張 華1，包林杰2，朱大衛(wèi)2
（1.西安陜鼓動力股份有限公司，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，并提出一種經(jīng)濟可靠的實施方案。
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，隨著計算機技術(shù)、控制技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展及硬件成本的下降，計算機開始廣泛應(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)揮計算機技術(shù)的特點，可有效改善中央空調(diào)系統(tǒng)運行品質(zhì)，提高室內(nèi)空氣品質(zhì)，節(jié)省運行能耗，提高管理水平。本文將介紹中央空調(diào)處理機組直接數(shù)字控制器（DDC）的設(shè)計。
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組，它是集中在空調(diào)機房的集中式空氣處理設(shè)備，包括送/回風(fēng)機、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，對空氣處理機組的控制，主要是對被調(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。空氣處理機組監(jiān)控原理如圖1所示。
圖1 空氣處理機組監(jiān)控原理
采用DDC并輔以上位機對空氣處理機組進行控制，可同時對多個受控裝置實現(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，可大幅降低總體成本，提高靈活性。
2 空氣處理機組DDC功能
空氣處理機組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、過濾器堵塞報警、新回風(fēng)比例控制、機組定時啟/停控制、連鎖保護控制、重要場所環(huán)境控制等。空氣處理機組DDC設(shè)有通信接口，配合上位機可完成綜合報警管理、歷史記錄存儲、信息打印、手/自動控制。另外，空氣處理機組DDC還可以連接顯示器。
3 控制器設(shè)計
3.1 硬件設(shè)計
空氣處理機組DDC主要由主控電路、溫度傳感器信號采集電路、直流電壓電流信號采集電路、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、時鐘電路、顯示/按鍵電路、數(shù)據(jù)存儲電路及RS-485通信電路等組成，如圖2所示。
圖2 空氣處理機組DDC構(gòu)成圖
（1）主控電路主要由STM32單片機組成。單片機外掛有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲模塊，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）溫度傳感器信號采集電路如圖3所示。溫度傳感器信號采集電路將其采集到的Pt1000傳感器的電阻信號輸入到恒流源電路轉(zhuǎn)化為電壓信號后，再經(jīng)RC濾波電路接入CPU內(nèi)部12位A/D通道，通過采樣計算后得到當(dāng)前對應(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溫度傳感器信號采集電路圖
（3）直流電壓電流信號采集電路將采集到的直流信號通過電阻分壓、運放放大、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。
（5）模擬量輸出電路如圖4所示。利用單片機PWM功能輸出的脈沖信號經(jīng)光耦隔離、三極管擴流、RC整流濾波后輸出可控的直流0～10V或4～20mA信號。該直流信號可用來調(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的I/O口通過三極管擴流后控制多路繼電器輸出，增加了對繼電器的驅(qū)動能力，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，可實現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置和查詢，同時也能對控制器系統(tǒng)參數(shù)進行實時調(diào)整。控制器提供了RS-485端口，便于與上位機進行通信。
3.2 軟件設(shè)計
空氣處理機組控制流程如圖5所示。空氣處理機組是一個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)的條件方式也難達到最佳的控制、節(jié)能目的。
圖 5空氣處理機組控制流程圖
（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，新風(fēng)閥便自動調(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，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)定值進行比較，若存在差異，則用比例積分環(huán)節(jié)控制濕度電動調(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)報警控制。風(fēng)機啟動后，過濾網(wǎng)前后將形成一個壓差。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)接觸器的干接點情況發(fā)出過濾器報警信號。
（5）安全和消防控制。只有在風(fēng)機啟動，空氣流量開關(guān)探測到風(fēng)壓后，溫度控制程序才會工作。新風(fēng)機組與消防系統(tǒng)采取連鎖控制，當(dāng)有報警信號時，應(yīng)停運風(fēng)機，并關(guān)閉新風(fēng)閥門。
4 結(jié)束語
本文設(shè)計了一種空調(diào)節(jié)能控制器，該控制器以STM32單片機作為核心，硬、軟件分配合理，結(jié)合PID控制，達到了良好的控制、節(jié)能效果。
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