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1  引言

    近年來，隨著高層賓館、寫字樓、高級住宅和大型商場的紛紛崛起，中央空調(diào)系統(tǒng)變得相當(dāng)普及。調(diào)查顯示，多數(shù)建筑物空調(diào)系統(tǒng)在50%負(fù)荷以外運(yùn)行時(shí)間超過70%，在傳統(tǒng)的一次泵系統(tǒng)，其冷凍和冷卻水泵是定流量運(yùn)行的，這導(dǎo)致在低負(fù)荷下水系統(tǒng)是在大流量低溫差下運(yùn)行的，造成了很大的浪費(fèi)。因此我們采用基于CAN總線的循環(huán)水系統(tǒng)變流量控制方式，可以根據(jù)水系統(tǒng)的壓力和溫度調(diào)節(jié)循環(huán)水的流量，具有節(jié)能、可靠性和控制效率高等優(yōu)點(diǎn)。

2  中央空調(diào)水系統(tǒng)構(gòu)成及原理
    
    空調(diào)水系統(tǒng)主要是由制冷機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔等組成的一個(gè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作原理是制冷劑在制冷機(jī)組的蒸發(fā)器中汽化吸收冷凍水的熱量，從而使載冷劑—冷凍水的溫度降低，然后，在蒸發(fā)器內(nèi)被汽化的制冷劑經(jīng)制冷機(jī)組的壓縮機(jī)時(shí)被壓縮成高壓高溫的氣體，當(dāng)高溫高壓的制冷劑流經(jīng)冷凝器時(shí)被來自冷卻塔的冷卻水冷卻變成低溫高壓的氣體，低溫高壓的制冷劑通過膨脹閥后重新變成了低溫低壓的液體，而后再在蒸發(fā)器內(nèi)氣化，完成一次循環(huán)。通過不斷的循環(huán)，載冷劑不斷地輸送冷量到空氣處理單元，同時(shí)，制冷機(jī)組產(chǎn)生的熱量不斷的被冷卻水所帶走，在流經(jīng)冷卻塔時(shí)散發(fā)到空氣中。

3  控制系統(tǒng)的控制策略

    在傳統(tǒng)的循環(huán)水系統(tǒng)中，其冷凍和冷卻水泵是定流量運(yùn)行的，此時(shí)全年絕大部分運(yùn)行時(shí)間溫差僅為1～3℃，即在溫差低、流量大的情況下工作，增加了管路系統(tǒng)的能量損失，浪費(fèi)了水泵運(yùn)行的輸送能量。因此決定冷凍水采用溫差控制，設(shè)計(jì)溫差提高為5～7℃，冷卻水采用溫度控制，設(shè)計(jì)溫度為37℃左右。同時(shí)，在根據(jù)溫度和溫差對水泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，必須要保證空調(diào)機(jī)組正常運(yùn)行所需要的最小壓力，如循環(huán)水壓力小于此壓力，機(jī)組將自動關(guān)閉，停止運(yùn)行。

    系統(tǒng)中給定量有冷凍水設(shè)定溫差，冷卻水設(shè)定溫度，反饋量有冷凍水進(jìn)出水溫度，冷卻水出水溫度，冷凍水進(jìn)水壓力，冷卻水進(jìn)水壓力。

    4  控制系統(tǒng)的整體構(gòu)成

    中央空調(diào)水系統(tǒng)控制系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1中央空調(diào)水系統(tǒng)控制系統(tǒng)的總體框圖

    該控制系統(tǒng)的上位機(jī)即主控計(jì)算機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，它的主要功能是接收下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)，根據(jù)所接收到的信息經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化后給出最佳的控制量，通過CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到各個(gè)下位機(jī)，并實(shí)時(shí)顯示各個(gè)下位機(jī)的狀態(tài)和循環(huán)水的溫度等信息。各下位機(jī)，采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51單片機(jī)作為微處理器，主要負(fù)責(zé)本水泵內(nèi)信號的采集并上傳到上位機(jī)、接收上位機(jī)的數(shù)據(jù)控制本水泵的運(yùn)行。上位機(jī)通過插在PC總線擴(kuò)展槽內(nèi)的智能CAN總線通信適配卡連接CAN總線，并通過CAN總線與各單元控制器相連接。單元控制器也可以脫離上位機(jī)，直接進(jìn)行現(xiàn)場手動控制。信號采集板也是一個(gè)下位機(jī)，它主要負(fù)責(zé)采集循環(huán)水系統(tǒng)的信息，包括溫度和壓力值，上傳給上位機(jī)，并接收上位機(jī)下傳的信息。電源板采用開關(guān)電源，主要是給信號采集板和溫度、壓力傳感器供電。

    傳感器有壓力和溫度傳感器，主要負(fù)責(zé)測量循環(huán)水系統(tǒng)的溫度和壓力。

    系統(tǒng)工作過程為：上位機(jī)通過將下位機(jī)上傳的實(shí)際信息與工作人員在控制計(jì)算機(jī)上設(shè)定的控制量相比較，并綜合信號采集板上傳的其它實(shí)際信息，講過優(yōu)化處理后，得到最佳的控制量，通過CAN網(wǎng)絡(luò)，下傳給各個(gè)下位機(jī)，下位機(jī)接收到這些指令后，對自身的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到最佳的節(jié)能效果。同時(shí)，若脫離上位機(jī)，工作人員可直接對各個(gè)水泵的運(yùn)行進(jìn)行控制。

5  控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)硬件主要包括智能CAN總線通信適配卡、下位機(jī)水泵控制器節(jié)點(diǎn)、下位機(jī)信號采集板節(jié)點(diǎn)，電源板和傳感器。

    a 下位機(jī)水泵控制器硬件設(shè)計(jì)

    CAN總線通信適配卡提供了上位機(jī)和CAN總線的連接。下位機(jī)水泵控制器節(jié)點(diǎn)的核心部分是89C51單片機(jī)。
就地給定部分分為三部分：水泵啟停開關(guān)；遠(yuǎn)程就地開關(guān)（遠(yuǎn)程：通過上位機(jī)控制。就地：就地直接對水泵控制）；轉(zhuǎn)速給定旋鈕。

    CAN通信包括控制器和收發(fā)器，其中控制器采用SJA 1000，負(fù)責(zé)接收來自CAN總線的數(shù)據(jù)以及通過CAN總線向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。收發(fā)器82C250負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交換和通訊處理。

    D/A轉(zhuǎn)換，采用低功耗12位串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器MAX539，做為水泵控制器的轉(zhuǎn)速給定，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。
顯示部分采用4個(gè)LED顯示管，主要顯示水泵的實(shí)際轉(zhuǎn)速，同時(shí)有一個(gè)發(fā)光二極管顯示網(wǎng)絡(luò)通信的狀態(tài)，閃亮為通信正常，反之則表示網(wǎng)絡(luò)通信不正常。

    b 下位機(jī)采集板硬件設(shè)計(jì)

    下位機(jī)采集板節(jié)點(diǎn)的核心部分是89C51單片機(jī)，結(jié)構(gòu)圖如下。

    信號調(diào)理電路主要是對采集到的模擬信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，有采樣電阻、信號濾波和信號放大三部分，主要由運(yùn)算放大器組成。

    A/D轉(zhuǎn)換考慮到系統(tǒng)需要不同的模數(shù)轉(zhuǎn)換精度，所以采用了兩個(gè)轉(zhuǎn)換芯片，一個(gè)采用12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC2543，11路模擬輸入。另一個(gè)采用8位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC0834，4路模擬輸入。

    CAN通信部分和下位機(jī)水泵控制器的CAN通信部分一樣。采用SJA1000和82C250。

    考慮到實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)候要改造原有的循環(huán)水系統(tǒng)，為了達(dá)到最佳的節(jié)能效果，不會更換所有的原有電機(jī)，此時(shí)為了通過主控計(jì)算機(jī)對未更換的電機(jī)進(jìn)行啟停的控制，需要加入繼電器，以達(dá)到對未更換電機(jī)的啟停控制，MC1413主要是用來驅(qū)動繼電器。繼電器一般選用12V的  

    c 電源板硬件設(shè)計(jì)

    電源板設(shè)計(jì)功率為60W,有4路輸出，分別為+15V、–15V、+5V和+24V。其中+15V、–15V、+5V給信號采集板供電，+24V給傳感器供電。+15V、–15V和+24V采用7815、7915和7824進(jìn)行穩(wěn)壓。+5V作為電壓反饋，控制電路根據(jù)此電壓的變化調(diào)節(jié)開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，以穩(wěn)定輸出電壓。

    輸入為交流220V,經(jīng)過不可控整流電路變?yōu)?10V直流，做為變壓器的輸入直流電壓，變壓器采用E型鐵氧體材料。
開關(guān)管采用MOS管6N110，額定電壓為1100V。

    電流反饋為檢測變壓器原邊電流，當(dāng)電流超過1A時(shí)，開關(guān)管關(guān)斷。

    控制電路采用芯片UC3842，開關(guān)頻率為27KHz,雙環(huán)控制，外環(huán)為電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。

    d 傳感器選擇
   
    傳感器有壓力傳感器和溫度傳感器，均為兩線制，供電電壓24V,輸出4－20mA。其中溫度傳感器需要定做，不同的安裝管道管徑需要不同長度的傳感器。同時(shí)不同的管道壁厚需要傳感器的安裝螺紋長度也不同。此處采用的傳感器長度為100mm,安裝螺紋長2cm。量程為0－100攝氏度。壓力傳感器的型號為H500PT，量程為0－1Mpa。

6  控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 

    下位機(jī)節(jié)點(diǎn)控制軟件采用8051匯編語言編程，固化于89C51的EEPROM中，主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、I/O接口控制、數(shù)字顯示控制等功能。

    上位機(jī)管理軟件是在windawsXP操作平臺上，利用Visual Basic6.0開發(fā)的，包括記錄查詢、記錄打印、密碼管理、水泵切換、系統(tǒng)啟停、溫度和溫差設(shè)定等模塊，具有界面友好、顯示直觀、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)主頁面為中央空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)的工藝流程圖，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，各個(gè)水泵的電流會實(shí)時(shí)的在主頁面上顯示。同時(shí)，工作人員可以隨時(shí)的查詢系統(tǒng)運(yùn)行記錄，記錄包括有日、月、季度、年記錄，并且工作人員的每次操作都被記錄下來，工作人員可以查詢到水泵在具體時(shí)間的運(yùn)行電流等信息和系統(tǒng)的操作記錄，同時(shí)這些記錄都可以進(jìn)行打印。 用戶可以更改自己的密碼，同時(shí)管理員可以根據(jù)實(shí)際要求刪除和添加用戶。工作人員可以根據(jù)實(shí)際水泵的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行水泵的切換，使在整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行中，各個(gè)水泵可以工作同樣的時(shí)間，延長水泵的使用壽命。工作人員還可以根據(jù)實(shí)際情況，改變溫度和溫差值，既而改變循環(huán)水系統(tǒng)的流量。

    在整個(gè)軟件系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)會實(shí)時(shí)的檢測接收到的壓力值，以保證中央空調(diào)機(jī)組的正常運(yùn)行，同時(shí)會以很小的時(shí)間間隔保存接收到的下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)，并且以一定的時(shí)間間隔對比實(shí)際溫度和用戶設(shè)定的溫度，對水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。

    下圖為冷卻水設(shè)定溫度低于實(shí)際溫度控制的程序流程圖。

    其中冷卻水有循環(huán)泵3臺，兩臺為更換的可調(diào)速電機(jī)，分別記為1＃和2＃，一臺為未更換不可調(diào)速電機(jī)，記為工頻機(jī)。正常運(yùn)行時(shí)3臺泵為兩用一備。
 
7  試驗(yàn)結(jié)果
   
    以采暖水的三臺15KW水泵為例，未進(jìn)行改造前，工作狀況為兩用一備，均不可調(diào)速，額定轉(zhuǎn)速為2950r/min。改造后，工作狀況為一臺不可調(diào)速水泵和一臺可調(diào)速水泵同時(shí)工作，此時(shí)可測得不可調(diào)速水泵的工作電流為22.6A。可調(diào)速水泵的轉(zhuǎn)速為2400 r/min時(shí)，即可滿足中央空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行要求。

    從流體力學(xué)原理可知：流量q與電機(jī)轉(zhuǎn)速n成正比，壓力（揚(yáng)程）Pa與電機(jī)轉(zhuǎn)速n的二次方成正比，而軸功率p與轉(zhuǎn)速n的三次方成正比。當(dāng)轉(zhuǎn)速降到2400r/min時(shí)，實(shí)際功率P=( 2400/2950)3×100%＝54%,即實(shí)際功率僅為額定功率的54％，節(jié)電46％。此時(shí)實(shí)測調(diào)速水泵的工作電流為11A，實(shí)際節(jié)電率為51％，節(jié)電效果很明顯。如果加上CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行整體的優(yōu)化控制，節(jié)電效果會更為明顯。

8  結(jié)論

    本系統(tǒng)既可以利用上位機(jī)通過CAN網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，也可以直接進(jìn)行就地控制。系統(tǒng)還具有較好的擴(kuò)展余地，可根據(jù)應(yīng)用要求進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展。但是對循環(huán)水流量進(jìn)行控制時(shí)，會使中央空調(diào)機(jī)組制冷機(jī)的制冷效率（COP）下降，這兩者之間的最佳搭配還需要進(jìn)一步的研究。
   
    該系統(tǒng)經(jīng)使用證明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，工作可靠，性價(jià)比高，具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值與廣闊的前景。

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