紅外線冰面溫度測(cè)控裝置

摘要：本文介紹了冰場(chǎng)冰面溫度紅外線測(cè)量自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。在冰場(chǎng)自動(dòng)控制的常規(guī)做法基礎(chǔ)上，開發(fā)紅外線測(cè)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(jì)效益。

關(guān)鍵詞：冰場(chǎng)；紅外線；信號(hào)處理單元控制器；上位機(jī)

概述

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

冰上項(xiàng)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(shí)要求整塊冰溫度均勻，目前國(guó)內(nèi)所建造的冰場(chǎng)基本做法是：采用Pt100溫度傳感器，檢測(cè)冰層下面的制冷管道溫度，對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行控制，而環(huán)境條件下諸多影響冰面溫度的因素?zé)o法考慮進(jìn)去，使得冰層與冰面的實(shí)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(huì)使得冰面出現(xiàn)嚴(yán)重的質(zhì)量問題。過高的控制溫度會(huì)使冰面出現(xiàn)水霧，冰面過軟不能進(jìn)行冰球之類項(xiàng)目；過低的控制溫度又會(huì)使制冷機(jī)處于長(zhǎng)期運(yùn)行，耗電量大，過硬的冰面使花樣滑冰難以完成動(dòng)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(cè)溫裝置，通過冰面自身輻射能量原理，利用紅外技術(shù)，實(shí)時(shí)檢測(cè)冰表面溫度，及時(shí)濾掉那些因燈光、人體、熱源等因素的干擾信號(hào)，根據(jù)設(shè)定溫度來自動(dòng)調(diào)節(jié)制冷機(jī)能級(jí)、自動(dòng)控制壓縮機(jī)起、停，實(shí)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(yùn)行成本。這套裝置的關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)了紅外探頭、旋轉(zhuǎn)云臺(tái)、信號(hào)干擾的濾波處理于一體的集成過程自動(dòng)控制。本套裝置目前已經(jīng)在國(guó)內(nèi)數(shù)個(gè)新建冰場(chǎng)得以布設(shè)，實(shí)踐反映效果良好。

系統(tǒng)組成及原理

紅外線測(cè)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(huì)引起很大的冰層硬度變化，不時(shí)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(cè)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(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)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(guó)產(chǎn)的溫度探頭，技術(shù)參數(shù)為：4～20mA輸出，測(cè)量溫度-20～100℃，距離系數(shù)30：1，防護(hù)等級(jí)IP65，響應(yīng)時(shí)間200ms，光譜范圍8～14um，此探頭滿足設(shè)計(jì)需求。

智能云臺(tái)：標(biāo)準(zhǔn)滑冰場(chǎng)的冰面尺寸一般在61x30米范圍。選用定點(diǎn)測(cè)溫方式需要數(shù)十個(gè)紅外測(cè)溫探頭才能夠檢測(cè)到不同位置的冰面溫度，成本太高，不經(jīng)濟(jì)。于是我們應(yīng)用了智能云臺(tái)，將溫度檢測(cè)探頭放在云臺(tái)上，由溫度檢測(cè)控制器通過遠(yuǎn)程協(xié)議控制云臺(tái)旋轉(zhuǎn)，以掃描方式檢測(cè)溫度，改變?cè)婆_(tái)仰角可以改變探頭的傘狀覆蓋面積，對(duì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)冰場(chǎng)有兩個(gè)紅外探頭就滿足需求。我們選用了一款國(guó)產(chǎn)的云臺(tái)。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(gè)核心控制單元。所有的信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)處理、濾波放大、工程換算、信號(hào)輸出、設(shè)備連接控制、網(wǎng)絡(luò)通訊等，測(cè)溫區(qū)域，測(cè)溫速度，測(cè)溫方式都是由這個(gè)控制器來完成的。參見軟、硬件設(shè)計(jì)框圖。

點(diǎn)位檢測(cè)：在0～355度內(nèi)可設(shè)定檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量1～100點(diǎn)，每點(diǎn)停留5秒，取濾波后的溫度。再計(jì)算所有測(cè)溫點(diǎn)的平均值。與設(shè)定溫度進(jìn)行比較輸出控制信號(hào)。

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

全自動(dòng)制冷系統(tǒng)：包括壓縮機(jī)組，全自動(dòng)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(hào)后自動(dòng)聯(lián)鎖運(yùn)行，因?yàn)橹评淇刂葡到y(tǒng)不是本文介紹對(duì)象，不再贅述。

冰場(chǎng)監(jiān)控軟件：通過上位機(jī)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(tái)計(jì)算機(jī)作為整個(gè)冰場(chǎng)的檢測(cè)和控制平臺(tái)，通過組態(tài)畫面可模擬系統(tǒng)中制冷設(shè)備的運(yùn)行狀況，冰面的溫度狀態(tài)、人機(jī)界面清晰、醒目、直觀；顯示所采集的溫度等歷史曲線，自動(dòng)記錄，定時(shí)打印溫度報(bào)表；進(jìn)行設(shè)備故障報(bào)警，提示故障原因并記錄；可隨時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所有控制器中的控制設(shè)定值和報(bào)警設(shè)定值等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定等功能。方便了操作人員管理整個(gè)制冷系統(tǒng)。

硬件組成

圖2 硬件設(shè)計(jì)框圖

紅外冰面溫度控制器的核心是一款8位mcu，有2個(gè)獨(dú)立的usart，1路外接485芯片控制云臺(tái)動(dòng)作，另一路預(yù)留與上位機(jī)通訊用，紅外探頭的4~20ma信號(hào)經(jīng)電阻分壓后濾波進(jìn)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(yùn)行允許信號(hào)經(jīng)電平轉(zhuǎn)換送入mcu，根據(jù)計(jì)算結(jié)果輸出制冷運(yùn)行開關(guān)量信號(hào)。

軟件流程

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

云臺(tái)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(tái)地址和動(dòng)作，通過這個(gè)接口控制程序可以操作云臺(tái)垂直和水平方向搖動(dòng)。
pelco_init() 協(xié)議初始化
模擬量驅(qū)動(dòng)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(jī)控制
ModbusApp_ProcessPacket(pprotol) modbus包處理
控制邏輯函數(shù)：
Application_Scan() 掃描方式測(cè)溫
Application_Point() 點(diǎn)方式測(cè)溫
Calc_Temp() 計(jì)算冰面溫度，濾除干擾
Control() 控制邏輯

圖3 軟件設(shè)計(jì)框圖

圖4邏輯設(shè)計(jì)框圖

經(jīng)濟(jì)效益分析

對(duì)于一座冰場(chǎng)來說，按照常規(guī)設(shè)計(jì)需要10個(gè)測(cè)溫探頭，如果采用旋轉(zhuǎn)掃描技術(shù)只需要1個(gè)測(cè)溫探頭，且10個(gè)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(jì)算，表1 即為一個(gè)冰場(chǎng)項(xiàng)目施工中節(jié)約的管線數(shù)量及資金。

表1 冰場(chǎng)項(xiàng)目節(jié)約資金表

這樣一年按10個(gè)冰場(chǎng)項(xiàng)目計(jì)算共節(jié)約資金為83800*10=838000元人民幣。

結(jié)語

此系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)行過程都能通過電腦軟件結(jié)合相應(yīng)的硬件配置來實(shí)現(xiàn)，使設(shè)備的利用率更高，運(yùn)行費(fèi)用更節(jié)省，管理更加方便，從而達(dá)到冰場(chǎng)運(yùn)行級(jí)管理所期望的經(jīng)濟(jì)效果，符合國(guó)家節(jié)能減排的發(fā)展目標(biāo)。

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