TELKOM NIKA , Vol. 11, No. 6, June 20 13, pp. 3142  ~   3 148   e-ISSN: 2087 -278X           3142      Re cei v ed  Jan uary 23, 201 3 ;  Revi sed Ap ril 1, 2013; Accepte d  April 1 7 , 2013   Distributed Control System in Electrical Heaters of the  Public Buildings      Jianhua Ren * 1 ,  Wei Wang 2 , Tingchao  Yang 3    1,2 Hebei Un iver sit y  of Eng i ne e r ing, Ha nda n H ebe i,05 603 8,C h in a   3 H y dr og eol og y  T eam,Coal Geolo g y  B u re au o f  Hebei Prov inc e  ,Hand an H e b e ,056 20 1,Chi n a  *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : renji anh ua 19 74@ 163.com       A b st r a ct   Bein g w i th  ma ny a d va ntages  such  a s  envir on men t al pr otection,  control l a b le,  facilitat e   me asur e m ent etc,  electric   he ating  has  b e e n  pro m oted  acti vely i n  s o me  p l aces. F o r  pu bl ic b u il din g s w i t h   hug e en ergy consu m ption,  electric  h eatin g intell ig ent control lin g  may  be the key to achi eve en erg y   conserv a tion. I n  this pa per, vi sual d i strib u ted  contro l syste m  (DCS) w a s presente d  in  elec tric heatin g of th e   public buildings. In this control system , a P C  was  used  as the host, and RS232/ 485 interface converter   w a s used  as  serial  int e rface  of  mutua l  co nversi on. T h ro ugh  in dustria l  standar d RS 4 85 b u s w i th  hi g h   relia bi lity an d l o w  cost w h ich w a s the link  b e tw een t he  ho st and  ma ny s e ts of ther most at, a one-to- m any   communic a tio n  netw o rk w a s forme d . T he MCU of  the thermostats w a s AT Mega8  microc ontro ll er.   Meanw hi le, D S 18B2 0  i n tegr ated te mperat ure pr ob e w a s used  in t e mp erature s ens or . T h rough  the  DC S   test onl in e, it  met  the  ne ed  of e a ch  in div i du al  he ating   unit. T her efore ,  unn ecess a ry  he at w a ste  w a s   reduc ed, he ati ng costs w e re saved.      Ke y w ords : public building, electrical h eaters ,  distribut ed control system        Copy right  ©  2013 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  Heatin g in wi nter in the  no rth of Chi na  has   an imp o rtant influen ce  on the pe opl e's live s   and wo rk. Most traditional  central heatin g such as wa ter heating m ean s indu ce  su ch a wa ste  o f   resou r ces a nd enviro n m ental pollutio n . Some  rel e vant provin ce s have b egun to a c tively  prom ote cle a n  elect r ical h eating me an s to re pla c e  traditional h eating meth o d s. Now m a n y   heating meth ods a r e appli ed, but electri c  heating  will be the future trend of heati ng in the energy   saving, environmental p r ot ection, pe rsp e ctive [1, 2].    Heatin g o n  d e mand  is the  develo p ment  dire ct ion  of t he  winter he ating. Elect r ic heatin g  has ma ny ad vantage s that other  heatin g method s d o  not have, such a s  ea sy to measu r e a nd  control. In th e publi c  b u ild ings, the  en e r gy con s umpt ion is extrem ely huge, th u s  u s ing  ele c tric   heating  wo uld be of g r ea t significan c e  in pro m otin g ene rgy co nse r vation a nd environm ental   prote c tion. Electri c  he ating  is co ntrolla bl e and fa cilitate in mea s u r e m ent. So in p ublic b u ildin g s ,  electri c   heati ng an d intelli gent control a r e the  key  to  achi eve intelli gent en ergy-saving. Intellig ent  control of heating will be the direct ion of developm ent in the future.       2. DCS Dis t ri buted  Con t r o l Sy stem  DCS i s  the a bbreviatio n  of the Distri but ed  Control S y stem. It is a multilevel computer  system in clud ing cont rol le vel and pro c e ss mo nitorin g  levels by communi cation  netwo rk. DCS is   synthe sized  by Com puter, Commu nication, CR T  and  Cont rol.  The b a si c i dea s of the  4C  tec h nology are dec e ntraliz ed  c o ntrol,  c ent ralized operation, c l a s s i fic a tion management and  flexible  co nfig uration, ea sy conf ig uratio n  [3]. DCS  cont rol  system i s   wildly u s ed  in  the p r od uctio n   factorie s a n d  prod uctio n  lines, the  cont rol effect i s  si gnifica nt. In public b u ildin g s , though  so me  intelligent co ntrols  are  used in heatin g  system, mo st controlli ng systems a r e e s tabli s he d in the  one-chi p   com puter, PL C  control to  re alize the  pa rt  o f  centralized  control fun c ti on, and  ha rd  to   achi eve the ideal control t a rget s.        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   e-ISSN:  2087 -278X       Distri buted  Control System  in Electrical Heat e r s of th e Public Build ings (Jia nhu a  Ren)  3143 3. Electric Heating  Distri bution  Control in Public  Buildings  3.1. Contr o l  Objectiv es  DCS  ca n be  use d  in  ele c tri c  he ating  cont rolling sy stem  in publi c   buil d ing s  such as  school s, h o spitals, h o tels  and  so  on,  d ue to th e la rge n u mbe r   o f  heating  unit s , with  different  heating   time and different heating   temp eratu r e.  A cco rding  to the  speci a l  circum stan ce s, the  wa y   of distri buted  cont rol  syste m  incl ude s  chron o logi cal pre s et control   req u ire m ent s  (as  fo r sch ool)  and  temp orary  control re q u irem ents (such as ho sp i t als, hotel s) t o  adju s t cont rol pa ram e ters.  The  goal  is  to re alize m a ximum h eat ing e n e r gy-saving by  ca reful centralized  cont rol  a n d   individual he a t ing deman d throu gh the DCS. Control o b jective s  are  as follo wing [ 4 ].          Figure 1. Dia g ram of Control System      Reali z ing  ce ntral co ntrol  in multiple room s; real izing mi cro c ompute r  pro g rammi ng   control, acco rding to the  requi rem ents of diffe rent perio ds a nd  different ro o m s re sp ectiv e ly;  setting a va riety of prog rams; in stallin g dou ble di splays in cludi ng central  control  room  and  indep ende nt room; setting  and re cordi ng stored hist ory, inquiry, statistics; net workin g ca n be   inquired at  any time, se tting pro c ed u r e by ma n a ger; realizi n g  real -time te mperature  d a ta   acq u isitio n a nd p r o c e s sin g , re al-time  tempe r ature  d a ta of vi sual   displ a y; temp eratu r e  off-ga uge  alarm; temp e r ature data  of records, i n clu d i ng al arm data an d  histori c al  d a ta; tempera t ure   measurement  paramete r  setting, includi ng te m peratu r e me asu r ing p o i n t paramete r s,  comm uni cati on and  para m eters of the tempe r atur e stateme n ts para m eter s;  temperature  data  repo rt mana g e ment.  Centralized  control:  cent ral i zed  control  o f  m ana ger, i n stallation  de b uggin g  (sin gl e ph ase   online te sting  function ), m onitorin g  the  room te mpe r ature, the te mperature  pa ramete rs and  the  workin g  cond ition. De cent ralize d  control: temper atu r e display, work in stru ctio ns, temp erat ure   regul ating in tempe r ature controlle r.     3.2. Contr o l Sy stem Structure   The p ubli c  bu ilding h eating  DCS  syste m  is  comp osed  of a ho st (P C o r  ind u st ria l  PC)  as  the core and  multiple con t rollers by ne twork  [5]. High-pe rforman c e single  chip  micro c om put er  and inte grat ed sen s or  a r e  comp ose d  of high  p e rform a n c e  and hi gh p r eci s ion te rmi nals- thermo stats.  Each  cont roll er i s  in  cha r g e  of the  ea ch  elect r ic  heat er a c cording  to instruction s  of   the ho st. RS 485 B U S is use d  to  co mpose o ne-t o -ma n y co m m unication  n e twork [6]. T h e   controlling p r i n cipl e ch art is as Figu re 1.   To reali z e the  following mai n  module s  by  VB:  (1)  DCS Main  module s   can  reali z e the  DCS in vari ou s lists to  reali z e rem o te polli ng an d  give-out o r de r in acco rda n ce  with the  procedu re s  in stora ge te mperature di rective s  to e a ch  remote thermos t at.  (2) Servi c e m odule:  ope rati on records a nd  control p e r missio ns ma nagem ent, in spe c ting  wheth e r the d a ta backu p is normal o r  no t, singl e termi nal normal de bug, and p o wer-off saving.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               e-ISSN: 2 087-278X   TELKOM NIKA   Vol. 11, No. 6, June 20 13 :  3142 – 3 148   3144 (3) ActivX m odule, it i s  re spo n si ble fo r the u s e  with  the the r mo stat throu gh a   seri al of  comm uni cati on of th e P C  to exchan ge  data. T he  e x chan ge  data  interfa c e  is  put on  di spla y or   pro c e ssi ng.   The co mmu nicatio n  betwee n  PC so ftware an d therm o stat is realized by  standa rd   ActiveX control, which i s  a  standa rd mi ddle w are  to realize the un derlying  com m unication drive,  equivalent to  the therm o st at drive fun c tion by  stan da rd Mod b u s RTU commu ni cation p r oto c ols.  This ActiveX  control  can  b e  u s ed  for ot her  dev elo p m ent environm ents  (ju s t a s   VC, Del phi, e t c.)  for se con d a r y developme n t by program mers [7].      3.3. The Main Function s of the  Con t r o l Process               Figure 2. Flow Ch art of Ho st Sending  Instru ction s  to Lower Com puters  Figure 3. Flow Ch art of Te mperature  Controlle r Re ceiving Interrupts Inst ru ction       In DCS tem peratu r e  co n t rol sy stem,  the lower co mputers  con t rol temp erat ure  of  heaters, and  receive inst ru ction s  from th e host u s ing i n terrupt com m and ha s sh own in Fig u re  3.    3.4. Communication Protocol  Reg u lation  o f  comm uni ca tion protocol  is  as follo ws: a  co mmu nicatio n  b a u d  rate  of  9600 bp s, 4MHz  cry s tal oscillator [8].   The co mmuni cation p r oto c ol of tempera t ure co ntroll er is Modbu sRTU ag reem en t by the   stand ard, in   whi c h in clu d e s  fou r  in stru ctions:0x 01  (re ad inte rnal di gital and  mai n tain coil stat e),  0x03 (rea d in ternal  analo g  and m a intain  memo ry co n t ents), 0x0 5  (set inte rnal  si ngle di gital a nd  maintain coil state), 0x06 (set a sin g le a nalog in side  and maintai n  memory  cont ents)        4. Hard w a re  En v i ronment  DCS  control  system i s  ad opted in pu bli c  build i ng he ating co ntrol  system to re alize the  operation  con t rol of the visualizati on. Electri c  he ating  distrib u ted  c ontrol  system  con s i s ts of a  PC  as h o st  co nn ecting  with m any tempe r at ure  co ntrolle rs by  RS232/ 485 inte rfa c e  conve r ters  a n d   indu strial sta ndard RS485   bus,  to co mp ose  th e o ne – t o–many  com m unication n e twork  stru ct ure   and to reali z e  communi cati on and data  pro c e ssi ng.  By Basic6.0 ActiveX control and appli c ati on  of Visu al Ba sic6.0 te ch nol ogy, the effe ctive  commu nicatio n  di sta n ce  can  re ach 12 00m  un d e r  N Y  Y N   Al l o w r ecei v i n g  th e i n t e r r u p t  si gn al  R e ce ive  the  inte rru p t  sig n a l   Ci r c u l ar l y  r ecei v e  e f f ect i v e i n st r u ct io n  W h e t her the f i rst b y te  is the  nu m b er of the t e m per a ture Exe c u te  instr u c tio n Exit inte r r u p t Ins t ruc t i o n s ar e ef f e ct i v e ? Sta r t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TEL K   9600 Chip  temp appe centi g 485  Com m cont r instr u Figu r 5. In s can  b     K OM NIKA    Distri b bp s. The M C Mi crocomp erature pro b     F Figure 5. Y K   Elec tric a ara n ce is  s g rad e . The  t ser i al com m m uni cati on  d        The t h r ol sy st e m ,  t h u ction f r om  t r e 6.      s tallatio n  a n The in st a b e co nve n ie n uted Contro l C U mi cr oco u t er  fr om  A b e integ r a t ed  F igure 4. El e   K 32 Remote  a l schem ati c s h o w e d as   t empe ratu re  m uni cat i o n s  d ista nce o f  t h h erm o stat c o h e lowe r  co m t he ho st, h e n d Oper a t io n a llati on is  si m n tly operate d e-I l  Sys t em in  E ntrolle r of  t h A TMEL Co m from DALL A e ct ri cal S c h e   The r m o s t a t c  di a g ram  o Fig u re  5,   w control acc u is a dopte d   h e Remote  t h o ntrol  pro c e s m pu te r  c o ntr o e re, interrup t n  of th e Sy s m ple, accord d  and run.   SSN: 2087 - 2 E lectrical He a h e self-de s i g m pany[9]. T h A S Compan y ma ti c  D i ag r a         o f YK32 Re m w hi ch tem p u ra cy  is 0.0 6 in the displ h ermo static  1 s s ha s   sho w o ls the  ele c t r t  comm and   s tem  ing to   the s y 2 78 X a ters  of the  P ned the r mo s h e temp era t u y  [10].  a m of Remo t Figure  7 m ote therm o p eratu r e co n 6 25 deg re es  ay output  m 1 200m .   w n i n  Fi gur e r ic h eater te m is ado pted.  y s t em op e r a t P ublic Buildi n s tats ad opt s u r e  s e ns or               t e Th ermo st a 7 . Setting P e o st at  is j u s t n trol range   Celsius wit h m ode, at th e e   6. In the  m peratu r e,  m Control flo w t ion  pr oce s s   n gs (Jia nhu a s  ATMega8  S adopt s DS 1                            at   e rmi ssi o n   t  as  F i g u re   is betwe en  h  t w o digital  t e  same t i m e DC S temp e m e antime, re c w   cha r t  is j u , the DCS  s y a  Ren)  3145 S i ngle   1 8B2 0                               4. Its   0-85  t ube s .  e , t h e   ratu re   c ei ves  u st  as  y st em                               Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               e-ISSN: 2 087-278X   TELKOM NIKA   Vol. 11, No. 6, June 20 13 :  3142 – 3 148   3146 5.1. Acce ss  Permission          In this  System, three users are  s e t to opera tio n  as F i g u r e   7 .  O n ly c o rr ec t us er  n a me   and pa sswod  are allo wed t o  acce ss p r e m issi on of all comm and a n d  control the whol e system  .   At the same time, the control permi ssio ns  and fault alarm wi ndo w, operation record s  data ba ckup  and ma ny other fun c tion s are al so de signed to en sure the  syste m  workin g sa fety  and efficie n cy  just as  Figu re 8.          Figure 6. Flow Ch art of Te mperature Co ntrolle r  Wo rki n g       .     Figure 8. Ope r ation Record s      DCS sy stem is a netwo rk d i stribute d  co n t rol  system, a nd is co mpo s ed of multiple  points   (therm o stat ). So we nee d to set each control poi nt  of informa t ion. In this  system, rel e vant  conte n t can b e  edited an d deleted.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   e-ISSN:  2087 -278X       Distri buted  Control System  in Electrical Heat e r s of th e Public Build ings (Jia nhu a  Ren)  3147         Figure 9. Setting the Co ntrol Points    5.2. Sy stem  Debu gging    Being n u mb ered  in a d va nce, evey  ro om  ha s co rresp ondi ng  te m perature  controlle r.  Whe n  we  set the system, controlle r can  be sel e cte d  a c cordi ng to the list. Meanwhile, a spe c ifi c    controlle r ca n  be debu ged  and set addre ss. Th ese are  sho w ed in Fi gure 9 a nd Fi gure 1 0 .                   Figure 1 0 . System Deb u g g ing      5.3. Other Fu nction   Whe n  the sy stem is  dete c ted and a  co ntrolle r  loses  touch, the  system will time ly report   to the user. T hen fault al arm win dow wil l  be sho w ed ,  and thi s   win dow  will  kee p  flashin g  to d r aw  attention to the operator.   Whe n  the DCS system i n terface op e n s, sy st em insp ectio n  be gins imm edia t ely, then  comm uni cate s and  sen d s  control co mm and s to t herm o stat of each room in p r op er order.           Figure 11. Da ta Backup   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               e-ISSN: 2 087-278X   TELKOM NIKA   Vol. 11, No. 6, June 20 13 :  3142 – 3 148   3148 This  co ntrol  system ha s th e funtion of  d a ta  ba ckup. If the hardware  failure  of th e user  comp uter  cau s e s  the DCS system  stop runnin g  wh i c h  is not be re p a ired in  a sh o r t time, throu gh  replacing  a computer and  installing  thi s  softw are ,the data  will be recove ried to  make the  DCS  system p e rfo r m comm and  as no rmal.       6. Conclusio n    Thro ugh thi s  control syste m , the functio n s are re alize d  as follo wing :  The sim p le,  reasona ble  and co nvenient di stri b u ted co ntrol  system wit h  good  performance hardware  and  si mple  software with expansibility  can satisfy all   sort s  of cont rol   requi rem ents to realize saf e ty control of  electri c  he ating syste m  in  publi c  buildi n gs an d impro v e   its relia bility and flexibility and to real ize t he dyna mic man age ment of each cont rol uni t,  centralized control a nd supervi sion. T h rou gh t he  sci entific con t rol, the syst em gua rante e s  warming  com f ortably and e nergy saving.   Electri c  heati ng dist ributed  control syste m  adopt s ad vance d  syste m  desig n me thod, is  based  on A c tiveX control s , can  reali z e data  tran smissi on  and   comm uni cati on, al so  can  be   applie d to  dri v es in  othe r  different  dev elopme n t env ironm ents. B y  the  control s , u s e r s not  only  can  esta blish  cont rol  syste m  qui ckly, bu t also  exp a n s e use sco pe  and fun c tion  according to  the  need.   The sy stem i s  ado pted in  three pu blic building s  in  2009, 20 10  and 20 11 wi nter. By  comp ari s o n  the ele c tri c  h eating u s ing  DCS  cont ro l and tra d itio nal water h e a ting, the ini t ial  investment a nd  op eration co st  re du ce s  about  RMB 3 00 millio ns yu an. Mo re im p o rtant p o ints  are  redu cin g  poll u tion and  sav i ng ene rgy si gnifica ntly.       Referen ces   [1]    Z hang Ju n y e.  Vie w s of dom e s tic   electric heatin g.  Heati n g  & Refrigerati o n . 2012; 2: 51- 52.   [2]    Guan Li ng. T he Contro l Di ffer ent Heati ng F e e S y stem.  Ch in a Instrumentati on.  201 2; 1: 18 -22.  [3]    W ang Z h e n j u a n . Distrib uted  control s y st em  in the  use  of intel lig ent b u il din g .  Gansu S c ienc e a n d   T e chno logy . 2 012; 4: 11 7-11 9.  [4]    Cao Do ng lin. Prospects for the devel op ment of  the market in ele c tric  heatin g in our countr y       Mecha n ica l  an d Elec trical Information.  200 7 ;  9: 38-45.  [5]    Haife ng LI.Proj e ct Evalu a tion  Method  B a se d  on Matter-El e ment an d Hi er arch y Mo del.  TEL K OMNIKA  Indon esi a  Jour nal of Electric al  Engin eeri n g . 2 012; 3: 58 6-59 1.  [6]    Z hang  Xiug uo.  T he Applicati on of Intel lig e n t Contro lle d  Electric He atin g S y st em.  Jou r nal of  Nort h   Chin a Institute  of Science a n d  T e chnol ogy . 2 008; 1: 42- 52.   [7]    Doa a  M Atia, F a ten H  F ahm y,  Nin et M Ahm e d,  Hasse n T  Dorrah. A  Ne w   Contro l a nd  De sign  of PEM   F uel Ce ll S y s t em Po w e re d  Diffused Air  Aeratio n  S y s t em.  T E LKOMNIKA Indon esi a  Journ a l  o f   Electrical E ngi neer ing . 2 012;  10: 291- 30 2.   [8]    Oaa M Ati a . M ode lin g a n d  Co ntrol PV-W i n d   H y brid  S y stem  Base d o n  F u z z y   Lo gic  Contr o l T e chni qu e.   T E LKOMNIKA Indon esi a  Jour nal of  Electric al  Engin eeri ng.  2 012; 10: 4 31-4 41.   [9]    W u  Shao hu a.  DT  MCU base d   on   the data acqu isitio n  s y s t em.  W a ter Re sources &  Hy drop ow er of   Northe ast Chin a . 2012; 2: 17- 22.   [10] F an Y aol i ng. Bas ed  on  the  temp erat ure se nsor  D S 18B2 0  d i git a l  temperat ure i n strument  desi gn.   Journ a l of Yell ow  River Cons ervancy Technical Institute . 20 12; 1: 23-2 6 .            Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.