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基于现场总线的模块式中央空调控制系统

发布者::admin   发布时间: :2012-03-29 浏览次数: :

 1、引言

近年来,空调控制技术的不断发展,微处理器,新制冷技术,以及新材料的应用,研发出了多种多功能,高效率,智能化的空调系统。模块式空调系统在这样的情况下被研发了出来,并逐渐得到了广泛应用。

本文在模块式中央空调使用PLC控制的基础上,引入了现场总线技术,使用美国RockwellAutomation公司的设备网(DeviceNet)网络来连接现场设备。DeviceNet是一种低成本的通信连接,它将工业设备连接到网络,从而免去了昂贵的硬接线。DeviceNet又是一种简单的网络解决方案,在提供多供货商同类部件间的可互换性的同时,减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时间。DeviceNet的直接互连性不仅改善了设备间的通信,而且同时提供了相当重要的设备级诊断功能,这是通过硬接线I/O接口很难实现的。

DeviceNet是一个开放式网络标准,规范和协议都是开放的,厂商将设备连接到系统时,无需购买硬件,软件或许可权。

2、中央空调系统概述

一般中央空调系统分为冷却水系统(包括冷却塔,冷却泵),制冷设备(包括冷水机组和冷冻水泵),传感器系统, 冷冻水系统,各类管道。在冷水机组中,主要由压缩机,冷凝机和蒸发机三个设备构成。

首先冷却塔风机启动,然后冷却水泵启动,接着启动冷却水泵,最后启动冷水机组,将制冷剂压缩成液体,进入冷凝器转变成为液体,散发出热量,通过冷却水对冷水机组降温,液态制冷剂进入蒸发机后吸收热量变成气态又返回到压缩机中,同时将冷冻水的热量吸收走;完成了对冷冻水的降温,然后通过冷冻水泵进入冷风机盘管吸收空气中的热量,达到降低室内温度的目的。

启动后,各个设备按照顺序依次启动,在回水端设有温度传感器检测温度,以判断室内的温度是否达到了设定的要求,然后可通过变频器控制冷冻水泵电机的速度,决定是加快冷冻水的流动还是减慢它的流动;当停止系统时,仍然需要按顺序依次停止设备。下面对中央空调系统的设计作一详细叙述。

3、中央空调系统设计

3.1控制系统结构及工作原理

目前控制系统常采用模块化设计,采用模块化的控制系统,其控制模块可以自由组合,适应不同的工作条件,以满足不同的系统运行要求。本空调控制系统就是采用模块化设计(以制冷机为例),该控制系统的功能是将温度,湿度等空气条件稳定在一定范围内,采用模块化控制,能调节大范围内的温度变化,快速达到设定的目标值。模块式空调控制系统的总体工作原理框图如图1所示。

图1 模块式空调控制系统的总体工作原理图

接通电源后,通过按下控制面板上的启动按钮,整个系统开始工作,冷却水模块,冷冻水模块,以及制冷模块按照设定顺序依次启动,控制器模块按照输入的设定值控制制冷模块的工作情况,同时反馈模块将采集的数据输入到控制器模块中,在控制器模块中将该值与设定值进行比较运算后,输出对应的控制命令,增加或减少制冷模块的组数或者改变制冷模块的工作状态。

模块式空调控制系统的工作结构如图2所示,这个系统含有两组制冷系统,两个冷却水系统,两个冷冻水系统,以及两套传感器系统。若系统启动后,一组制冷系统先以变频方式工作,若满足设定值,则另外一组制冷系统就作为备份系统;当第一组制冷系统在工频状态下仍无法满足控制要求,则变化启动第二组制冷系统;若无法达到控制要求,就逐渐增加频率直至两组制冷系统全部运行在工频情况下(假定两组制冷系统全部工频运行时可以满足控制工程过程的极限条件)。

图2模块式空调控制系统的工作结构图

3.2、系统的硬件配置和组网

本系统采用Rockwell Automation公司Logix5000系列的ControlLogix控制器,同时配有远程I/O模块Flex I/O,变频器使用的PowerFlex 400,温度传感器用来采集回水和冷却水温度,人机界面选择PanelView Plus 700操作员终端,所有按键和功能可以在出厂时定制。

系统包括工业以太网(EtherNet/IP)和设备网(DeviceNet)的两层网络结构(如图3)。

上位机,Controllogix控制器(配有1759-ENBT模块),Flex 适配器和I/O连接在以太网上。这样做的好处是可以在不同的房间配置多台计算机来监控整个系统。

EtherNeT和DeviceNet之间通过1788-EN2DN模块来传输数据。

DeviceNet网络采用通用工业协议(CIP)。为工业设备提供控制,组态以及数据采集功能。在本系统中,DeviceNet上挂载的设备包括变频器,传感器和操作员终端。

图3 系统网络结构

4、控制系统的软件设计 

组态软件使用Rockwell Automation公司的产品RSView32来编写上位机监控界面,RSNetWorx for DeviceNet可以很方便地的DeviceNet网络进行在线配置。RSLogix5000编程软件编写程序。

根据模块式空调的控制要求,控制过程分为手动控制模式和自动控制模式。

4.1、手动控制模式是指用户根据自身的要求,分别启动和停止各个模块;冷却水系统,冷冻水系统,变频调速模块,制冷系统等几个系统。  

4.1.1, 冷却水系统的工作过程包括以下几个方面。

1)按下冷却风机启动按钮,系统上电,风机启动。

2)然后按下冷却泵启动按钮,水泵开始工作。

3)然后通过按下冷却风机的加/减速按钮,可以控制风机的转速。

4)按下停止按钮,系统停止工作。

4.1.2,冷冻水系统的工作过程包括以下几个方面。

1)按下冷冻水泵启动按钮,系统上电,水泵工作。

2)然后通过按下冷冻水泵的加/减速按钮,可以控制水泵的转速。

3)按下停止按钮,系统停止工作。

4.1.3,在空调运行过程中,需要根据温度变化的情况来控制冷却风机和冷冻水泵的工作状态,所以使用变频器控制这两个设备的运行。其工作过程包括以下几个方面。

1)启动冷却风机或冷冻水泵使变频器开始工作,输送一个启动频率给控制设备。

2)根据控制面板上按钮的控制,增加或减少输出的频率值。

3)急停按钮按下后,变频器的频率值复位,即输出为0。

4.1.4,制冷系统是空调系统的核心部分,主要是对制冷设备的启动过程,由于对冷却水系统和冷冻水系统进行了自适应控制,实现了保持室内空气条件稳定的功能,因此这个部分的控制过程比较简单,工作过程主要包括以下两个方面。

1)按下制冷机组启动按钮,制冷机组开始工作。

2)急停按钮被按下后,制冷机组停止工作。

4.2、自动控制模式原理类似于手动控制模式,在此不再赘述。

4.3控制算法设计

本系统采用模糊控制的算法来控制变频器,从而达到调节室温的目的。模糊控制器的输出为增量式输出,二维模糊控制系统的结构如图4所示。

图4 二维模糊控制系统的结构图

r(t)为给定值,e(t)为偏差, e(t)为偏差变化率,输出量为u.Ke和Kc是偏差和偏差变化率的量化因子,Ku是控制量的增益因子。

1 输入/输出量的论域

系统中偏差e(t)的基本论域为[-30 30],输出量u的基本论域为[0,50]., 偏差变化率|e(t)|的最大值为12, 模糊\控制器的输入论域选为[-6,6],输出论域为[-6,6]。

2 定义模糊集合及其隶属函数表

本文中的模糊控制器的语言变量的语言值选为7个,即:“正大”(PL),“正中”(PM),“正小”(PS),“零”(ZO),“负大”(NL),“负中”(NM),“负小”(NS)。

偏差e(t)、偏差变化率e(t)及控制增量 的隶属函数见表1。

表1 输入e(t), 和输出e(t)的隶属函数表

3控制规则表

根据实际操作经验可得出控制规则,见表2。

表2 模糊控制规则表

将模糊控制规则表在论域[-6,6]上量化后,模糊控制规则表的形式见表3。

表3 模糊控制规则表的量化形式

4仿真

利用Matlab 下的Simulink 工具搭建模糊控制系统模型图。对于中央空调温度控制系统是一个复杂的带延迟系统,对象的精确模型很难建立,我们可以用一个带迟延的一阶惯性环节近似表示,对象设为e-5s/(10s+1),仿真控制方块图如图5所示。

图5 仿真方框图

图6 仿真曲线

将上述模糊控制器应用于中央空调房间温度控制系统中,实践表明取得了良好的控制效果,室温基本保持恒定。仿真曲线如图6。

5、结束语

本文详细的讨论了对模块式中央空调控制系统的改造,将现场总线技术引入其中。控制系统模块采用了模糊控制的算法,克服了PID算法中调节时间过长,超调量大,控制精度差的缺点。改造后的系统能够完全满足系统控制的要求,且成本压缩,故障率降低,容易维护,硬件设备的选择更加灵活,可以根据工程的实际需求进行更加合理地配置。和传统的PLC控制相比,现场总线显然具有更多的优点。