热负荷计算，了解地下土壤换热性能是准确计算地下换热负荷基础，否则会出现负荷设计过大造成工程初投资变大，浪费资源；或负荷设计过小，导致热泵机组制热制冷能力不足，运行不稳定，最终缩短热泵机组使用寿命，因此通过精确的测试得到准确的地下土壤的初始温度、导热系数和比热容等热物性参数，对发展土壤源热泵、合理利用我国地热资源、保护环境和节约资源都具有重要的意义。土壤热物性测试试验通常需要3～5天的时间来完成，在测试过程中需要测试人员在测试仪旁检查其测试状态。测试测试过程中介质流量、加热功率易受到外界因素的干扰，需要测试人员进行频繁操作测试仪，对于测试人员具有较高的劳动强度。在现有的土壤热物性测试装置中往往都是单一的以恒功率或恒温度的方式进行换热测试，未能够对地下换热环境做多种形式的测试，得到准确土壤热物性参数。因此，为了解决上述问题，首次采用了图形化编程软件的串口技术和PLC的自由口通讯技术进行地源热泵土壤热物性测试，开发了一种基于图形化编程软件与PLC自由口通讯技术开发的土壤热物性数据采集与设备控制系统。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在为克服现有技术的不足，而提供一种基于图形化编程软件与PLC自由口通讯技术开发的土壤热物性数据采集与设备控制系统，该系统可有效解决测试过程中仪器设备的自动反馈控制、测试模式的多样化、测试数据的自动采集与保存、远程在线监测等问题，具有测量系统结构简单、使用方便、测量精度高等优点。1.土壤热物性数据采集与设备控制系统主要由数据采集系统、设备自动控制系统组成。该系统中的主站计算机与PLC控制器之间的通过通讯电缆连接，两者之间的通讯协议是基于图形化编程软件的VISA串口通讯技术与PLC自由口通讯技术来编写，从而实现通讯进行数据传输，通讯的主要内容为测试参数的实时数据与仪器设备控制信号。2.主站计算机上安装有基于图形化编程软件开发的土壤热物性数据采集与仪器控制软件。通过软件的开发使土壤热物性数据采集与设备控制系统具有功能齐全、使用方便的人机交互界面，主要包括测试参数设定界面、测试参数实时显示界面、测试数据查看界面以及土壤热物性参数模拟计算界面等。测试前，根据每次测试要求可在设定界面进行参数设置和运行模式选择等；在测试过程中实时显示界面可显示多个参数变化情况、剩余测试时间、装置运行状态等，并将实时采集到的数据保存到数据库中；测试数据查看界面中可在测试过程中查看本次测试过程中各个测试参数的实时数据，也可在测试结束后查阅数据库中各个参数的历史试验数据。3.在测试过程中循环介质流量与加热功率由测试前在测控软件中设置的工况参数实现自动控制。将设置的流量值转换为控制流量旁通阀的开度大小的模拟量信号，以此来控制测试试验需要的流量值。将设置的加热功率值转换为控制电力调整器输出电压大小的模拟量信号，以此来控制测试试验需要的加热功率值。两者的模拟量信号由主站计算机上测控软件计算得出，通过串口通讯传送给PLC控制器，并通过PLC模拟量模块输出。同时在测试过程中对于介质流量与加热功率的实时值与设置值进行对比，若发现参数变化值超过参数设置值5％，通过主站计算机上测控软件中集成的PID模块进行反馈控制计算，将两者的反馈控制的模拟量信号再由串口通讯传送给PLC控制器，并由PLC模拟量模块输出，从而使测试工况在测试过程中避免产生较大变化，保证测试稳定性和精确性。4.土壤热物性测试一般都在未完成施工的工地现场进行测试，为测试仪提供的电源为工地现场变压器电源。该电源稳定性差，常有间断性的电压波动，对测试的精度和测试仪都会造成一定的影响。因此，在测试仪的供电输入端增加一个稳压电源对测试仪起保护作用，避免受到测试现场的电压冲击而损坏测试仪和波动加热器的加热功率，从而影响测试精度。5.运用图形化编程软件的Datesocket技术，使客户端计算机上的远程客户端程序与主站计算机上的测控软件实现通讯，并通过互联网相互传输数据，客户端计算机可实时查看主站计算机的采集测试数据与控制设备运行情况，同时在测试过程中可远程操作控制现场的测试仪。6.土壤热物性数据采集与设备控制系统能够在测试过程中实现所有操作为一体化操作，全部由主站计算机上的测控软件来完成，无需手动开启设备或调节阀门开度等相关人为操作。同时该软件也具有自我保护功能，系统中的所有测试参数均设置了报警的上限值，在测试过程中若有相关参数超过该上限值的情况发生，测控软件中将出现报警画面，提示报警的具体内容，并将报警信号通过串口通讯传送给PLC控制器控制相对应的蜂鸣器报警。在报警出现时可人为选择继续测试实验，还是停止实验，若在报警发生3分钟后仍无相关的操作，测试系统将整机断电停止工作，对测试仪起保护作用。7.土壤热物性数据采集与设备控制系统中的主站计算机的测控软件集成了测试模式选择模块，可进行多种测试模式，如恒功率连续测试、恒温度连续测试，间断性测试以及无功率测试。或在测试过程中，自定义测试的变化规律进行测试，以此探究不同工况下对地下换热系统的换热性能的影响。本专利技术的有益效果如下：(1)运用先进的图形化编程软件的VISA串口通讯技术与PLC自由口通讯技术完成土壤热物性测试过程中各个参数的数据采集与自动保存，以及完成对测试仪的自动控制，减少测试人员的劳动强度，同时也避免了周围环境对于测试的影响，大大的提高了测试精确性，测试仪自身的自我保护也具有一定的保障，防止意外情况发生。(2)基于远程监控模块的集成，可随时对现场测试情况进行查看和操作，无需测试人员长时间守候在测试现场。(3)通过数据采集与仪器控制软件开发使得土壤热物性测试仪能够进行多种模式测试，检测地下换热系统在不同测试模式下的换热性能，可充分的发掘出地下的换热能力，对得到准确的地下土壤热物性参数具有促进作用。附图说明图1为土壤热物性数据采集与设备自动控制系统基本结构示意图。图2为土壤热物性数据采集与设备自动控制软件流程图。图3为PLC运行过程流程图具体实施方式下面结合附图1、附图2、附图3进一步说明本专利技术的具体结构及实施方式：本专利技术的系统结构如图1所示，整个系统它包含：PLC控制器、PLC模拟量模块、主站计算机、客户端计算机、总线电缆、通讯电缆、控制电缆、屏蔽电缆、传感器组、阀门组、流量调节阀、加热器、电力调整器、水泵、报警蜂鸣器组。其位置连接顺序是：所述的加热器、阀门组、水泵、报警蜂鸣器组与PLC控制器之间通过控制电缆连接；所述的传感器组、电力调整器、流量调节阀通过屏蔽电缆与PLC模拟量模块连接；所述的PLC控制器与PLC模拟量模块通过总线电缆连接；所述的PLC控制器通过与主站计算机通讯电缆连接；所述的客户端计算机与主站计算机通过互联网相互传输数据。工作原理：在测试过程中，PLC模拟量模块实时采集传感器组的各个参数的实时数据，并将由主站计算机反馈的模拟量控制信号实时输出给流量调节阀和电力调整器。同时PLC控制器控制阀门组本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于图形化编程软件与PLC自由口通讯技术开发的土壤热物性数据采集与设备控制系统，其特征在于在地源热泵土壤热物性测试仪上安装，它包含PLC控制器(3)、PLC模拟量模块(4)、主站计算机(2)、客户端计算机(1)、传感器组(9)、阀门组(7)、流量调节阀(10)、加热器(6)、电力调整器(11)、水泵(8)、报警蜂鸣器组(5)，其位置连接顺序是：所述的加热器(6)、阀门组(7)、水泵(8)、报警蜂鸣器组(5)与PLC控制器(3)之间通过控制电缆连接；所述的传感器组(9)、电力调整器(11)、流量调节阀(10)通过屏蔽电缆与PLC模拟量模块(4)连接；所述的PLC控制器(3)与PLC模拟量模块(4)通过总线电缆连接；所述的PLC控制器(3)与主站计算机(2)通过通讯电缆连接；所述的客户端计算机(1)与主站计算机(2)通过互联网相互传输数据。

【技术特征摘要】
1.一种基于图形化编程软件与PLC自由口通讯技术开发的土壤热物性数据采集与设备控制系统，其特征在于在地源热泵土壤热物性测试仪上安装，它包含PLC控制器(3)、PLC模拟量模块(4)、主站计算机(2)、客户端计算机(1)、传感器组(9)、阀门组(7)、流量调节阀(10)、加热器(6)、电力调整器(11)、水泵(8)、报警蜂鸣器组(5)，其位置连接顺序是：所述的加热器(6)、阀门组(7)、水泵(8)、报警蜂鸣器组(5)与PLC控制器(3)之间通过控制电缆连接；所述的传感器组(9)、电力调整器(11)、流量调节阀(10)通过屏蔽电缆与PLC模拟量模块(4)连接；所述的PLC控制器(3)与PLC模拟量模块(4)通过总线电缆连接；所述的PLC控制器(3)与主站计算机(2)通过通讯电缆连接；所述的客户端计算机(1)与主站计算机(2)通过互联网相互传输数据。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器组(9)、流量调节阀(10)、电力调整器(11)安装在地源热泵土壤热物性测试仪上，与PLC模拟量模块(4)通过屏蔽电缆相连，传感器组(9)包括：进水温度传感器、进水压力传感器、出水温度传感器、出水压力传感器和流量传感器，PLC模拟量模块(4)读取传感器组(9)各个传感器模拟量值，并转换成数字量通过PLC控制器(3)由串口通讯传输给主站计算机(2)进行读取与保存，同时主站计算机(2)将需要控制流量调节阀(10)、电力调整器(11)的模拟量信号由串口通讯传输给PLC控制器(3)，再通过PLC模拟量模块(4)输出给流量调节阀(10)、电力调整器(11)。3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述阀门组(7)、水泵(8)、加热器(10...

【专利技术属性】
技术研发人员：金良，冯秀，刘其和，魏龙，贲宝峰，
申请(专利权)人：南京科技职业学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32