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基于STM32的空氣處理機組DDC控制器設計

點擊次數:2573 發布時間:2012-08-22

張 華1,包林杰2,朱大衛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] 論述中央空調直接數字控制器(DDC)的硬軟件設計,并提出種經濟可靠的實施方案。

關鍵詞 中央空調 DDC控制器 PID 新風溫度 濕度

 

0 引言

        近年,隨著計算機技術、控制技術、信息技術的發展及硬件成本的下降,計算機開始廣泛應用于暖通空調領域?;谥醒肟照{系統的控制要求,在空調系統管理中充分發揮計算機技術的特點,可有效中央空調系統運行品質,提高室內空氣品質,節省運行能耗,提高管理水平。本文將介紹中央空調處理機組直接數字控制器(DDC)的設計。

 

1 中央空調系統控制要求與DDC簡介

        中央空調的重要組成部分和核心是空氣處理機組,它是集中在空調機房的集中式空氣處理設備,包括送/回風機、過濾器、冷卻器、加熱器、加濕器等。中央空調系統的控制對象包括控制區域的溫度、濕度、新風量、冷(熱)水溫度、壓力等。因此,對空氣處理機組的控制,主要是對被調區域的溫度、濕度及新/回風量的大小和比例的控制??刂颇繕司褪故覂鹊臏?、濕度維持在適宜水平,且盡量少耗能??諝馓幚頇C組監控原理如圖1所示。

 

圖1 空氣處理機組監控原理

        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各種控制功能,這是常規儀表組成的傳統控制系統*的,并且在控制內容及規模相同時,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溫/濕度監控、送風溫/濕度監控、回風溫/濕度控制、過濾器堵塞報警、新回風比例控制、機組定時啟/??刂?、連鎖保護控制、重要場所環境控制等??諝馓幚頇C組DDC設有通信接口,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 控制器設計

3.1 硬件設計

        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、開關量狀態檢測電路、開關量輸出控制電路、模擬量輸出電路、時鐘電路、顯示/按鍵電路、數據存儲電路及RS-485通信電路等組成,如圖2所示。

 

圖2 空氣處理機組DDC構成圖

        (1)主控電路主要由STM32單片機組成。單片機外掛有數據采集、數據存儲模塊,通過軟件可完成數據采集、數據分析、狀態判斷和控制執行功能。

 

        (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化為電壓信號后,再經RC濾波電路接入CPU內部12位A/D通道,通過采樣計算后得到當前對應的溫度值。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引線電阻誤差。溫度傳感器信號可用于監測新風、回風、送風及典型房間的溫度。

 

 

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內部A/D通道。

       

        (4)開關量狀態檢測電路采用光耦隔離方式監測外部輸入節點。      

       

        (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節風閥、水閥的開度比例,也可根據需求調節風機頻率。

 

 圖 4模擬量輸出電路圖

 

        (6)開關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動能力,保證了控制的穩定性。

        (7)控制器帶有128×64LCD顯示屏和按鍵單元,可實現參數的設置和查詢,同時也能對控制器系統參數進行實時調整??刂破魈峁┝薘S-485端口,便于與上位機進行通信。

3.2 軟件設計

        空氣處理機組控制流程如圖5所示??諝馓幚頇C組是個典型的存在著純滯后的大慣性系統。它與室內人員流動情況、室內物體、室外氣候條件有很大關聯,因而難以用的數學模型來描述,用傳統的條件方式也難達到佳的控制、節能目的。

 

圖 5空氣處理機組控制流程圖

 

        (1)正常情況下,新風閥保持在能吸入基本新風量的位置。當CO2感受元件測得CO2濃度高于系統設定時,新風閥便自動調節到預測值相應的位置。當CO2濃度超過某臨界值時,新風閥全開以稀釋室內空氣。該控制系統不僅考慮室內空氣的CO2濃度,還考慮維持室內正壓及室內人數。

        (2)新風相對濕度的調節與控制??刂破鳒y試室內的濕度值,并與設定值進行比較,若存在差異,則用比例積分環節控制濕度電動調節閥,以使送風濕度保持在所需范圍內。

        (3)送風溫度的調節與控制??刂破鞲鶕鋬炔繒r鐘確定的設定溫度,比較溫度傳感器所采集的室內溫度,采用PID控制算法或其它算法,調節盤管的三通調節閥,以使室內溫度與設定溫度。

        (4)過濾網報警控制。風機啟動后,過濾網前后將形成個壓差。若過濾器干凈,則壓差將小于設定值,接觸器斷開,反之,則壓差變大,接觸器閉合,控制器將根據接觸器的干接點情況發出過濾器報警信號。

        (5)安全和消防控制。只有在風機啟動,空氣流量開關探測到風壓后,溫度控制程序才會工作。新風機組與消防系統采取連鎖控制,當有報警信號時,應停運風機,并關閉新風閥門。

 

4 結束語

        本文設計了種空調節能控制器,該控制器以STM32單片機作為核心,硬、軟件分配合理,結合PID控制,達到了良好的控制、節能效果。

 

  文章來源于:《電工技術》2012年7期。

參考文獻

        [1] 華東建筑設計院.智能建筑設計技術[M].上海:同濟大學出版社,2002

        [2] 荊由印,高月芬,鄭國忠.暖通空調設計及系統分析[M].北京:中國電力出版社,2010

        [3] 劉金琨.PID控制MATLAB仿真[M].北京:電子工業出版社,2011

        [4] 王永虹,徐煒,郝立平.STM32系列 ARM-Cortex-M3微處理器原理與實際[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008

 

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