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                基于現場總線的模塊式中央空調控制系統

                作者:admin     時間:2017-11-18

                 1、引言

                近年來,空調控制技術的不斷發展,微處理器,新制冷技術,以及新材料的應用,研發出了多種多功能,高效率,智能化的空調系統。模塊式空調系統在這樣的情況下被研發了出來,并逐漸得到了廣泛應用。

                本文在模塊式中央空調使用PLC控制的基礎上,引入了現場總線技術,使用美國RockwellAutomation公司的設備網(DeviceNet)網絡來連接現場設備。DeviceNet是一種低成本的通信連接,它將工業設備連接到網絡,從而免去了昂貴的硬接線。DeviceNet又是一種簡單的網絡解決方案,在提供多供貨商同類部件間的可互換性的同時,減少了配線和安裝工業自動化設備的成本和時間。DeviceNet的直接互連性不僅改善了設備間的通信,而且同時提供了相當重要的設備級診斷功能,這是通過硬接線I/O接口很難實現的。

                DeviceNet是一個開放式網絡標準,規范和協議都是開放的,廠商將設備連接到系統時,無需購買硬件,軟件或許可權。

                2、中央空調系統概述

                一般中央空調系統分為冷卻水系統(包括冷卻塔,冷卻泵),制冷設備(包括冷水機組和冷凍水泵),傳感器系統, 冷凍水系統,各類管道。在冷水機組中,主要由壓縮機,冷凝機和蒸發機三個設備構成。

                首先冷卻塔風機啟動,然后冷卻水泵啟動,接著啟動冷卻水泵,最后啟動冷水機組,將制冷劑壓縮成液體,進入冷凝器轉變成為液體,散發出熱量,通過冷卻水對冷水機組降溫,液態制冷劑進入蒸發機后吸收熱量變成氣態又返回到壓縮機中,同時將冷凍水的熱量吸收走;完成了對冷凍水的降溫,然后通過冷凍水泵進入冷風機盤管吸收空氣中的熱量,達到降低室內溫度的目的。

                啟動后,各個設備按照順序依次啟動,在回水端設有溫度傳感器檢測溫度,以判斷室內的溫度是否達到了設定的要求,然后可通過變頻器控制冷凍水泵電機的速度,決定是加快冷凍水的流動還是減慢它的流動;當停止系統時,仍然需要按順序依次停止設備。下面對中央空調系統的設計作一詳細敘述。

                3、中央空調系統設計

                3.1控制系統結構及工作原理

                目前控制系統常采用模塊化設計,采用模塊化的控制系統,其控制模塊可以自由組合,適應不同的工作條件,以滿足不同的系統運行要求。本空調控制系統就是采用模塊化設計(以制冷機為例),該控制系統的功能是將溫度,濕度等空氣條件穩定在一定范圍內,采用模塊化控制,能調節大范圍內的溫度變化,快速達到設定的目標值。模塊式空調控制系統的總體工作原理框圖如圖1所示。

                圖1 模塊式空調控制系統的總體工作原理圖

                接通電源后,通過按下控制面板上的啟動按鈕,整個系統開始工作,冷卻水模塊,冷凍水模塊,以及制冷模塊按照設定順序依次啟動,控制器模塊按照輸入的設定值控制制冷模塊的工作情況,同時反饋模塊將采集的數據輸入到控制器模塊中,在控制器模塊中將該值與設定值進行比較運算后,輸出對應的控制命令,增加或減少制冷模塊的組數或者改變制冷模塊的工作狀態。

                模塊式空調控制系統的工作結構如圖2所示,這個系統含有兩組制冷系統,兩個冷卻水系統,兩個冷凍水系統,以及兩套傳感器系統。若系統啟動后,一組制冷系統先以變頻方式工作,若滿足設定值,則另外一組制冷系統就作為備份系統;當第一組制冷系統在工頻狀態下仍無法滿足控制要求,則變化啟動第二組制冷系統;若無法達到控制要求,就逐漸增加頻率直至兩組制冷系統全部運行在工頻情況下(假定兩組制冷系統全部工頻運行時可以滿足控制工程過程的極限條件)。

                圖2模塊式空調控制系統的工作結構圖

                3.2、系統的硬件配置和組網

                本系統采用Rockwell Automation公司Logix5000系列的ControlLogix控制器,同時配有遠程I/O模塊Flex I/O,變頻器使用的PowerFlex 400,溫度傳感器用來采集回水和冷卻水溫度,人機界面選擇PanelView Plus 700操作員終端,所有按鍵和功能可以在出廠時定制。

                系統包括工業以太網(EtherNet/IP)和設備網(DeviceNet)的兩層網絡結構(如圖3)。

                上位機,Controllogix控制器(配有1759-ENBT模塊),Flex 適配器和I/O連接在以太網上。這樣做的好處是可以在不同的房間配置多臺計算機來監控整個系統。

                EtherNeT和DeviceNet之間通過1788-EN2DN模塊來傳輸數據。

                DeviceNet網絡采用通用工業協議(CIP)。為工業設備提供控制,組態以及數據采集功能。在本系統中,DeviceNet上掛載的設備包括變頻器,傳感器和操作員終端。

                圖3 系統網絡結構

                4、控制系統的軟件設計 

                組態軟件使用Rockwell Automation公司的產品RSView32來編寫上位機監控界面,RSNetWorx for DeviceNet可以很方便地的DeviceNet網絡進行在線配置。RSLogix5000編程軟件編寫程序。

                根據模塊式空調的控制要求,控制過程分為手動控制模式和自動控制模式。

                4.1、手動控制模式是指用戶根據自身的要求,分別啟動和停止各個模塊;冷卻水系統,冷凍水系統,變頻調速模塊,制冷系統等幾個系統。  

                4.1.1, 冷卻水系統的工作過程包括以下幾個方面。

                1)按下冷卻風機啟動按鈕,系統上電,風機啟動。

                2)然后按下冷卻泵啟動按鈕,水泵開始工作。

                3)然后通過按下冷卻風機的加/減速按鈕,可以控制風機的轉速。

                4)按下停止按鈕,系統停止工作。

                4.1.2,冷凍水系統的工作過程包括以下幾個方面。

                1)按下冷凍水泵啟動按鈕,系統上電,水泵工作。

                2)然后通過按下冷凍水泵的加/減速按鈕,可以控制水泵的轉速。

                3)按下停止按鈕,系統停止工作。

                4.1.3,在空調運行過程中,需要根據溫度變化的情況來控制冷卻風機和冷凍水泵的工作狀態,所以使用變頻器控制這兩個設備的運行。其工作過程包括以下幾個方面。

                1)啟動冷卻風機或冷凍水泵使變頻器開始工作,輸送一個啟動頻率給控制設備。

                2)根據控制面板上按鈕的控制,增加或減少輸出的頻率值。

                3)急停按鈕按下后,變頻器的頻率值復位,即輸出為0。

                4.1.4,制冷系統是空調系統的核心部分,主要是對制冷設備的啟動過程,由于對冷卻水系統和冷凍水系統進行了自適應控制,實現了保持室內空氣條件穩定的功能,因此這個部分的控制過程比較簡單,工作過程主要包括以下兩個方面。

                1)按下制冷機組啟動按鈕,制冷機組開始工作。

                2)急停按鈕被按下后,制冷機組停止工作。

                4.2、自動控制模式原理類似于手動控制模式,在此不再贅述。

                4.3控制算法設計

                本系統采用模糊控制的算法來控制變頻器,從而達到調節室溫的目的。模糊控制器的輸出為增量式輸出,二維模糊控制系統的結構如圖4所示。

                圖4 二維模糊控制系統的結構圖

                r(t)為給定值,e(t)為偏差, e(t)為偏差變化率,輸出量為u.Ke和Kc是偏差和偏差變化率的量化因子,Ku是控制量的增益因子。

                1 輸入/輸出量的論域

                系統中偏差e(t)的基本論域為[-30 30],輸出量u的基本論域為[0,50]., 偏差變化率|e(t)|的最大值為12, 模糊\控制器的輸入論域選為[-6,6],輸出論域為[-6,6]。

                2 定義模糊集合及其隸屬函數表

                本文中的模糊控制器的語言變量的語言值選為7個,即:“正大”(PL),“正中”(PM),“正小”(PS),“零”(ZO),“負大”(NL),“負中”(NM),“負小”(NS)。

                偏差e(t)、偏差變化率e(t)及控制增量 的隸屬函數見表1。

                表1 輸入e(t), 和輸出e(t)的隸屬函數表

                3控制規則表

                根據實際操作經驗可得出控制規則,見表2。

                表2 模糊控制規則表

                將模糊控制規則表在論域[-6,6]上量化后,模糊控制規則表的形式見表3。

                表3 模糊控制規則表的量化形式

                4仿真

                利用Matlab 下的Simulink 工具搭建模糊控制系統模型圖。對于中央空調溫度控制系統是一個復雜的帶延遲系統,對象的精確模型很難建立,我們可以用一個帶遲延的一階慣性環節近似表示,對象設為e-5s/(10s+1),仿真控制方塊圖如圖5所示。

                圖5 仿真方框圖

                圖6 仿真曲線

                將上述模糊控制器應用于中央空調房間溫度控制系統中,實踐表明取得了良好的控制效果,室溫基本保持恒定。仿真曲線如圖6。

                5、結束語

                本文詳細的討論了對模塊式中央空調控制系統的改造,將現場總線技術引入其中。控制系統模塊采用了模糊控制的算法,克服了PID算法中調節時間過長,超調量大,控制精度差的缺點。改造后的系統能夠完全滿足系統控制的要求,且成本壓縮,故障率降低,容易維護,硬件設備的選擇更加靈活,可以根據工程的實際需求進行更加合理地配置。和傳統的PLC控制相比,現場總線顯然具有更多的優點。

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