紅外線(xiàn)冰面溫度測控裝置

摘要：本文介紹了冰場(chǎng)冰面溫度紅外線(xiàn)測量自動(dòng)控制系統的實(shí)現。在冰場(chǎng)自動(dòng)控制的常規做法基礎上，開(kāi)發(fā)紅外線(xiàn)測溫裝置，闡述了它的系統組成及控制原理，硬件結構，軟件流程及其關(guān)鍵技術(shù)和帶來(lái)的經(jīng)濟效益。
關(guān)鍵詞：冰場(chǎng)；紅外線(xiàn)；信號處理單元控制器；上位機

概述

　　冰上運動(dòng)是一項集體育、健身、娛樂(lè )于一體的全民參與活動(dòng)。近年來(lái)隨著(zhù)人們生活水平的提高和該項運動(dòng)的普及，越來(lái)越多的大型冰場(chǎng)在國內各地興建，僅去年全國就已建造了數十座大型冰場(chǎng)。

　　冰上項目如速滑、花樣、冰球及其他群眾娛樂(lè )要求的冰面溫度各有不同，同時(shí)要求整塊冰溫度均勻，目前國內所建造的冰場(chǎng)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(jìn)行控制，而環(huán)境條件下諸多影響冰面溫度的因素無(wú)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(guān)眾、溜冰人數，冰面保養影響，都會(huì )使得冰面出現嚴重的質(zhì)量問(wèn)題。過(guò)高的控制溫度會(huì )使冰面出現水霧，冰面過(guò)軟不能進(jìn)行冰球之類(lèi)項目；過(guò)低的控制溫度又會(huì )使制冷機處于長(cháng)期運行，耗電量大，過(guò)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(xiàn)冰面測溫裝置，通過(guò)冰面自身輻射能量原理，利用紅外技術(shù)，實(shí)時(shí)檢測冰表面溫度，及時(shí)濾掉那些因燈光、人體、熱源等因素的干擾信號，根據設定溫度來(lái)自動(dòng)調節制冷機能級、自動(dòng)控制壓縮機起、停，實(shí)現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(shí)現了紅外探頭、旋轉云臺、信號干擾的濾波處理于一體的集成過(guò)程自動(dòng)控制。本套裝置目前已經(jīng)在國內數個(gè)新建冰場(chǎng)得以布設，實(shí)踐反映效果良好。

系統組成及原理

圖1 系統框圖

　　紅外線(xiàn)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(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(wú)法安裝在冰面上的，采用紅外線(xiàn)冰面測溫技術(shù)可以解決以上技術(shù)問(wèn)題，選用紅外線(xiàn)溫度傳感器安置在冰面上方的馬道，避免照明系統直射，考慮到標準場(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產(chǎn)的溫度探頭，技術(shù)參數為：4～20mA輸出，測量溫度-20～100℃，距離系數30：1，防護等級IP65，響應時(shí)間200ms，光譜范圍8～14um，此探頭滿(mǎn)足設計需求。

　　智能云臺：標準滑冰場(chǎng)的冰面尺寸一般在61x30米范圍。選用定點(diǎn)測溫方式需要數十個(gè)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(guò)遠程協(xié)議控制云臺旋轉，以?huà)呙璺绞綑z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(gè)標準冰場(chǎng)有兩個(gè)紅外探頭就滿(mǎn)足需求。我們選用了一款國產(chǎn)的云臺。技術(shù)參數為：旋轉角度：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。所有的信號檢測、信號處理、濾波放大、工程換算、信號輸出、設備連接控制、網(wǎng)絡(luò )通訊等，測溫區域，測溫速度，測溫方式都是由這個(gè)控制器來(lái)完成的。參見(jiàn)軟、硬件設計框圖。

　　點(diǎn)位檢測：在0～355度內可設定檢測點(diǎn)數量1～100點(diǎn)，每點(diǎn)停留5秒，取濾波后的溫度。再計算所有測溫點(diǎn)的平均值。與設定溫度進(jìn)行比較輸出控制信號。

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

　　全自動(dòng)制冷系統：包括壓縮機組，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后自動(dòng)聯(lián)鎖運行，因為制冷控制系統不是本文介紹對象，不再贅述。

　　冰場(chǎng)監控軟件：通過(guò)上位機設定顯示制冷系統、紅外冰面溫度控制系統的各種參數、工作狀態(tài)、畫(huà)面、歷史記錄、打印等。本工程采用一臺計算機作為整個(gè)冰場(chǎng)的檢測和控制平臺，通過(guò)組態(tài)畫(huà)面可模擬系統中制冷設備的運行狀況，冰面的溫度狀態(tài)、人機界面清晰、醒目、直觀(guān)；顯示所采集的溫度等歷史曲線(xiàn)，自動(dòng)記錄，定時(shí)打印溫度報表；進(jìn)行設備故障報警，提示故障原因并記錄；可隨時(shí)對現場(chǎng)所有控制器中的控制設定值和報警設定值等參數進(jìn)行設定等功能。方便了操作人員管理整個(gè)制冷系統。

硬件組成

圖2 硬件設計框圖

　　紅外冰面溫度控制器的核心是一款8位mcu，有2個(gè)獨立的usart，1路外接485芯片控制云臺動(dòng)作，另一路預留與上位機通訊用，紅外探頭的4~20ma信號經(jīng)電阻分壓后濾波進(jìn)入12位模數轉換器，mcu使用SPI接口讀取a/d12位數據，1路運行允許信號經(jīng)電平轉換送入mcu，根據計算結果輸出制冷運行開(kāi)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。

　　云臺控制程序實(shí)現了如下函數：

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

圖3 軟件設計框圖

圖4邏輯設計框圖

經(jīng)濟效益分析

　　對于一座冰場(chǎng)來(lái)說(shuō)，按照常規設計需要10個(gè)測溫探頭，如果采用旋轉掃描技術(shù)只需要1個(gè)測溫探頭，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米計算，表1 即為一個(gè)冰場(chǎng)項目施工中節約的管線(xiàn)數量及資金。

表1  冰場(chǎng)項目節約資金表

　　這樣一年按10個(gè)冰場(chǎng)項目計算共節約資金為83800*10=838000元人民幣。

結語(yǔ)

　　此系統整個(gè)運行過(guò)程都能通過(guò)電腦軟件結合相應的硬件配置來(lái)實(shí)現，使設備的利用率更高，運行費用更節省，管理更加方便，從而達到冰場(chǎng)運行級管理所期望的經(jīng)濟效果，符合國家節能減排的發(fā)展目標。

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