摘要
本文论述了水暖供热系统的热量计量以及与之相适应的热量计量计算机数据采集和计费管理系统；给出了所研制的家用水暖供热计量装置一暖气表以及水暖供热自动计费管理系统二者的原理、结构和框图。
关键词 供热 计量 计算机
1 供热计量
随着市场经济的拓展，矛盾日渐突出的北方采暖供热问题，迫切地需要有一个好的安装于城镇居民家中的供热计量装置和一个好的小区供热计量计费管理系统。有了科学的计量手段，可以充分地利用经济杠杆促使用户合理用热，避免浪费，以促进城市供热系统发展的良性循环。多用热，多交钱；少用热，少交钱。用户长时间外出、无人的房间可以少开或开至以设施不被损坏不冻结为限的用热本底数，借以合理利用资源，合理收费。有了科学的计量手段，还可以使供热部门对供热系统进行科学地管理，及时了解系统的情况，及时发现系统、管线和用户的故障。目前，我国大多数地区都采用或改为采用水暖供热，也就是用热水做为热量传送的载体。为此，我们研制了适用于水暖供热系统的供热计量装置及计费管理系统，即安装于用户家中的暖气表及设于居民小区中的水暖供热自动计量计费管理系统。暖气表，确切地说应被称为热量计，但考虑到称谓的习惯，在此仍暂称其为暖气表，而且尽管它是用于水暖系统。本系统为供热部门提供了强有力的供热计量手段，使供热部门能科学地有效地对供热进行计费，对供热网络进行管理。
暖气表是个具有计量和显示功能的独立装置。根据需要，它也可以与计费管理系统联结而单独销售和使用。自动计费管理系统是个通用的系统，它除了对暖气表可实行远程计费管理外，还可在供热计量的同时对水、电、煤气等进行计费管理，也可加挂消防、报警等信号。有了自动计费管理系统，可以做到各种表计抄表不入户，科学公正计量，节省了人力，免除了抄表的治安隐患等。该系统还可监测系统内各网络系统的安全运行。
2 系统
本水暖供热自动计费管理系统，包括暖气表、主机和计算机三部分，它们之间的联结如图1所示。
暖气表，安于暖气用户家中，不论用户家中安装有几只暖气，原则上每户都可只安装一只暖气表。暖气表用两只温度传感器分别测量入户水进水温度和出水温度，用一只传感器测量水的流量，三个信号在暖气表中进行处理和运算后得到用户的用热量Q。暖气表装有8位的液晶显示器，时刻显示着用户的累计用热量多少，并将累计用热量随时报送主机。暖气表本身具有计量显示和输出远传脉冲信号功能，因而它也可做为独立产品销售，或根据客户的需要构成各式各样的抄表收费系统或IC卡表等。
主机，负责接收各暖气表送来的数据信息和工作信息，管理各暖气表，并向各暖气表送电。所有的暖气表均并联挂接在由二根线构成的总线上，这二根线（一信一地）既是通讯总线又是主机向暖气表供电的电源线。一台主机可管理256只或512只暖气表。
计算机，负责对多台主机送来的各用户的各种信息进行加工处理、统计显示、打印报表、费用结算等
3 暖气表
暖气表由热量表、进水温度传感器（Tr1）和出水温度传感器（Tr2）三部分组成。两温度传感器以AD590作为感温元件。为使AD590能与被测水温温度一致，减小误差，AD590需安装在导热环上。两温度传感器导热环分别牢靠地固定在暖气入户总水管的进水管（热端）和出水管（冷端）上。两温度传感器用双芯屏蔽电缆与热量表相接，热量表再通过二线制的总线与主机相联。热量表设8位的LCD显示器，显示本用户的热量消耗累计值，单位MJ（兆焦耳）。
暖气表内部的联接及其电路框图如图2所示。图中，L是我们专门研制并已批量生产的采用感应式原理的流量传感器，外形及尺寸与现有普通水表相同。它能将暖气管道中所流热水的瞬时流量Lt转换成与之成比例的电脉冲频率FL，经整形后送单片机2051。
温度传感器Tr1、Tr2送来的温度信号取差放大后，经V-F电路变换成与被测温差⊿T成比例的电脉冲频率信号FT后送单片机2051（参见图2）。其中
⊿T=T1-T2
式中： T1——温度传感器Tr1所检测到的暖气用户的进水温度；
T2——温度传感器Tr2所检测到的暖气用户的出水温度。
2051将FL与FT相乘，得到相对应的用户所消耗的热量。2051通过输入输出电路，“收听”系统主机对暖气表的巡呼。当呼叫的地址码与该户暖气表的地址码相同时，2051通过输入输出电路发出应答信号，接着报送出该户暖气表的输出数据信号：热量消耗值，KJ数。用户的热量消耗累计值，由2051驱动用8位的LCD就地显示。为保证单片机2051程序绝对不跑飞，电路中设置了强制周期复位式的看门狗电路。暖气表中设有电源电路，以保证电路和传感器对供电质量的需要。暖气表的全部电子电路和显示器都安装在热量表中。热量表通过总线与主机相联，其中的一根信号线挂接在系统主机总线的信号线上，热量表的另一根线为地线，接在水表表壳上并同总线的地线相接。
4 系统通讯
各户暖气表与系统主机间的通讯以及流量传感器技术，是“水暖供热自动计费计机管理系统”的两个关键。
各户表与主机间通讯，目前有点对点式和总线式两大类通讯方式。前者，每个检测量的数据由独立的通讯线路送给主机，各户表与主机间的联接线路较多，施工不便，主机管理的表数也因此受到限制。后者，又分二总线制、三总线制及多总线制。本系统中采用“一信一地”式的二总线制，主机与各表间的通讯、供电全部由这两根导线完成。各户暖气表不设电源，统一由主机集中供电，提高了供电的可靠性，也使各户暖气表结构简单。
为了能使通讯、供电合一，简化系统硬件，主机与各暖气表间的通讯采用了我们自行研制开发的二总线制通讯方式。主机发出方波脉冲送至总线上，其波形如图4所示。正半周期用来为各暖气表供电，负半周期用来完成主机与暖气表之间的通讯。
通讯协议如下：
1） 每个长脉冲后开始一次对暖气表的巡呼。长脉冲后的短脉冲为地址码。第1个短脉冲n1表示呼叫第1号暖气表，第I(I<256)个短脉冲表示呼叫第I号暖气表，直至下一个长脉冲的到来完成一次呼叫循环。
2） 每个暖气表在接收到对应的地址码呼叫后，在该次呼叫脉冲的负半周时间内发出应答信号和1位二进制数的数据信号。
3） 紧相连的连续两个长脉冲构成一个双长脉冲信号，作为数据传输起始位的标志。双长脉冲及双长脉冲后的长脉冲N1，N2，…，Nj，…，Nn所对应的每次呼叫循环，依次传输各暖气表向主机所传送数据的二进制数的D1，D2，…，Dj，…Dn位。也就是各暖气表的数据要经过N次呼叫循环才能全部传送至主机。N次呼叫循环结束后，主机又发出1个双长脉冲，各暖气表又开始向主机传送一组新的二进制数，将主机中的数据刷新。
4） 第I号暖气表处于Nj长脉冲后的呼叫循环中时，在ni个脉冲负半周时间内向主机发送应答信号和第j位数据信号。
5） 长脉冲的周期为10τ,短脉冲的周期为6τ。短脉冲的负半周期长为3τ，其中负半周起始的0.5τ为准备时间，接着的1τ时间暖气表用来向主机发出应答信号，以表明暖气表的工作、以及暖气表与主机间的联线是否正常。再接着的1τ时间，暖气表用来向主机传送被测量结果数据的一位二进制数，最后的0.5τ时间为结束收尾时间。
系统传输的数据为6位十进制数（000000-999999），对应的二进制数共为20位。取τ等于工频周期，即τ=20ms。挂在一个系统主机上的暖气表个数为最大值，256（FFH）个时，则主机接收各暖气表传输来的一组新数据的时间需要10.3min。这对于计费管理系统来说是足够了。
总线输出的供电功率为25W。
5 系统功能
本系统主机将采集到的信号加工处理后送PC机，由PC机对信息进行加工处理以完成下述的一些任务。本系统中各部分也可单独使用，这为在设有智能终端板的高级住宅中进行供热计费计量提供了方便。
5.1计费
计费是本系统的主要任务。本系统的计费公式如下
F=AQ×Q+FA (1)
式中：F ——用户应向物业部门所交付的总费用；
AQ——用热费用系数；
Q ——用户用热量，千焦尔（K J）；
FA——附加费用
PC机根据物业管理部门的要求，将各用户应缴的费用显示、打印制表或转帐等。由式（1）看出，物业部门收取用户的费用由二部分所组成：用热费和附加费。
用户暖气从供热系统得到的热量Q为
Q=4.1868·m·⊿T （2）
式中：m——累计水流量，千克（kg）：
流量传感器转换关系为
N=KL·m （3）
式中：N——流量传感器输出的电脉冲个数，赫兹·秒（HZ.S）：
t1，t2——为计费时间的起点和终点；
KL.——流量传感器系数，赫兹.秒/千克（HZ.S/kg）
温度传感器及电路的转换关系为
F=KT.⊿T （4）
式中：F——与温度差⊿T相对应的频率，赫兹（HZ）；
KT——温度传感器与电路温度的频率转换系数，赫兹/度（HZ/℃）
由式2、3和4得N和F的乘积S，单位为赫兹平方秒（HZ2.S）。
S=K.Q （5）
式中：
通过式（5）计算得用户用热消耗量Q，由暖气表中的LCD显示出其累计值，并在主机呼叫时将其数值报送主机。
5.2系统监控
通过对各暖气表所报送的数据的分析，可随时了解供热管网系统的运行状况，及时地发现系统运行中的问题，例如，管路有热损失、泄漏或是有用户表前窃热等，此时本系统将会提示操作人员注意。
对拖欠费用的用户，计费系统还可计算其滞纳金。
5.3优质服务
将模糊技术应用到系统中去，利用热量计量的既往数据和供热总表的数据可使监测更加准确，热量计量管理系统更加科学和完美。例如，通过随时采集到的瞬时热流量，利用计算机可判断出供热网络系统压力参数变化的情况，以保障供热网络系统不间断地按质接量地向用户供热。当发生意外停止供热时，或水质、水压、温度及所供热量达不到要求时，物业管理部门应该向用户做出适当的赔偿。为此，自动计费系统对此可做出相应的记载。
5.4管理系统的功能扩充
利用“暖气自动计费管理系统”的完善的软硬件资源条件，在其上可挂接其它的信息信号，例如，火灾自动报警信号，室内温度监测信号，防窃报警，事故呼救等等。这样，大大提高了本系统的利用率。
6 系统联接
系统联接的示意图如图4所示。流量传感器的外壳、联接及联接尺寸与同规格的水表相同；温度传感器的外部尺寸和联接，与同管径的“水管三通”完全相同。热量表的外形尺寸为120×80×40mm，它可悬挂在住户的墙壁上，也可挂在住户家外的走廊上。联接电缆均为单芯屏蔽电缆，无频带宽度的要求。主机的尺寸小于370×250×130mm，可无人值守。
根据客户要求还可生产显示器和电子电路都安装于流量传感器内部的暖气表。这种显示器与流量传感器成一体的暖气表，单独销售，用来与用户自行开发的住宅智能系统相配套。
对于有多根进出水管（没设总进水管）的部分老住房，每根水管上都须加温度传感器，每根出水管上要加装流量传感器，而热量表共用，不必另外增加。
参考文献
1． 李福彬，李 列.一种计费数据采集系统通讯模式.湖南大学学报1996.7(68)
2． 赵建成等.适合计量收费的各种供暖方案.暖通与空调1999.1
3． 李福彬 滕召胜 中央空调供冷计量装置及计算机计费管理系统工业仪表与自动化装置 1998.6
