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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，并提出一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。基于中央空調系統的控制要求，在空調系統管理中充分發揮計算機技術的特點，可有效改善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。控制目標就使室內的溫、濕度維持在適宜水平，且盡量少耗能。空氣處理機組監控原理如圖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無法比擬的，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/停控制、連鎖保護控制、重要場所環境控制等。空氣處理機組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消除引線電阻誤差。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。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。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，因而難以用精確的數學模型來描述，用傳統的條件方式也難達到最佳的控制、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。控制器測試室內的濕度值，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。控制器根據其內部時鐘確定的設定溫度，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一致。
（4）過濾網報警控制。風機啟動后，過濾網前后將形成一個壓差。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
本文設計了一種空調節能控制器，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。
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