（检测技术与自动化装置专业论文）基于lonworks技术的地温空调控制器.pdf

北方工业大学硕士学位论文 摘要 地温空调技术中如何控制压缩机和水泵的能耗是自动控制领域研究的热点问题，控 制器设计的好坏对空调机组运行的经济性起着至关重要的作用。传统的地温空调控制器 大部分是单机控制器，而基于现场总线技术的控制器不仅可以实现控制的网络化，分散 化，增强系统的稳定性，使操作、维护更为方便、简单，而且有利于地温空调技术在多 机或大规模应用时的联机通信，向更加智能化的方向发展。本文根据l o n w o r k s 技术特 点和实验室条件以及其在多机、大面积群控领域、通讯等方面的优势，选择了l o n w o r k s 现场总线技术作为地温空调控制器网络化的基础。 本文分析了目前国内外地温空调控制器技术的发展概况，讨论了其中还待解决和改 进的问题，在此基础上给出了基于l o n w o r k s 技术，且采用单一n e u r o n c h i p ( 神经元芯 片) 控制模块的地温空调控制器解决方案，并完成了其硬件和软件设计。与传统的基于 l o n w o r k s 技术的控制系统相比，此方案没有采用另外的控制芯片，如单片机等，专门 负责对设备的控制工作，而是在巧妙的硬件设计基础之上充分发挥了n e u r o nc h i p 的性 能，使其能够胜任通讯和控制的双重职责。因此本论文提出的方案具有较强的实用价值， 本控制器的研发为实现地温空调的大规模群控应用打下了坚实的基础。 关键词：地温空调，现场总线，l o n w o r k s ，神经元芯片 北方工业大学硕士学位论文 t h ee n e r g yc o n s u m p t i o nc o n t r o lo f p u m p sa n dc o m p r e s s o r so f g e o t h e r m a la cs y s t e mi s t h eh o t s p o ti s s u ei nt h ed o m a i no f a u t o m a t i o nc o n t r 0 1 t h et r a d i t i o n a lg e o t h e r m a la c s y s t e m sc o n t r o l l e ri ss l a n d - a l o n gc o n t r o l l e r t h en e w c o n t r o l l e rw h i c hi sb a s eo nf i e l d b u s t e c h n o l o g yi sh e l p f u lf o rc o m p o s i n gac o n t r o l l e rn e t ，w h i c hg a d _ m a k et h em u l t i p l eg e o t h e r m a l a cs y s t e m sr o b u s ta n de a s yt ou s ea n dm a i n t a i n m o r e o v e r , t h en e wc o n t r o l l e ri sr e q u i r e df o r o n l i n ec o m m u n i c a t i o na m o n gg e o t h e r m a la cs y s t e m sw h e ni nm u l t i p l eo rm a s su s ei nt h e f u t u r e ，a n drw i l lm a k et h es y s t e mm o r ei n t e l l i g e n t a c c o r d i n gt ol o n w o r k s o w nf e a t u r e ， e s p e c i a l l yi t sa d v a n t a g e si nc o m m u n i c a t i o no f m u l t i p l es y s t e ma n dg r o u pc o n t r o l ，a n dc u r r e n t c o n d i t i o no f n c u t sf a t l a b ，w ec h o s el o n w o r k st e c h n o l o g y a c c o r d i n gt h ep r o p h a s e i n v e s t i g a t i o n ，t h er e s e a r c ho fa p p l y i n gl o n w o r k st e c hi ng e o t h e r m a la cs y s t e mi sa ti n i t i a l s t a g e t h et e c h n o l o g yo f g e o t h e r m a la cs y s t e m sc o n t r o l l e ri sa n a l y z e dh o m ea n da b r o a d ，t h e p r o b l e m st h a tn e e dt ob es o l v e do ri m p r o v e da r ed i s c u s s e d t h e nt h ea u t h o rg a v eo n es o l u t i o n o f g c o t h e m m la cs y s t e m sc o n t r o l l e rb a s e do nl o n w o r k st e c ha n di nw h i c ho n l yu s es i n g l e n e m o nc h i pc o n t r o lm o d u l e t h ea u t o ra c c o m p l i s h e dt h ed e s i g ni nb o t hh a r d w a r ea n d s o f l w a r el e v e l c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ls y s t e m sb a s c do nl o n w o r k st e c h t h i ss o l u t i o ni s u n i q u eb e c a u s et h e r e sn oo t h e rm c u i sa d o p tt oc o n t r o lt h ep e r i p h e r a ld e v i c e ss p e c i a l l y , b u t u t i l i z e st h es a i n en e u r o nc h i pt ot a k eo nt h et a s ko f c o n t r o la n dc o m m u n i c a t i o nt h r o u g h a b o r a f i v eh a r d w a r ed e s i g n i n g s ot h i ss o l u t i o ni sp r a c t i c a la n dv a l u a b l e ，a n ds u c c e s s f u l d e v e l o p m e n to f t h i sc o n t r o l l e rl a i dt h eg r o u n d w o r kf o rt h cm a s su s ea n dg r o u pc o n t r o lo f g e o t h e r m a la cs y s t e m 。 k e yw o r d s ：g e o t h e r m a la c ，f i e l db u s ，l o n w o r k s ，n e u r o nc h i p 玎 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得韭友王些盍堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：谢签字日期：沙6 年占月2 ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解韭左王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权韭友王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：1 再蟛 签字日期：聊年f 月1 一日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：北京万集科技有限责任公司 电话：0 1 0 - 5 1 6 5 5 0 1 2 通讯地址：北京海淀上地东路1 号盈创动力e 6 0 1 邮编：1 0 0 0 8 5 哎 磊 雠 一 翮 签 北方工业大学硕士学位论文 1 1 课题来源与意义 第一章引言 随着社会的发展、科技的进步和广大人民生活质量的提高，传统的采用燃料或电能 供热、电制冷机制冷的方式显现出很多不足之处，如污染环境、消耗大量能源、运行费 用过高等。地温空调是采用地下水源热泵，利用地下水的相对恒定的温度来实现冬季供 暖、夏季制冷的一项节能技术，是国际上积极推广使用的环保节能技术之一。作为地温 空调冷热源的地下水是埋藏于地下3 0 米的滞水层的非饮用水，其水温具有恒定性，一 般在5 2 0 ，北京地区一般在t 5 = ( 2 左右“2 。在冬季，通过热泵机组提取热量供给室内 采暖，在夏季则把室内的热量取出来回放到地下去。采用地温空调需要在建筑物周围开 挖多口既能抽取又能回灌的深井，供水井的水通过上水泵进入机组提取能量后灌入回水 井构成水的循环，水量不会损失，不会引起地层沉降。有关实验数据表明，水源热泵的 能效比一般可达到1 ：4 左右，即消耗l k w 的电能( 或其它能量) 可以得到( 或吸收) 4 k w 的热量。经核算，尽管地温空调的工程旌工费用较大，但其运行费用大大低于燃煤取暖 费用，还低于燃气、燃油、电锅炉，更低于电空调机。地温空调既可以供热又可以制冷， 管理简单方便，节省费用，还具有环保节能的突出优点。在北京2 0 0 8 奥运会来临之际， 为了实现绿色奥运的目标，地温空调这种环保节能的供热制冷方式也将成为奥运场馆供 热、制冷的首选方式之一。 l o n w o r k s 是美国e c h e l o n 公司于1 9 9 0 年推出并与m o t o r o l a 、t o s h i b a 公司共同倡导 的一种现场总线技术。它采用了i s o o s i 模型的全部七层通信协议和面向对象事件驱动 的设计方法，配合不同类型的收发器可以支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、 电力线等多种通信介质，通信速率从3 0 0 b p s 至1 5 m b p s 不等，直接通信距离与通信速 率和传输介质有关，在7 8 k p s 的速率下采用屏蔽双绞线传输，最长距离可达2 7 0 0 米。 近几年来，l o n w o r k s 在诸多领域被广泛应用，特别是现代楼宇控制、智能家居中具有 突出的地位和优势。 本课题源于北京市教委基金项目。在此项目之前，我校已研制出以单片机为核心的 第一代单机控制器和空调系统，并在北京，河北，山东，东北等多个地区推广，收到了 良好的社会效益和经济效益。然而随着地温空调技术的广泛应用，群控技术有利于更好 地控制地温空调系统的能耗，所以空调机组群控的需求日益增长，而单机控制器不适合 北方工业大学硕士学位论文 于群控。同时，自动控制技术向网络化、分散化、智能化的趋势发展，单机控制器必将 被基于现场总线结构的控制器所取代，因此本课题具有十分重要的研究意义。 1 2 相关技术背景介绍 1 2 1 热泵空调技术简介 “热泵”这个名词最开始出现在2 0 世纪2 0 年代初。热泵就是像水泵把位置低的水 转移到位置高的地方使水的势能增加一样，它可以把不能直接利用的低品位能源( 如空 气、土壤、水中所含的热能，太阳能，工业废热等) 中的能量转换为可以利用的高位热 能，从而减少对高品位位能源( 如煤、燃气、油、电等) 的依赖，缓解能源紧张的压力。 所以从第一台热泵诞生到现在的8 0 多年间，该技术一直是科学家和工程师竟相研究的 课题之一卜1 0 1 。 图1 1 冬季供暖时热泵工作原理 图1 2 夏季制冷时热泵工作原理 热泵的工作原理是：在由蒸发器、冷凝器、压缩机及膨胀阀等几大部分组成的一个 封闭回路中存储一种安全、无毒、沸点较低的工质，冬季供暖情况下，工质( 汽、液混 合物) 流经蒸发器蛇形管时从周围的空气或水中吸收热量蒸发为低温气体，然后被抽入 压缩机，低温蒸汽在此受压而升温形成高温高压蒸汽，通过冷凝器时释放出大量热量来 供实际应用；经过冷凝后的蒸汽温度很快下降，变成液体，流经膨胀阀时由于压力突然 2 北方工业大学硕士学位论文 下降，温度进一步降低，恢复到原来低温低压的汽、液混合状态，进入蒸发器，如此不 断循环，如图1 1 。夏季制冷时工作流程正鲟与此相反，只要将冷凝器与蒸发器的作用 互换，工质的流向反转即可，如图1 2 。实际应用中用换向阀来改变工质的流向以及两 组换热器的功能，如图1 - 3 。 图1 3 制冷制热切换 按低位热源的不同种类，热泵可以分为以下几种类型： 空气源热泵：以空气作为低位热源，安装和使用都比较方便，成本低。缺点是气温 受季节影响波动较大，冬季室外热交换器容易结霜，且因为空气比热容小所以需要较大 的风机，这样带来的噪声较大。 水源热泵：用水作为低位热源，地表水、地下水、生活废水、工业污水都可以作为 热泵的低位热源。水的比热容大、传热性好，某些水源温度比较恒定，有利于热泵的稳 定工作。缺点是需要热泵设备附近有水源或者蓄水装置，而且需要根据水质来选择换热 器材质和结构，进行防腐处理，防止腐蚀，所以初期投资较多。 土壤源热泵：以地热作为低位热源，其突出优点是冬季气温最低时土壤温度并不是 最低，热泵的供热能力也不会降到最低，缺点是土壤传热性不好，地下埋管费用较高导 致初期投资较多。 太阳能热泵：太阳能是一种取之不尽用之不竭的洁净能源，以太阳能为低位热源的 热泵主要用来供热水，优点是集热器可采用与建筑物一体的结构，这样成本较低，效率 较高，缺点同样是受季节影响较大。 北方工业大学硕士学位论文 热泵热源的种类很多，不同的热源有不同的应用场合，在选择热源时要根据需求的 规模大小，投资费用，运行费用等因素综合分析、对比，选用最佳的热泵热源。 地温空调一般采用以地下水为低位热源的水源热泵。地温空调以其较强的工作稳定 性，较低的运行维护费用而受到普遍欢迎。地温空调的特点有： 清洁：只要不采用燃料压缩机，水源热泵没有燃烧过程，不会排放任何烟尘及有害 物质； 节水：水源热泵机组可以一机多用，与传统空调机组和锅炉供暖相比不需要冷却塔， 也没有烟囱； 经济节能：能源利用率为传统方式的三、四倍，就供暖成本来讲，燃煤锅炉比地温 空调低3 2 左右，但天然气锅炉比水源热泵要高6 8 左右，燃油锅炉比水源热泵高9 5 左右盼1 3 1 ： 用途广泛：办公楼、宾馆、医院、居民小区都能应用； 运行安全可靠：采用计算机技术控制的空调机组自动化程度高，无须专业人员操控， 维护简单。 地温空调系统是一种高效、节能、环保型产品，但不是在任何条件下都可以应用。 其制约条件是电源和水源p 6 1 。目前，我国电力供应较充足，容易解决。而水源则是主要 的限制条件，没有合适可靠的水源就不能使用水源热泵。例如有些工程规模大，制冷或 制热负荷大，所需水源水量很多，虽然工程场地有一定面积，也可以钻井，但因水资源 量不足，难以完全满足工程负荷需要；有些工程所在虽然有足够的地下水，但是由于该 工程地处繁华市区，场地面积狭小，无处布井取水，场地环境条件限制了地下水源热泵 系统的应用。 地下水的水量、水温、水质和供水稳定性是影响热泵系统运行效果的重要因素之一。 地下水源热泵系统对地下水的要求是：水量充足，水温适度，水质适宜，供水稳定。具 体来讲，地下水源的水量应当充足够用，能满足用户制热负荷或制冷负荷的需要【3 2 】。如 水量不足，机组的制热量和制冷量必将随之减少，达不到用户要求。地下水的水温应适 度，适合机组运行工况要求，例如某型号地温空调机组在制热工况下，地下水的水温应 为1 2 - 2 2 。c ；在制冷工况下，水源水温应为1 8 3 0 ( 2 。地下水的水质应适宜于空调机组 管道、阀门的材质，不至于产生严重的腐蚀损坏【3 3 1 。地下水供水保证率要高，供水功能 具有长期可靠性，能保证空调系统长期和稳定运行。 4 北方工业大学硕士学位论文 1 2 2 现场总线技术概述 现场总线是指计算机网络与生产过程专用网络，或工业控制网络与生产现场基层的 自动化测控设备之间传送信息的共同通路。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点 之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。现场总线技术自诞生至今，由于它在减少系 统线缆，简化系统安装、维护和管理，降低系统的投资和运行成本，增强系统性能等方 面的优越性，引起人们的广泛注意，得到大范围的推广，引起了自动控制领域的一场革 命。 1 9 8 4 年美国i n t e l 公司提出一种计算机分布式控制系统位总线( b i t b u s ) ，它 主要是将低速的面向过程的输入输出通道与高速的计算机多用总线( m u l t i b u s ) 分离， 这是现场总线的最初概念。之后，美国r o s e m o u n t 公司开发了一种可寻址的远程传感器 ( h a r t ) 通信协议。采用在4 2 0 m a 模拟量叠加了一种频率调制信号的方式，用双绞 线实现数字信号传输。h a r t 协议已经是现场总线的雏形。1 9 8 5 年由h o n e y w e l l 和b a i l e y 等大公司发起，成立了w o r l d f i p ( 世界工厂仪表协议组织) 制定了f i p 协议。1 9 8 7 年， 以s i e m e n s ，r o s e m o u n t ，横河等几家著名公司为首也成立了一个专门委员会互操作系统 协议( i s p ) 并制定了p r o f i b u s 协议。后来美国仪器仪表学会也制定了现场总线标准 i e c i s as p 5 0 。随着时间的推移，世界逐渐形成了两个针锋相对的互相竞争的现场总线 集团：一个是以s i e m e n s 、r o s e m o u n t ，横河为首的i s p 集团；另一个是由h o n e y w e l l 、 b a i l e y 等公司牵头的w o r l d f i p 集团。1 9 9 4 年，两大集团宣布合并，融合成现场总线基 金会( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 简称f f 。对于现场总线的技术发展和制定标准，基金委员 会取得以下共识：共同制定遵循i e c i s as p 5 0 协议标准、商定现场总线技术发展阶段 时阃表。 目前国际上有4 0 多种现场总线，但没有任何一种现场总线能覆盖所有的应用面， 按其传输数据的大小可分为3 类：传感器总线( s e n s o r b u s ) ，属于位传输；设备总线 ( d e v i c eb u s ) ，属于字节传输；现场总线，属于数据流传输。目前应用比较多的有基金 会现场总线( f f ) 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、w o r l d f i p 及c a n 。 l o n w o r k s 全称是l o c a lo p e r a t i n g n e t w o r k ，即局部操作网络。近几年来，l o n w o r k s 在诸多领域被广泛应用，特别是现代楼宇控制、智能家居中具有突出的地位和优势。到 目前为止，全世界安装的l o n w o r k s 节点已超过4 0 0 万个，已有3 0 0 0 多家公司致力于 l o n w o r k s 控制网络产品和解决方案，涉及到包括建筑、家庭、工业、通讯和交通等在 内的多个行业d 1 。l o n v c o r k s 技术是支持完全分布式的网络控制技术，是开放的、可互操 北方工业大学硕士学位论文 作的控制系统的一个技术平台。 l o n w o r k s 技术在工业控制系统中可同时应用在s e n s o rb u s 、d e v i c eb u s 、f i e l db u s 等任何一层总线中。在l o n w o r k s 控制网络中智能控制设备( 节点) 使用同一个通信 协议与网络中的其它节点通信。每个节点都包含内置的智能来完成协议的监控功能。一 个l o n w o r k s 控制网络可以有3 个到3 0 0 0 0 个或更多的节点；传感器功能( 温度、压力 等) 、执行器功能( 开关、调节阀、变频驱动等) 、操作接口( 显示、人机界面等) 、控 制功能( 新风机组、v a v 等) 。由于不需要像传统控制系统中的中央控制器，l o n w o r k s 分布式控制技术具有很高的系统可靠性和灵敏的系统响应能力，并且降低了系统的成本 和运行费用。神经元芯片完成节点的事件处理，并通过多种介质把处理结果传递给网络 上的其它节点。l o n t a l k 协议为l o n w o r k s 控制网络实现可互操作性提供了条件。n e u r o n 芯片和l o n t a l k 协议是l o n w o r k s 技术的核心例。 为了达到开发的标准化和经济性，e c h e l o n 公司设计了n e u r o nc h i p ，即神经元芯片。 选择n e u r o n 作为芯片的名称是为了指出网络控制的工作与人脑工作的相似性。在人脑 中是没有中心控制点的，成千上万的神经细胞在一起工作，每一个都通过无数条路径为 其他的细胞提供信息。每一个细胞都具有一种特殊的作用，但如果失去了某一个将不会 影响整个神经网络的正常工作。n e u r o n 芯片中固化了l o n t a l k 协议。芯片中集成了3 个 8 位的c p u ，一个用于i s o o s i 模型中第1 和第2 层的功能，称为媒体访问控制处理器， 实现介质访问的控制与处理；第二个用于完成第3 - 6 层的功能，称为网络处理器，进行 网络变量的寻址、处理、背景诊断、路径选择、软件计时、网络管理，并负责网络通信 控制，收发数据包等；第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还 有存储信息缓冲区来实现c p u 之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区e n e u r o n 芯片有1 1 个i o 管脚，通过编程设定可以支持3 4 种f o 对象，支持多种串行通 信总线协议。 n e u r o n c 是以a n s ic 为基础专门为n e u r o n 芯片设计的一种编程语言。它在a n s i 基础上进行了一些扩展，直接支持n e u r o n 芯片的固化软件，删除了一些不需要的函数 库，增加了一些访问特定f o 对象所需要的内部函数。与a n s ic 相比，n e u r o n c 具有 的新特性有 3 7 1 ：增加了一种新的变量类型网络变量( n e t w o r kv a r i a b l e ) ，简化了节 点间的数据通信和数据共享：增加了一种新的语句类型w h 钮语句，引入事件 ( e v e n t s ) 并可以定义这些事件的优先级，类似于面向对象的计算机语言；对i o 操作 的显式控制，通过对i o 对象( o b j e c t ) 的声明，使n e u r o n 芯片的多功能加l 得以标准 化；支持显式报文，用于直接访问基础的l o n t a l k 协议服务。 6 北方工业大学硕士学位论文 二、l o n t a l k 协议和l o r t m a r k 规范 l o n t a l k 协议是为l o i n 总线设计的专用协议，与通用的网络通信协议相比具有以下 特点 2 】： 发送的报文都是很短的数据，般不超过几十个字节； 通信带宽不高，从几k b p s 到2 m b p s ； 网络节点往往是低成本，低维护的单片机； 多节点，多通信介质； 可靠性高。 l o n t a l k 协议遵循了i s o o s i 参考模型，提供了所有七层协议，这是其他现场总线 所没有的。l o n t a l k 协议的有关服务有口7 】： 物理信道管理( 物理层、链路层) ； 命名、编址与路由( 网络层、表示层) ； 可靠的通信及有效地使用信道带宽( 链路层、传输层) ； 优先级控制( 链路层) ； 远程控制( 会话层) ； 认证( 传输层、会话层) ； 网络管理( 会话层) ； 网络接口( 会话层) ； 数据解释与外部帧传输( 表示层) ； 应用数据兼容性( 应用层) 。 l o n m a r k 是l o n w o r k s 用户标准化组织，它定义了一套能更好支持互操作性的标准 网络变量类型( 卧t ) 和标准配置参数类型( s c p t ) ，这样使得只要是按照l o n m a r k 规范设计的l o n w o r k s 产品都可以非常容易地集成到一起，具有很好的可互操作性 3 8 1 。 三、l o n w o r k s 技术在暖通空调行业中的应用 l o n w o r k s 技术在楼宇自动化、智能家居中的应用最为突出，e c h e l o n 公司更是以 l o n w o r k s 在家庭自动化中的应用作为典型应用实例发布在互联网上来演示。所以基于 北方j 二业大学硕士学位论文 l o n w o r k s 技术的空调控制系统层出不穷，已经有很多成熟的产品，系统的网络结构充 分体现了l o n w o r k s 控制网络的特点，即全分布式的，对等的，开放性的网络结构，与 集中式网络比较，l o n w o r k s 控制网络的节点控制箱可以放置在被控对象的附近，这样 做减少了布线工作量，节省了人力，降低了成本，提高了工作效率，也十分便于调试及 维护。另外，如果网络中一个设各出现故障不会影响全网其它设备的正常工作，把故障 点分散到最小的程度，也可以随时扩充需要的功能，大大增强了系统的稳定性和可维护 性。 1 3 国内外相关技术发展情况 地温空调技术目前在国外得到广泛的应用。现在美国的家庭、银行、医院、机场、 连锁超市、办公楼和学校等均有一定比例的建筑使用地温空调【3 5 】。1 9 4 8 年第一台地温 空调系统在俄勒冈州投入运行【1 4 1 ，掀起了2 0 世纪4 0 5 0 年代欧洲和美国地源热泵研究 的第一次高潮，美国西部乃至全美均开始大量安装地温空调，首都华盛顿安装使用地源 热泵的数量逐渐上升为美国第一位。美国地温空调系统的应用一直呈上升趋势。据美国 能源信息部的调查表吲1 5 】：美国地温空调( 型号a r i 3 2 5 ) 在1 9 9 4 ，1 9 9 5 ，1 9 9 6 ，1 9 9 7 年的生产量分别为5 9 2 4 ，8 6 1 5 ，7 6 0 3 ，9 7 2 4 台，除1 9 9 6 年外，基本呈直线上升趋势。 美国在过去l o 年内，地温空调的年增长率为1 2 ，现在大约有5 0 0 0 0 0 套地温空调系统 在运行，每年大约有5 0 0 0 0 套地温空调在安装【l 引。当前，美国地温空调应用最多的地方 是学校和办公建筑【1 7 ”】，2 0 0 3 年刚一开始就有1 2 0 0 所学校新建和改建了地温空调系统 【i 司。全美也是世界最大的地温空调系统安装在肯塔基州路易威尔市的一幢旅馆办公建筑 中，它能够提供1 0 m w 的冷、热量【1 9 1 ，1 9 9 8 年美国华盛顿的地源热泵协会( g e o t h e r m a l h e a tp u m pc o n s o r t i u m ) 调查表明1 2 0 】：业主对地温空调的满意率大多在9 0 以上，最低 的项目也不低于8 4 ，4 0 的居民熟悉地源热泵工艺，5 0 的业主熟悉地源热泵工艺。 在欧洲某些气候寒冷的地区，地温空调主要应用于采暖模式。瑞典政府在地温空调 应用的初期采取了一定的补贴政策，不过2 0 世纪9 0 年代以来，政府取消补贴，但地温 空调仍以1 0 0 0 套年的速度增长【l4 】。 我国热泵工业相对于世界上发达国家起步较晚，但发展速度相对较快。2 0 世纪5 0 年代，天津大学的一些学者就开始从事热泵的研究工作，6 0 年代末我国就有热泵产品在 暖通空调中应用【2 1 1 。8 0 年代初到9 0 年代末，热泵空调在我国应用日渐广泛，发展速度 很快，北京、上海、广州和深圳四大城市居民的房间空调普及率高达4 2 8 ，其中1 3 北方工业大学硕士学位论文 为热泵型【】。在环保要求下，地温空调发展也很迅速，例如从“十五”时期开始，北京 市区不允许新建燃煤锅炉房，五环以内将逐步取消和不允许新建燃煤锅炉房。随着北京 奥运会的临近，现在北京地区已大量使用地温空调技术用于供暖、制冷和生活热水的供 应 i l j 。 我国地温空调从1 9 9 7 年开始学习和引进欧洲产品，出现了大规模的地温空调采暖 工程项目，到1 9 9 9 年底，全国大约有1 0 0 套地温空调供热n 冷系统口2 1 ，其中较为成功 的实例有：内蒙古的一幢宾馆和综合建筑。矧，沈阳白城军分区1 2 4 ，山东东营市中胜集团 办公楼跚，涉县龙山宾馆贮6 1 ，河北承德市乾阳大酒店和司达公司办公楼【2 7 1 ，石家庄某 综合楼1 2 8 】，河南济源政府环形大楼1 2 9 1 ，空军丰台办公楼、招待所1 3 0 等。 地温空调控制的最核心问题是运行管理问题( 3 “。最初的地温空调控制系统采用老式 的配电控制柜来控制，由管理人员通过观察温度计温度的高低，人为的来决定机组投入 数量和各台机组的投入负荷数，这种方式既不方便，又不利于压缩机的最优化运行。对 空调压缩机组的工况也不能及时准确的反映出来。所以，急需自动化程度较高的控制系 统来完成整个系统的监控。 为了使控制系统更加高效，后来研制了自动化程度更高的p l c 或者单片机地温空 调机组控制系统，但是随着自动控制技术的飞速发展和用户对地温空调的要求的不断提 高，网络化控制势在必行。 1 4 本论文研究的内容 现场总线技术和d c s 技术是网络化控制中通常采用的技术，但是d c s 技术在兼容 性、抗干扰性和组网的灵活性方面弱于现场总线技术。本课题根据l o n w o r k s 技术的特 点、在楼宇控制和智能家居领域的突出优势和本校现场总线实验室的条件选择了 l o n w o r k s 作为地温空调控制器网络化的现场总线技术。 本文的工作是制作出了基于l o n w o r k s 技术的地温空调控制器的样机，并对其进行 性能测试，确保其可以控制地温空调机组的运行，通过压缩机载荷平衡控制来尽可能降 低地温空调机组的功耗，辅助温度保护、故障报警等功能来增强地温空调机组的稳定性， 利用l o n w o r k s 现场总线技术实现机组状态信息的网络通讯，为地温空调机组群控打下 基础。 9 北方工业大学硕士学位论文 1 5 本章小结 本章阐述了论文所研究的课题的来源与意义，简单介绍了与地温空调技术相关的热 泵理论和l o n w o r k s 现场总线技术的知识。通过调研了解了国内外相关技术的发展情况， 并指出目前存在的问题，进而得出本文所研究的内容以及要达到的目标。 1 0 北方工业大学硕士学位论文 2 1 地温空调机组构成 第二章控制器架构 地温空调机组一般由压缩机( 组) 、膨胀阀、蒸发器、冷凝器、热交换器、换向阀、 井水泵( 上水泵) 、回灌泵( 下水泵) 、循环水泵以及相关附属部件组成，见图2 - 1 。 图2 1 地温空调机组示意图 压缩机相当于空调机组的心脏，它的作用是把压力较低的蒸汽压缩成压力较高的蒸 汽，使蒸汽的体积减小，压力升高。它的主要技术参数是输入功率，这个参数与空调机 组的制冷量与供热量有很大关系。根据空调机组制冷量与制冷效果的需要，机组可以使 用两个或两个以上压缩机组成压缩机组，这样还可以在制冷量需求不大时可以使多个压 缩机轮换工作，有利于延长压缩机的使用寿命以及增强系统的稳定性，在某个压缩机出 现故障时不至于马上使空调机组停止工作。 膨胀阀也叫节流阀，用来解除液态制冷剂的压力，使制冷剂从冷凝器中出来后节流 降压，然后在蒸发器中膨胀变成蒸汽吸热，它是维持冷凝器中为高压、蒸发器为低压的 重要部件。膨胀阀在系统中还有以下作用：根据系统设置过冷度和制冷工况准确控制流 北方工业大学硕士学位论文 入蒸发器的制冷剂的流量；停机时快速平衡系统高低压力。 蒸发器是吸收热量的设备，制冷剂在其中吸收被冷却物体的热量实现制冷。冷凝器 是放出热量的设备，将蒸发器中吸收的热量连同压缩机功所转化的热量一起传递给制冷 剂带走。 广义上来讲蒸发器与冷凝器都是热交换器。上面提到的热交换器是狭义上的理解， 即循环水与用户建筑之间的热交换器，一般采用风机盘管，为用户提供热风或者冷风。 由于封闭式地温空调系统循环水和地下水也要进行热交换，而不像开发式系统是直接采 用地下水进行循环，在地下水侧也有热交换器，一般采用地下埋管方式，这种方式不仅 可以利用地下水，在地下水资源缺乏的地区也可以将热交换器直接埋入地下利用土壤温 度进行供暖或制冷。 换向阀用来改变循环水的流向，间接改变空调机组的制热制冷方式。夏天制冷时， 蒸发器侧循环水在用户建筑端循环，冷凝器侧循环水是地下水；冬天供暖时，蒸发器侧 循环水是地下水，冷凝器侧循环水在用户建筑端循环。电子控制的换向阀可由开关量控 制。 井水泵和回灌泵也称上水泵和下水泵，分别用来抽取地下水和将使用过的地下水进 行回灌，使地下水形成循环。井水泵和回灌泵分别安装在取水井和回灌井中，使用过的 地下水必须要进行回灌，否则会出现地面沉降的现象，而且最好在回灌前对回灌水进行 监测或处理，确保回灌水对地下水没有污染。循环水泵驱动用户端循环水在热交换器内 的流动，以不断地给用户带来或带走热量。 相关附属部件包括干燥过滤器、压力控制器、气液分离器、单向阀等，它们都是为 了提高运行的经济性、可靠性和安全性而设置的。 在设计控制器时，应充分了解机组的运行原理，确定被控对象与控制量，根据机组 各个部件的工作原理来进行相应的软、硬件设计。 2 2 控制器设计方案 根据以上对地温空调机组的介绍，为了控制空调机组稳定、高效地工作，控制器应 该具备以下功能： 采集循环水的出水点、入水点和地下水的出水点、入水点的温度，作为控制空调 机组运行负荷的依据； 1 2 北方工业大学硕士学位论文 具有足够的开关量输入与输出节点，来控制和检测各个水泵、压缩机的运行状态 和切换制冷、制热运行方式； 具有开关机保护、故障报警、状态显示等功能。 控制器应该控制空调机组实现正确的开关机流程，例如：开机时先启动上水泵， 间隔一定时间后启动下水泵，然后再间隔一定时间后启动压缩机；关机时先关闭压缩机， 间隔一定时间后关闭下水泵，再间隔一定时间关闭上水泵。 为了延长压缩机寿命，应尽量避免频繁启停压缩机，即在压缩机启动( 或停止) 一段时间内不能被停止( 或启动) 。需要启动或停止多个压缩机时依次间隔2 0 秒，避 免多个压缩机同时启动对电网造成较大的冲击。 总之，地温空调控制器需要采集循环水、井水的温度以及压缩机、水泵的工作状态， 然后根据这些参数控制水泵及压缩机工作，使得用户端出水温度稳定在设定值。传统的 地温空调机组采用p l c 控制器可以满足以上要求，但用p l c 控制空调机组需要扩展温 度模块，这对于小型空调机组来讲有些浪费。为了降低成本，减小地温空调控制系统的 体积，以单片机为核心的空调控制器随后被研制出来，我校就成功开发出以单片机为核 心的第一代单机地温空调控制器。 但是随着地温空调的普遍应用，对地温空调机组的控制也提出了网络控制、集群控 制的要求，这样采用d c s 技术和现场总线技术的地温空调控制器便产生了。 经过查阅资料，了解到一种单片机加r s 4 8 5 、r s - 2 3 2 总线构成的小型地温空调集 散控制系统解决方案。该系统采用“子站( 从机) 中控站控制总站( 主机) ”的 工作方式，在每台机组上安装子站采集卡，各台子站采集卡通过r s - 4 8 5 总线与中继卡 相联接，中继卡通过r s 2 3 2 总线连至工控机的触摸屏上。系统框图如图2 2 。 北方工业大学硕士学位论文 - k h 5 0 目 图2 2 单片机和r s 4 8 5 、r s 2 3 2 构成的小型集散控制系统 这个方案与p l c 控制系统相比，是一个成本较低的解决方案，它实现了地温空调 机组的远程监控与集散控制。但由于r s - 4 8 5 总线的限制，与现场总线技术相比。它的 缺点也很多，例如：、采用4 8 5 总线技术的不同厂家的产品很难在一个网络中工作， 因为4 8 5 只是网络物理层的一种规范，而不是一种网络通信协议；、4 8 5 总线只能采 用总线式拓扑结构，每段最多只能有3 2 个节点；、4 8 5 总线抗干扰能力较差。 随着网络技术的飞速发展，为了实现远程监测与控制机组的运行状态，地温空调控 制器与现场总线技术结合在了一起。文献 3 9 】中介绍了一个由m c s 5 1 系列单片机与 c a n 总线结合的地温空调控制器方案，如图2 3 。 圈2 3 单片机与c a n 总线相结合的空调控制器方案 1 4 北方工业大学硕士学位论文 该方案利用m o d b u s 现场总线技术使得用户可以从上位机的组态软件监测和控制 空调机组的运行状态，提供了更为良好的入机晃面，c a n 总线技术的应用也保证了通 信的稳定性，与上一个方案相比，此系统在节约成本的同时，由于采用了单片机和现场 总线技术，又具备了灵活、扩展性强的优点，不但可以应用在小型机组，还可以应用在 大型机组中。但这个方案的缺点是，上位机与空调控制器之间的通信也经过了协议转换， 中间增加了一个通信子系统，把控制器以c a n 总线协议传输过来的数据转换为 m o d b u s 协议的数据利用i f i x 组态软件与计算机进行通信，这样就增加了系统的成本 与研发难度。 采用l o n w o r k s 现场总线就可以解决这个问题，因为只要上位机安装了l o n w o r l ( s 网络适配器就可以通过双绞线直接与现场的l o n w o r k s 控制节点进行通讯，而且现在有 多个主流豹组态软件支持l o n w o r k s 总线技术，通过组态软件可以很方便地监控 l o n w o r k s 网络的信息。 本课题所开发的地温空调控制器框图如下： 一一 i | | 圉 图2 4 本文描述的地温空调控制器结构图 图中虚线方框内部分是本控制器，其功能包括： 四个温度传感器信号输入，检测循环水的出水口、入水口与地下水的出水口、入 水口的温度； 六个开关量输入用于检测水泵与压缩机的运行状态； 两个互锁的开关量输出用来控制切换地温空调机组的制冷、肯热方式： l5 北方工业大学硕士学位论文 报警模块，若发现故障则及时报警； 六个开关量输出用于控制水泵与压缩机的启停，用软件实现正确的启停控制，控 制压缩机和水泵的工作状态； 通过l o n w o r k s 总线将地温空调机组运行状态数据发布到l o n w o r k s 网络上，利 用l o n w o r k s 的网络通讯能力，为群控系统作技术储备。 2 3 本章小结 本章分析了地温空调机组的构成以及工作原理和工作流程，明确了控制器的控制要 求，由此确定了控制器的功能。本章结合了两个地温空调控制器的方案，分别说明了其 优缺点，在此基础上提出了基于l o n w o r k s 总线的控制器方案。 1 6 北方工业大学硕士学位论文 3 1 各功能模块的设计 第三章控制器硬件设计 本文所描述的地温空调控制器包含以下模块：l o n w o r k s 核心控制模块、温度采集 模块、输入输出模块、人机界面模块和运行信息存储模块。 虽然l o n w o r k s 的核心芯片n e u r o nc h i p 可以支持3 4 种i o 对象，但它只有1 1 个通 用i o 管脚，所以如何充分利用有限的i o 管脚实现控制器比较复杂的功能成为设计中的 一个难点。为解决这个问题，通常应考虑采取复用1 0 管脚的方法，所以要尽量选用 n e u r o nc h i p 支持的串行总线通信协议的功能器件，如支持s p i 协议、m i c r o w r e 协 议、i z c 协议的器件。然而由于一个n e u r o nc h i p 只能定义以上串行i o 对象中的一种， 所以只能选择其一。因为后面将要叙述到的一个必用的键盘控制芯片h d 7 2 7 9 的接口类 似于s p i 总线接口，所以最终选定了s p i 串行通信方式，在控制器的其它功能器件的选 型中也尽量选择支持s p i 协议的芯片。 以下分别阐述各功能模块的设计过程。 3 1 1l o n w o r k s 核心控制模块 l o n w o r k s 控制模块由n e u r o nc h i p3 15 0c p u 、r o m 存储器、r a m 存储器、时钟 ( 频率为5 m h 乃屹o m h z ) 、收发器、e p l d 等组成。其组成框图如下： r o = j 性器p n 蛾 m n e m o n 广1i 阼 3 1 5 0 = = = 浏f p l d i i 。l 越 匕一 i r a 巾 、j 挂 m 图3 。1l o n w o r k s 控制模块框圈 北方工业大学硕士学位论文 其中的3 1 5 0 即是e c h d o n 公司设计的“n e u r o n c h i p ”，