張 華¹，包林杰²，朱大衛(wèi)²
（1.西安陜鼓動(dòng)力股份有限公司，西安 710075；2.江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇無錫 214405）
 

[摘要] 論述中央空調(diào)直接數(shù)字控制器（DDC）的硬軟件設(shè)計(jì)，并提出一種經(jīng)濟(jì)可靠的實(shí)施方案。

關(guān)鍵詞 中央空調(diào) DDC控制器 PID 新風(fēng)溫度 濕度

0 引言

        近年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展及硬件成本的下降，計(jì)算機(jī)開始廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)領(lǐng)域。基于中央空調(diào)系統(tǒng)的控制要求，在空調(diào)系統(tǒng)管理中充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)技術(shù)的特點(diǎn)，可有效改善中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行品質(zhì)，提高室內(nèi)空氣品質(zhì)，節(jié)省運(yùn)行能耗，提高管理水平。本文將介紹中央空調(diào)處理機(jī)組直接數(shù)字控制器（DDC）的設(shè)計(jì)。

1 中央空調(diào)系統(tǒng)控制要求與DDC簡介

        中央空調(diào)的重要組成部分和核心是空氣處理機(jī)組，它是集中在空調(diào)機(jī)房的集中式空氣處理設(shè)備，包括送/回風(fēng)機(jī)、過濾器、冷卻器、加熱器、加濕器等。中央空調(diào)系統(tǒng)的控制對(duì)象包括控制區(qū)域的溫度、濕度、新風(fēng)量、冷（熱）水溫度、壓力等。因此，對(duì)空氣處理機(jī)組的控制，主要是對(duì)被調(diào)區(qū)域的溫度、濕度及新/回風(fēng)量的大小和比例的控制。控制目標(biāo)就使室內(nèi)的溫、濕度維持在適宜水平，且盡量少耗能。空氣處理機(jī)組監(jiān)控原理如圖1所示。

圖1 空氣處理機(jī)組監(jiān)控原理

        采用DDC并輔以上位機(jī)對(duì)空氣處理機(jī)組進(jìn)行控制，可同時(shí)對(duì)多個(gè)受控裝置實(shí)現(xiàn)各種控制功能，這是常規(guī)儀表組成的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)無法比擬的，并且在控制內(nèi)容及規(guī)模相同時(shí)，可大幅降低總體成本，提高靈活性。

2 空氣處理機(jī)組DDC功能

        空氣處理機(jī)組DDC的主要功能包括新風(fēng)溫/濕度監(jiān)控、送風(fēng)溫/濕度監(jiān)控、回風(fēng)溫/濕度控制、過濾器堵塞報(bào)警、新回風(fēng)比例控制、機(jī)組定時(shí)啟/停控制、連鎖保護(hù)控制、重要場所環(huán)境控制等。空氣處理機(jī)組DDC設(shè)有通信接口，配合上位機(jī)可完成綜合報(bào)警管理、歷史記錄存儲(chǔ)、信息打印、手/自動(dòng)控制。另外，空氣處理機(jī)組DDC還可以連接顯示器。

3 控制器設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

        空氣處理機(jī)組DDC主要由主控電路、溫度傳感器信號(hào)采集電路、直流電壓電流信號(hào)采集電路、開關(guān)量狀態(tài)檢測電路、開關(guān)量輸出控制電路、模擬量輸出電路、時(shí)鐘電路、顯示/按鍵電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路及RS-485通信電路等組成，如圖2所示。

圖2 空氣處理機(jī)組DDC構(gòu)成圖

        （1）主控電路主要由STM32單片機(jī)組成。單片機(jī)外掛有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，通過軟件可完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、狀態(tài)判斷和控制執(zhí)行功能。

        （2）溫度傳感器信號(hào)采集電路如圖3所示。溫度傳感器信號(hào)采集電路將其采集到的Pt1000傳感器的電阻信號(hào)輸入到恒流源電路轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)后，再經(jīng)RC濾波電路接入CPU內(nèi)部12位A/D通道，通過采樣計(jì)算后得到當(dāng)前對(duì)應(yīng)的溫度值。為了避免溫度測量精度受到傳感器外部引線的影響，Pt1000傳感器采用三線制接法來消除引線電阻誤差。溫度傳感器信號(hào)可用于監(jiān)測新風(fēng)、回風(fēng)、送風(fēng)及典型房間的溫度。

圖 3溫度傳感器信號(hào)采集電路圖

        （3）直流電壓電流信號(hào)采集電路將采集到的直流信號(hào)通過電阻分壓、運(yùn)放放大、RC濾波后接入CPU內(nèi)部A/D通道。

        （4）開關(guān)量狀態(tài)檢測電路采用光耦隔離方式監(jiān)測外部輸入節(jié)點(diǎn)。      

        （5）模擬量輸出電路如圖4所示。利用單片機(jī)PWM功能輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)光耦隔離、三極管擴(kuò)流、RC整流濾波后輸出可控的直流0～10V或4～20mA信號(hào)。該直流信號(hào)可用來調(diào)節(jié)風(fēng)閥、水閥的開度比例，也可根據(jù)需求調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率。

 圖 4模擬量輸出電路圖

        （6）開關(guān)量輸出控制電路由單片機(jī)的I/O口通過三極管擴(kuò)流后控制多路繼電器輸出，增加了對(duì)繼電器的驅(qū)動(dòng)能力，保證了控制的穩(wěn)定性。

        （7）控制器帶有128×64LCD顯示屏和按鍵單元，可實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置和查詢，同時(shí)也能對(duì)控制器系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。控制器提供了RS-485端口，便于與上位機(jī)進(jìn)行通信。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

        空氣處理機(jī)組控制流程如圖5所示。空氣處理機(jī)組是一個(gè)典型的存在著純滯后的大慣性系統(tǒng)。它與室內(nèi)人員流動(dòng)情況、室內(nèi)物體、室外氣候條件有很大關(guān)聯(lián)，因而難以用精確的數(shù)學(xué)模型來描述，用傳統(tǒng)的條件方式也難達(dá)到最佳的控制、節(jié)能目的。

圖 5空氣處理機(jī)組控制流程圖

        （1）正常情況下，新風(fēng)閥保持在能吸入基本新風(fēng)量的位置。當(dāng)CO₂感受元件測得CO₂濃度高于系統(tǒng)設(shè)定時(shí)，新風(fēng)閥便自動(dòng)調(diào)節(jié)到預(yù)測值相應(yīng)的位置。當(dāng)CO₂濃度超過某臨界值時(shí)，新風(fēng)閥全開以稀釋室內(nèi)空氣。該控制系統(tǒng)不僅考慮室內(nèi)空氣的CO₂濃度，還考慮維持室內(nèi)正壓及室內(nèi)人數(shù)。

        （2）新風(fēng)相對(duì)濕度的調(diào)節(jié)與控制。控制器測試室內(nèi)的濕度值，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，若存在差異，則用比例積分環(huán)節(jié)控制濕度電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，以使送風(fēng)濕度保持在所需范圍內(nèi)。

        （3）送風(fēng)溫度的調(diào)節(jié)與控制。控制器根據(jù)其內(nèi)部時(shí)鐘確定的設(shè)定溫度，比較溫度傳感器所采集的室內(nèi)溫度，采用PID控制算法或其它算法，調(diào)節(jié)盤管的三通調(diào)節(jié)閥，以使室內(nèi)溫度與設(shè)定溫度一致。

        （4）過濾網(wǎng)報(bào)警控制。風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，過濾網(wǎng)前后將形成一個(gè)壓差。若過濾器干凈，則壓差將小于設(shè)定值，接觸器斷開，反之，則壓差變大，接觸器閉合，控制器將根據(jù)接觸器的干接點(diǎn)情況發(fā)出過濾器報(bào)警信號(hào)。

        （5）安全和消防控制。只有在風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，空氣流量開關(guān)探測到風(fēng)壓后，溫度控制程序才會(huì)工作。新風(fēng)機(jī)組與消防系統(tǒng)采取連鎖控制，當(dāng)有報(bào)警信號(hào)時(shí)，應(yīng)停運(yùn)風(fēng)機(jī)，并關(guān)閉新風(fēng)閥門。

4 結(jié)束語

        本文設(shè)計(jì)了一種空調(diào)節(jié)能控制器，該控制器以STM32單片機(jī)作為核心，硬、軟件分配合理，結(jié)合PID控制，達(dá)到了良好的控制、節(jié)能效果。

　　文章來源于：《電工技術(shù)》2012年7期。

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