摘要：本文介紹了冰場冰面溫度紅外線測量自動控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。在冰場自動控制的常規(guī)做法基礎(chǔ)上，開發(fā)紅外線測溫裝置，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。
概述
冰上運(yùn)動是一項(xiàng)集體育、健身、娛樂于一體的全民參與活動。近年來隨著人們生活水平的提高和該項(xiàng)運(yùn)動的普及，越來越多的大型冰場在國內(nèi)各地興建，僅去年全國就已建造了數(shù)十座大型冰場。
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，目前國內(nèi)所建造的冰場基本做法是：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(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，都會使得冰面出現(xiàn)嚴(yán)重的質(zhì)量問題。過高的控制溫度會使冰面出現(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使制冷機(jī)處于長期運(yùn)行，耗電量大，過硬的冰面使花樣滑冰難以完成動作又容易受傷。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(jù)設(shè)定溫度來自動調(diào)節(jié)制冷機(jī)能級、自動控制壓縮機(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、信號干擾的濾波處理于一體的集成過程自動控制。本套裝置目前已經(jīng)在國內(nèi)數(shù)個(gè)新建冰場得以布設(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(shù)為：4～20ma輸出，測量溫度-20～100℃，距離系數(shù)30：1，防護(hù)等級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：標(biāo)準(zhǔn)滑冰場的冰面尺寸一般在61x30米范圍。選用定點(diǎn)測溫方式需要數(shù)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(jì)。于是我們應(yīng)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遠(yuǎn)程協(xié)議控制云臺旋轉(zhuǎn)，以掃描方式檢測溫度，改變云臺仰角可以改變探頭的傘狀覆蓋面積，對一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)冰場有兩個(gè)紅外探頭就滿足需求。我們選用了一款國產(chǎn)的云臺。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。所有的信號檢測、信號處理、濾波放大、工程換算、信號輸出、設(shè)備連接控制、網(wǎng)絡(luò)通訊等，測溫區(qū)域，測溫速度，測溫方式都是由這個(gè)控制器來完成的。參見軟、硬件設(shè)計(jì)框圖。
點(diǎn)位檢測：在0～355度內(nèi)可設(shè)定檢測點(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)算所有測溫點(diǎn)的平均值。與設(shè)定溫度進(jìn)行比較輸出控制信號。
掃描檢測：在0～355度內(nèi)可掃描檢測，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。
全自動制冷系統(tǒng)：包括壓縮機(jī)組，全自動蒸發(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聯(lián)鎖運(yùn)行，因?yàn)橹评淇刂葡到y(tǒng)不是本文介紹對象，不再贅述。
冰場監(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。本工程采用一臺計(jì)算機(jī)作為整個(gè)冰場的檢測和控制平臺，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)對現(xiàn)場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芯片控制云臺動作，另一路預(yù)留與上位機(jī)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(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。
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(qū)動程序，輸入輸出啟動程序，modbus程序，冰面溫度控制邏輯。
云臺控制程序?qū)崿F(xiàn)了如下函數(shù)：
pelco_pan（addr,action）參數(shù)分別是云臺地址和動作，通過這個(gè)接口控制程序可以操作云臺垂直和水平方向搖動。
pelco_init（）協(xié)議初始化
模擬量驅(qū)動程序函數(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（）掃描方式測溫
application_point（）點(diǎn)方式測溫
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
對于一座冰場來說，按照常規(guī)設(shè)計(jì)需要10個(gè)測溫探頭，如果采用旋轉(zhuǎn)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(jì)算，表1即為一個(gè)冰場項(xiàng)目施工中節(jié)約的管線數(shù)量及資金。
表1冰場項(xiàng)目節(jié)約資金表
這樣一年按10個(gè)冰場項(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)到冰場運(yùn)行級管理所期望的經(jīng)濟(jì)效果，符合國家節(jié)能減排的發(fā)展目標(biāo)。