一种土壤热物性数据采集与设备自动控制系统的制作方法

本发明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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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。

本发明的有益效果如下：

(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进一步说明本发明的具体结构及实施方式：

本发明的系统结构如图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控制器控制阀门组各个阀门、水泵和加热器的开、关情况。主站计算机上的测控软件实时将采集到的各个参数的实时数据与预先设置的阈值进行比较，若发现故障或者是超限的情况时，测控软件将相关的信号发送给PLC控制器，由PLC控制器控制蜂鸣器报警，直至测试完成。客户端计算机在测试过程中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，同时可远程操作控制现场的设备。

本发明的测试流程如图2所示。土壤热物性数据采集与设备控制系统主站计算机上的测控软件在打开时，可直接选择查看测试结果，在测试结果查看过程中可对历史所有的测试进行查看，并可根据选择的模型计算土壤热物性参数，从而具有土壤热物性模拟计算的功能。若进行新的土壤热物性测试，可直接进行工况参数的设置，在设置过程中可选择历史的工况参数或手动输入工况参数。完成参数设置后，进行空载运行，做好开始测试前的准备工作。在开始测试的时候可选择加热测试或者初温测试，在加热测试过程中可选择不同测试模式完成测试试验。在测试完成后可对本次测试的数据进行查看，并模拟计算相应的土壤热物性参数，同时仍可以对历史测试数据进行查看与计算。最终完成本次测试。

本发明中的PLC控制器在运行过程如图3所示，在测试准备工作完成后，将PLC控制器切换至自由口通讯模式，并对该通讯模式下PLC控制器的各个参数初始化，与主站计算机上的测控软件实现串口通讯。 通讯连接成功后，PLC控制器启用接收指令，时刻准备接收由主站计算机发送的通讯数据。当PLC控制器接收到预先设置的结束字符，对刚刚接收到的数据进行FCS异或校验，当校验值与发送过来的数据中的校验值一样时，对接收到的数据进行处理，并分配到相应的I/O端口，若校验值不一致时，PLC控制器将重启接收指令，直至数据接收正确。在数据接收完成后将需要发送给主站计算机的数据处理好，通过串口发送给主站计算机，主站计算机上测控软件以上述同样的方式对接收到的数据进行校验，正确后方才接收。

通过串口发送的数据主要为各个参数的实时值和控制设备的状态值。各个参数的实时值由传感器组输出到PLC模拟量模块，在接收到的信号为4-20ma或0-10V的模拟量信号，在发送前需要将信号转换成数字信号，并以字符串的形式方能发送。