摘要：本文介紹了冰場冰面溫度紅外線測量自動控制系統的實現。在冰場自動控制的常規做法基礎上，開發紅外線測溫裝置，闡述了它的系統組成及控制原理，硬件結構，軟件流程及其關鍵技術和帶來的經濟效益。
　　　　
　　概述
　　
　　冰上運動是一項集體育、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運動的普及，越來越多的大型冰場在國內各地興建，僅去年全國就已建造了數十座大型冰場。
　　
　　冰上項目如速滑、花樣、冰球及其他群眾娛樂要求的冰面溫度各有不同，同時要求整塊冰溫度均勻，目前國內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，對壓縮機進行控制，而環境條件下諸多影響冰面溫度的因素無法考慮進去，使得冰層與冰面的實際溫度差別很大，如受燈光、觀眾、溜冰人數，冰面保養影響，都會使得冰面出現嚴重的質量問題。過高的控制溫度會使冰面出現水霧，冰面過軟不能進行冰球之類項目；過低的控制溫度又會使制冷機處于長期運行，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，實時檢測冰表面溫度，及時濾掉那些因燈光、人體、熱源等因素的干擾信號，根據設定溫度來自動調節制冷機能級、自動控制壓縮機起、停，實現冰面溫度的恒定控制，既保持了冰面溫度質量要求又大大降低了運行成本。這套裝置的關鍵技術是實現了紅外探頭、旋轉云臺、信號干擾的濾波處理于一體的集成過程自動控制。本套裝置目前已經在國內數個新建冰場得以布設，實踐反映效果良好。
　　
　　系統組成及原理

　　
　　紅外線測溫傳感器：冰面溫度與冰層硬度密切相關，很小的溫度變化就會引起很大的冰層硬度變化，不時變化的外界環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可以解決以上技術問題，選用紅外線溫度傳感器安置在冰面上方的馬道，避免照明系統直射，考慮到標準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，環境溫度≤26℃,并且濕度較大，所以我們選擇了一款美國產的溫度探頭，技術參數為：4～20mA輸出，測量溫度-20～100℃，距離系數30：1，防護等級IP65，響應時間200ms，光譜范圍8～14um，此探頭滿足設計需求。
　　
　　智能云臺：標準滑冰場的冰面尺寸一般在61x30米范圍。選用定點測溫方式需要數十個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遠程協議控制云臺旋轉，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，對一個標準冰場有兩個紅外探頭就滿足需求。我們選用了一款國產的云臺。技術參數為：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、網絡通訊等，測溫區域，測溫速度，測溫方式都是由這個控制器來完成的。參見軟、硬件設計框圖。
　　
　　點位檢測：在0～355度內可設定檢測點數量1～100點，每點停留5秒，取濾波后的溫度。再計算所有測溫點的平均值。與設定溫度進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行比較，輸出控制信號。
　　
　　全自動制冷系統：包括壓縮機組，全自動蒸發冷，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。
　　
　　冰場監控軟件：通過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、畫面、歷史記錄、打印等。本工程采用一臺計算機作為整個冰場的檢測和控制平臺，通過組態畫面可模擬系統中制冷設備的運行狀況，冰面的溫度狀態、人機界面清晰、醒目、直觀；顯示所采集的溫度等歷史曲線，自動記錄，定時打印溫度報表；進行設備故障報警，提示故障原因并記錄；可隨時對現場所有控制器中的控制設定值和報警設定值等參數進行設定等功能。方便了操作人員管理整個制冷系統。
　　
　　硬件組成

　　　　
　　紅外冰面溫度控制器的核心是一款8位mcu，有2個獨立的usart，1路外接485芯片控制云臺動作，另一路預留與上位機通訊用，紅外探頭的4~20ma信號經電阻分壓后濾波進入12位模數轉換器，mcu使用SPI接口讀取a/d12位數據，1路運行允許信號經電平轉換送入mcu，根據計算結果輸出制冷運行開關量信號。
　　
　　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。
　　
　　云臺控制程序實現了如下函數：
　　
　　pelco_pan（addr,action）參數分別是云臺地址和動作，通過這個接口控制程序可以操作云臺垂直和水平方向搖動。
　　
　　pelco_init（）協議初始化
　　
　　模擬量驅動程序函數：
　　
　　GetScaledValue（channel）獲得經過濾波和校正的溫度值
　　
　　輸入輸出程序函數：
　　
　　Hal_GetDigitalInput（Input）獲得開關量狀態
　　
　　Hal_SetRelays（State）設置繼電器狀態
　　
　　Modbus程序函數：
　　
　　ModbusApp_Control（）modbus狀態機控制
　　
　　ModbusApp_ProcessPacket（pprotol）modbus包處理
　　
　　控制邏輯函數：
　　
　　Application_Scan（）掃描方式測溫
　　
　　Application_Point（）點方式測溫
　　
　　Calc_Temp（）計算冰面溫度，濾除干擾
　　
　　Control（）控制邏輯　　　　　　
　　經濟效益分析
　　
　　對于一座冰場來說，按照常規設計需要10個測溫探頭，如果采用旋轉掃描技術只需要1個測溫探頭，且10個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即為一個冰場項目施工中節約的管線數量及資金。
　　　　
　　這樣一年按10個冰場項目計算共節約資金為83800*10=838000元人民幣。
　　
　　結語
　　
　　此系統整個運行過程都能通過電腦軟件結合相應的硬件配置來實現，使設備的利用率更高，運行費用更節省，管理更加方便，從而達到冰場運行級管理所期望的經濟效果，符合國家節能減排的發展目標。