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中央空调水循环变频节能控制系统的开发中文摘要 中文摘要 本文是在完成苏州某公司委托的一个嵌入式系统的实际应用项目基础上写成的， 并获得计算机软件著作权登记证书。该项目的主要目标是实时控制中央空调水循环 ( w a t e rc i r c u l a t i o no fc e n t r a la i rc o n d i t i o l l i n g ，简称w c c a c ) 中风机和水泵的运 行，通过进行设计状态设定、参数设定，实现继电器及变频器控制等功能。 w c c a c 变频节能控制系统的硬件部分以f r e e s c a l e 公司的m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 微 控制器为核心，包含通过继电器控制的风机、指示系统状态的指示灯、控制变频器运 行的r s 4 8 5 通信，与m c u 实现数据传输的j b 8 模拟并口通信及给系统供电的电源模 块。在硬件设计中，采用了硬件防干扰设计来保证控制系统中的信号稳定；采用光电 隔离有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰；采用滤波并多次采集取平均值的方 法稳定了传感器信号的接收。 软件部分包括m c u 方软件与p c 方软件两个部分组成。m c u 方软件遵循嵌入 式软件编程规范进行设计，完成了系统初始化、数据采集、自动控制逻辑、继电器、 变频器及通信等硬件驱动模块及主控软件的设计。p c 方软件按照面向对象软件设计 方法进行设计，完成了实时监控、设备测试、a d 采集物理量校正、日志、能耗及系 统配置等模块的设计，并对应这些模块，设计出相关界面，实时显示系统当前运行状 态，方便用户维护和使用。在本课题完成系统的软硬件设计及测试等工作后，到苏州 某公司进行初步现场调试，采用该技术后与空调平时运行相比，节电3 2 ，节能效果 明显，得到企业的肯定。 本课题的主要应用创新点有：在系统设计中，充分按照软件工程原则，进行软、 硬件设计，提高了系统的可维护性与可移植性；充分利用用户模式下的f l a s h 在线编 程，实现断电自动恢复，提高了系统健壮性和鲁棒性：充分考虑对p c 界面进行动态 设计，提高了系统管理的直观性和生动性；在m c u 与p c 方之间，充分使用用户自 定义协议，提高了通信有效性和稳定性。 关键词：中央空调水循环、节能控制系统、u s b 通信、m o d b u s 协议 作者：张敏 指导老师：王宜怀 a b s 仃a c t t h ep a p e ri sb a s e d0 nap r a c t i c a la p p l i c a t i o n0 ne m b e d d e ds y s t e mw h i c hg e t s c o m p u t e rs o f t w a r e sc o p y r i g h tc e r t i f i c a t e ni st h eo b j e c to fp r o j e c tt oc o n t r o lf a n s a n dp u m p sr e a l - t i m e l yi nw a t e rc i r c u l a t i o no fc e n t r a la i rc o n d i t i o n i n g ( f o rs h o r t ： w c c a c ) t l l r o u g hs t a t e sa n dp a r a m e t e r sd e s i g n ，i tr e a l i z e st h ew o r ko fr e l a ya n d t r a n s d u c e r t h eh a r d w a r eo fw c c a cf r e q u e n c yc o n v e r s i o na n de n e r g ys a v i n gc o n t r o l s y s t e mi s c o n t r o l l e db yt h em c u m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 ，w h i c hi sp r o d u c e db y f r e e s c a l ec o m p a n y i tc o n t a i n sf a nm o d u l e ，l e dm o d u l e ，r s 4 8 5c o m m u n i c a t i o n m o d u l c ，j b8p 盯a l l e lp o r t ss i m u l a t i o nc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dp o w e rm o d u l e i n t h ed e s i g no fh a r d w 盯e ，t h ep a p e ru s e s 孤t i ja 衄i n gd e s i g nt oe n s u r eas t e a d ys i g n “； u s e sp h o t o e l e c t r i cs e g r e g a t i o nt 0l i l i i i ts y s t e mn o i s ea n dr e d u c et l l ei n t 既f e r e 行o m g r o u n d ；u s e sf i l t e r i n ga n da v e r a g i n gas e to fn u l n b e r st oe n s u r et h ev e f a c i t yo ft h e s i g n a l s 行0 ms e n s o r t h es o f t w a r ep a r ti n c l u d e sm c u d e s i g na n dp cd e s i g n m c us o r w a r ed e s i g n f o l l o w st h ec r i t e r i af o rs o r w a r ep r o g r a m m i n go fe m b e d d e ds y s t e m ，n n i s h i n gt h e d e s 追no fs y s t e mi n i t i a l i z a t i o n ，d a t aa c q u i s i t i o n ，a u t o m a t i c a l l yl o g i cc o n t r o la n d h a r d w a d n v e ro fr e l a y t r a n s d u c e ra n dc o m m u n i c a t i n g p cd e s i g na c c o r d st oo b je c t 0 r i e n t e dp r o g r a m m i n g ，r e a l i z i n gt h ed e s i g no fr e a lt i m ec o n t r o l ，d e v i c et e s t ，a d a c q u i s i t i o n sp h y s i c a lq u a n t i t yc o r r e c t i o n ，d a t e ，e n e r g yc o n s u m p t i o na n ds y s t e m c o n f i g u r a t i o nm o d u l e s c o r r e s p o n d i n gt 0t h e s em o d u l e s ，w ed e s i g ni n t e r f a c e sw h i c h c a nd i s p l a yc u r r e n to p e r a t i n gs t a t e s 锄di se a s yt ou s e 觚dm a i n t e n a n c e a r e rt h e d e s i g na n dt e s t0 fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e ， w eh a v eh a daf i e l dd e b u g g i n g c o m p a r i n gw i t l lu s u a lo p e r a t i n g ，o u rc o m r o ls y s t e mc 觚s a v e3 2 e l e c t r i c c r g y w h i c hs a t i s f i e so u rc u s t o mg r e a t l y t h e f ea r ef 0 町m a i ni n n o v a t i o n si nt h i ss u b je c t f i r s t ，s u f f i c i e n t l yd e s i g n i n gt h e c o n t r o ls y s t e m a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fs o f t w a r ee n g i n e e r i n gi m p r o v e s m a i n t a i n a b i l i t ya n dp o n a b i l i t yo fs y s t e m s e c o n d ，s u m c i e n t l yu s i n gn a s ho n - l i n e p r o g r a m 而n gu n d e r u s e rm o d er e a l i z e st h ea u t o m a t i c a l l yr e c o v e r yw b e nt h e e l e c t r i c i t yg o e so f fa n di m p r o v e s t h er o b u s t n e s s0 fs y s t e m t h i r d ，s u f f i c i e n t l y c o n s i d e r i n gt h ed y n a m i cd e s i g no fp ci n t e r f a c ei m p r o v e st h ei m m e d i a c y 她dv i t a l i t y o fm a n a g e m e n t f i n a l l ys u f 丘c i e n t l yu s i n gu s e r d e f i n e da g r e e m e n ti m p r o v e st h e v a l i d i t ya n ds t e a d yo fc o n l m u n i c a t i o n k e y w o r d s ：w c c a c ，e n e r g ys a v i n gc o n t r o ls y s t e m ，u sbc o m m u n i c a t i o n ， m o d b u sa g r e e m e n t w r i t t e nb yz h a n gm i n s u p e n r i s e db yw a n g y i h u a i 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：磕灸 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：i ：硅筮：日期：鲨墨：! ：堡 导师签名：雌日期：翌止 中央空调水循环变频节能控制系统的开发第一章绪论 第一章绪论 中央空调水循环( w a t e rc i r c u l a t i o no fc e n t r a la i rc 0 n d i t i o n i n g ，简称w c c a c ) 变频节能控制技术已有二十多年的发展，随着建设节约型社会的不断深入，越来越 多的中央空调开始考虑采用变频节能技术，以便节约用电量，减少能耗。中央空调 变频节能技术在国外已经比较成熟，而国内空调变频节能技术却因为技术等各种原 因发展缓慢，且真正节能效果不尽如人意【l 】。本文分析了国内传统中央空调节能技 术存在的若干问题，并提出采用j b 8 通信卡控制变频器，使水泵、风机等动力设备 变频运行以适应系统负荷变化的实现方法。 1 1 中央空调水循环的相关概念 中央空调系统是一种集中处理空调负荷的空调系统形式，它由集中的制冷机组 产生冷热量，并利用适当的介质把冷热量输送到需要消除热冷负荷的空间，从而 实现空气调节的目的。 中央空调系统按其输送介质的不同，通常可分为三种：风管系统；以水为 介质的冷热水机组；以制冷剂为介质的v r v 系统【2 】。其中，冷热水机组因初投资 低、技术成熟、系统简单，而成为使用较多的系统之一。 对于采用冷热水机组作主机的中央空调而言，主要由制冷循环系统、风系统和 水循环组成。简单来说，制冷循环的目的是获得空调所需的冷量( 或热量) ；风系统 促进在被处理空间( 房间) 的空气热交换；水循环即以水为载体进行换热，又分为 冷媒水循环和冷却水循环。 在此，对于中央空调系统涉及的相关概念，作一些简单的介绍。 ( 1 ) 冷媒水( 即冷温水) 循环 空调系统中以冷媒水作为传递热量的介质，冷媒水在空调主机的蒸发器中与制 冷剂进行热交换，吸收制冷剂的冷量( 或热量) ，通过水泵和管道输送到各个空气调 节处理装置中与被处理( 空调房间) 的空气进行热交换后，冷媒水又经过回水管道 返回到空调主机的蒸发器中，如此循环，构成一个冷媒水循环。 ( 2 ) 冷却水循环 冷却水循环是指从空调主机的冷凝器出来的冷却水经过水泵送至冷却塔，经冷 却塔冷却后靠位差在重力作用下自流至冷凝器构成的水循环。 ( 3 ) 变频空调 第一章绪论中央空调水循环变频节能控制系统的开发 所谓的“变频空调”是与传统的“定频空调”相比较而产生的概念。众所周知，我 国的电网电压为2 2 0 伏、5 0 赫兹，在这种条件下工作的空调称之为“定频空调”。而 与之相比，“变频空调”通过改变压缩机供电频率，调节压缩机转速，并依靠压缩机 转速的快慢达到控制室温的目的【3 1 。其特点是：室温波动小、电能消耗少，舒适度 大大提高。且运用变频控制技术的变频空调，可根据环境温度自动选择制热、制冷 和除湿运转方式，使居室在短时间内迅速达到所需要的温度并在低转速、低能耗状 态下以较小的温差波动，实现了快速、节能和舒适控温的效果。 ( 4 ) 水循环的变频控制 本文中所提到的变频控制是针对水循环( 包括冷媒水、冷却水循环) 而言。通 过采用变频器，根据空调末端的需要，调节冷媒水泵、冷却水泵的工作频率，改变 系统中的冷媒水量和冷却水量，以此来达到节能的目的。这种节能控制方式也称为 中央空调的变流量节能控制。 1 2 我国中央空调节能发展与现状 1 2 1 我国中央空调节能的发展 二十世纪八十年代，很多环境学家，就意识到中央空调节能的重要性。但很久 以来，我国中央空调的节能只停留在传统方式上【3 】，主要有以下方法： ( 1 ) 采用多头主机，根据负荷需求情况，按需开启机组。 ( 2 j 停、启水泵、风机等动力设备以适应系统负荷变化【4 】； ( 3 ) 风、水循环管路均采用调节阀门，来调节风量、水量。 应对负荷变化，传统的调节控制方式存在以下的问题： 功率浪费：牺牲了阻力能耗来适应末端负荷要求，因此阀门上存在着很大的能 量损失。无论负荷大小，水循环设备却几乎满负荷运转，造成运行成本居高不下。 舒适度差：阀门调整、水泵起停手动物理调节方式，调节品质难以达到理想状 态而导致空调的舒适度不良【5 】。监控人员劳动强度较大。 恶化主机工作条件：水流量过大使冷水循环进水和回水温差降低，恶化了主机 的工作条件、引起主机热交换效率下降，造成额外的电能损失。 加重设备磨损：传统的水泵起停控制不能实现软启、软停，在水泵起动和停止 时，会出现水锤现象，对管网造成较大冲击，增加管网阀门的跑冒滴漏现象【6 】。 2 0 0 6 年资料显示，由于长期以来人们对中央空调节能不够重视，能源浪费的现 象相当严重且普遍。按重庆和上海的统计，中央空调用电量已分别占全市总用电量 的2 3 和3 1 1 ，这给各城市的供配电带来了沉重的压力，空调大户广东的供电压 中央空调水循环变频节能控制系统的开发第一章绪论 力更大。业内人士指出，高能耗已经成为制约中央空调健康发展的一大瓶颈，解决 中央空调的高能耗问题迫在眉睫。 据统计，全国空调用电量占总用电量的3 0 以上。同时作为建筑内部重点耗能 设备，中央空调系统的耗电一般要占整座建筑电耗的6 0 以上。所以在诸多类型的 节能项目中，中央空调节能被视作最重要、最有价值的节能课题之一。 1 2 2 我国中央空调节能的现状 2 0 0 8 年7 月2 0 日，建设部、发改委节能办等相关部门领导及多位权威科研机 构专家在京发布了中央空调节能宣言，呼吁尽快实施中央空调节能标准。据悉， “中央空调节能运行标准”已于近日递交政府机关审批，新标准将有望近期通过并正 式颁布。 目前，国内中央空调界也对节能高度重视，应运而生了很多中央空调形式： ( 1 ) 调节压缩机运行频率的变频中央空调 压缩机运行频率是调节制冷循环、改善系统性能的主要因素r 丌。在变频空调系 统中，通过改变压缩机频率直接控制室温。制冷时，当室温远高于设定空调温度时， 提高压缩机的工作频率，从而增加制冷量，使室温降低；随着室温的降低，压缩机 工作频率又逐渐降低，使室温逐渐缓慢地接近室温。故该系统舒适性较高，但初投 资相应也比较高，且系统相对复杂，压缩机又不能完全实现o 一1 0 0 无级调节，真 正变频节能量有限。 ( 2 ) v r v 节能空调 v r v 表示多联变频变制冷剂流量( v a r i e dr e f r i g e r a n tv 0 l u m e ，简称v r v ) 热 泵空调系统，是一种制冷剂式空调系统，它以制冷剂为输送介质，属空气一空气热 泵。该系统由制冷剂管路连接室外、室内部分，室外机由室外侧换热器、压缩机和 其它制冷附件组成；室内机由风机和直接蒸发器等组成。一台室外机通过管路能够 向若干个室内机输送制冷剂液体，通过控制进入室内各个换热器的制冷剂流量，可 以适时地满足室内冷热负荷要求。该系统成本高，适用于小规模的舒适性空调。 ( 3 ) w 空调系统 w 是指变风量空调系统( 哳i a b l ea i rv o l u m es y s t e m ) ，上世纪7 0 年代因 大爆发石油危机而促使系统在美国得到广泛应用，并在其后不断发展，也得到 许多国家的广泛应用。目前在国内使用也较多，它是通过改变送风量而不是送风温 度来调节和控制某一空调区域温度的一种空调系统。即是通过向空调房间输送足够 数量的，经过一定处理的空气，用以消除室内的余热和余湿负荷，并且当室内负荷 变化时，用改变送风量的方法维持室内所需要的温度和湿度。这样既可减少处理空 3 第一章绪论中央空调水循环变频节能控制系统的开发 气消耗的能量，也可以减少风机运转时所消耗的能量。 以上中央空调系统的节能方法，初投资相对都比较大，且都只能从某个方面来 实现节能，总体节能量有限。而且，v 1 w 和系统能实现的空调工作区域不能 太大。对于大空间的场所，如飞机场、体育馆等，其中央空调系统很多都采用水循 环式，节能方案较传统，故若在中央空调水循环系统中的多种设备同时采用变频及 自动控制，其节能量应该是很可观的。 1 3 本文的主要工作和组织结构 应苏州某公司的邀请，作者参加了中央空调水循环变频节能控制的研发，对中 央空调水循环进行分析，设计并采用变频控制系统对空调水循环进行节能降耗。 本文的主要工作是对中央空调的水循环进行节能改造，提出了以f r e e s c a l e 公 司生产的4 2 引脚的m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 ( 简称g p 3 2 ) 作为主控芯片，用4 4 脚的 m c 6 8 h c 9 0 8 j b 8 ( 简称j b 8 ) 作为通信芯片的水循环变频调节方案，并在硬件、软 件设计方面分别进行了阐述。 1 3 1 系统框架 中央空调水循环变频节能控制系统主要由中央空调，节能控制板( g p 3 2 和 j b 8 ) ，变频器和后台监控计算机组成。如图1 1 所示。系统采用4 2 引脚的g p 3 2 作 为主控芯片，用4 4 脚的j b 8 作为通信芯片。其中j b 8 使用自带的u s b l 1 模块唧 和p c 通信，使用模拟并口和g p 3 2 通信，从而间接的实现了p c 和g p 3 2 之间的 u s b 通信。 圉蔷圈h 固 广_ ，1iil 。一i i 溯控躲琬l 醐器ihi 专她调l l _ _ _ - j o _ 一- o 图l - 1 中央空调变频节能控制框架图 4 中央空调水循环变频节能控制系统的开发第一章绪论 计算机的主要功能是给j b 8 系统发送命令，如单步测试命令等；能接收j b 8 通 信卡返回的错误信息并显示；另外，计算机还能够对数据进行处理，并通过u s b 发送数据给j b 8 通信系统。 g p 3 2 控制系统是通过并口和j b 8 通信的，实现对整个变频流程的命令控制以 及一些系统运行参数的配置等功能，如进行固定参数和用户参数的设置等等。g p 3 2 控制系统的主要功能是通过r s 4 8 5 的m o d b u s 协议和变频器通信，取得设备( 冷 却泵、冷冻泵、风机) 的实时数据，根据反馈到的数据，调节变频器和继电器，从 而实现对设备的变频处理。本文将在下面的章节里详细地给出g p 3 2 控制系统和j b 8 通信的具体功能和设计。 1 3 2 本文工作 本课题研究的主要内容有： ( 1 ) 研究与分析中央空调水循环变频节能控制的工作流程，总结其存在问题。 学习并掌握u s b1 1 【8 】【9 】【1 0 】协议基本原理、变频器使用原理【1 1 1 、以及r s 4 8 5 通信 原理【1 2 1 。 ( 2 ) 设计并完成中央空调水循环变频节能控制系统硬件设计与软件设计，并反 复测试。 ( 3 ) 熟悉j b 8 通信芯片嘲，实现j b 8 芯片的u s b1 1 模块功能。 1 3 3 本文结构 本文共分成六章，各章的内容安排如下： 第一章介绍中央空调水循环变频节能控制系统的基本概念及国内中央空调节能 控制发展现状，分析出国内中央空调所必须解决的问题节能。然后给出本文的 主要系统框架、工作内容和主要结构。 第二章简述了中央空调水循环变频节能控制系统的主要组成部分，对各组成部 分做出了简要的功能概述，分析了中央空调变频节能控制系统工作的主要流程。然 后提出了用于数据采集的a d 模数转换、用于p c 与j b 8 通讯的u s b l 1 的特点及 用于变频器通讯的通讯协议m o d b u s 相关基础知识。此外，还简要的给出了继电 器和变频器的一些相关知识。 第三章讲述了中央空调水循环变频节能控制系统硬件设计。首先列出了 w c c a c 变频节能控制系统硬件设计过程中所用到的相关芯片，并简要的讲述了主 控芯片g p 3 2 的选型原则和芯片特性。然后采用面向硬件对象的系统分析方法，从 w c c a c 变频节能控制系统的输入和输出开始设计，再针对w c c a c 变频节能控制 5 第一章绪论中央空调水循环变频节能控制系统的开发 系统的各个功能模块进行硬件设计。紧接着，从晶振电路、电源电路、信号线三个 部分着手分析中央空调变频节能控制系统的抗干扰问题，并成功的从这三个方面解 决了w c c a c 变频节能控制系统的硬件干扰问题，增强了控制系统功能的稳定性。 最后，给出了硬件设计中的难点和体会。 第四章针对硬件设计，进行了中央空调水循环变频节能控制系统的m c u 方软 件设计。主要介绍m c u 控制流程；列举了各模块的头文件及子程序；内存分配及 基本硬件对象如m c u 数据采集、自动控制逻辑、变频器模块、风机模块及j b 8 模 拟并行通信模块的设计；最后，通过测试界面，对m c u 方软件进行测试并给出设 计难点。 第五章进行了中央空调水循环变频节能控制系统的p c 方软件设计。首先，列 举了p c 方的数据结构，然后介绍了p c 与m c u 的通信协议，并针对p c 方软件模 块如实时监控模块、a d 采集物理量校正模块、日志模块、能耗模块及系统配置模 块等进行介绍，并设计了p c 方界面。最后文章给出了软件设计和调试过程中遇到 的问题，并提出相关解决思路。 第六章总结整个中央空调水循环变频节能控制系统的节能情况和优势，列出了 对整个系统开发过程中的经验体会，并对全文的工作进行了总结，提出后继工作的 内容。 6 中央空调水循环变频节能控制系统的开发第二章系统功能分析及相关技术概要 第二章系统功能分析及相关技术概要 中央空调水循环变频节能控制系统结构复杂，器件繁多。本章首先介绍了中央 空调变频节能控制的各组成部分，并进行简要的功能说明。随后给出了中央空调变 频节能设计的主要流程，本章还结合变频器的控制实现，阐述了相关技术要点。 2 1 中央空调水循环变频节能控制系统的组成 2 1 1 系统主要设备的变频分析 - 、 鬟 v 耀 錾 甜 探 | 5 * 三萋 拿o1 舯 水泵流量( ) 图2 - 1 使用变频器节能的水泵功耗情况 采用交流变频技术控制水泵的运行，是目前中央空调系统节能改造的有效途经 之一，图2 1 绘出了阀门控制调节和变频调速控制两种状态的水泵功率消耗琉 量关系曲线【1 3 1 。 根据采用艾默生的水泵实测，我们发现当水泵频率下降2 0 ，节电可达5 0 之 多，具体可参见表2 1 。 从表2 1 中可见用变频调速的方法来减少水泵流量进行节能改造的经济效益是 十分显著的，当所需流量减少，水泵转速降低时，其电动机的所需功率按转速的三 次方下降【1 4 1 。 7 第二章系统功能分析及相关技术概要中央空调水循环变频节能控制系统的开发 表2 - 1 水泵变频与节电的关系 水泵转速n 运行频率州z )水泵扬程h 轴功率p 节电率 1 0 05 01 0 01 0 00 9 0 4 58 17 2 92 7 1 8 04 06 45 1 24 8 8 7 03 54 93 4 36 5 7 6 03 03 62 1 67 8 4 2 1 2w c c a c 变频节能系统组成 冷温水流动线t 冷却水流动线： 脚通信线： 测量点： 控制点： 图2 - 2 中央空调节能系统结构框图 8 芦 中央空调水循环变频节能控制系统的开发 第二章系统功能分析及相关技术概要 本系统考虑采用水泵的变频( 变流量) 调节方式来实现中央空调节能，首先通 过实时的收集空调当前的负荷情况，然后让控制系统分析这些收集的数据，再根据 分析结果去动态的调节系统中水泵和风机的工作频率，智能地调节冷却水和冷媒水 供回水温度从而动态地改变了系统的能量消耗，最终实现中央空调能量供应按末端 负荷的需要提供，最大限度的减少空调系统能量浪费的目的。 。当中央空调系统负荷变化造成空调主机及其水循环偏离最佳工作情况时，控制 器根据数据采集后输出的各项运行参数，对系统运行的参数进行动态地调整，确保 主机在任何负荷条件下运行，都能有一个优化的运行环境，始终处于最佳的运行工 况，从而保持效率最高，能耗最低，预计可实现水泵节能3 0 _ 4 0 ，主机节能达到 5 - 2 0 。 中央空调变频节能系统( 图2 - 2 ) 一般主要由一下5 个部分组成： 制冷系统( 循环在空调主机内) ； 冷媒水( 即冷温水) 循环系统( 图2 2 黑色粗线) ； 冷却水循环系统( 图2 - 2 浅色粗线) ； 冷却塔风机系统； 控制逻辑系统( 图2 - 2 m c u 控制器) 中央空调变频节能控制控制系统组成情况如图2 - 2 所示，图2 - 3 中显示了 w c c a c 变频节能控制系统的主要组成设备。 p c已 机 j 。 1 瑗 7 器 口 ( 1 ) 传感器 图2 - 3 控制系统的主要组成 9 第二章系统功能分析及相关技术概要中央空调水循环变频节能控制系统的开发 在图2 - 2 中，各个测量点处的温度、压力信号都是通过传感器的a d 采集芯片获 得的。中央空调变频节能控制系统中主要使用到的传感器包括：温度传感器、压力传 感器等。这些传感器主要用来检测系统状态，采集相应信号，如温度传感器主要采集 冷媒水、冷却水的供回水温度；压力传感器主要水泵进出水的压力值等等。为保证信 号的接收的稳定，本系统中的传感器采用滤波并多次采集取平均值的方法【阎。 一困一团 图2 _ 4 温度传感器部分处理原理图 温度传感器部分处理过程如下，温度感应模块将温度变化转化为电量变化，通过 a 仍转换得到数字量，传输至控制模块进行处理，最后处理后的温度数据通过显示模 块显示，其组成原理图如图2 _ 4 所示。 本文采用铂电阻p t l o o 温度传感器来测量温度的变换。铂电阻温度传感器是利用 其电阻与温度成一定函数关系而制成的温度传感器。p t l o o 铂电阻的测温范围是一2 0 0 6 0 0 ，在0 时电阻为1 0 0 q 。 压力传感器采用通用型高精度中压型c y g l 0 5 压力传感器，其测压范围在0 l m p a 之间。主要依据水泵工作压力( 0 5 m p a ) 等运行参数进行选择。 ( 2 ) 变频器 变频器是一种把工频电源( 5 0 h z 或6 0 h z ) 变换成各种频率的交流电源，实现对交 流电机变速控制的电气设备。其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流 电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流 电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时 还需要一个进行转矩计算的c p u 以及一些相应的电路。 本文中，变频器的作用是根据传感器获得的各个测量点的信号，调整水泵( 冷 却水泵、冷媒水泵) 的工作频率，从而实现节能。具体将在第四章中说明。 ( 3 ) 继电器 继电器【1 6 】是一种当输入量( 电、磁、声、光、热) 达到一定值时，输出量将发 生跳跃式变化的自动控制器件。通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的 电流去控制较大电流的一种“自动开关”，故在电路中起着自动调节、安全保护、转 换电路等作用。 本系统中，水泵、风机等设备的启动，均采用继电器进行安全保护。同时，通 过继电器控制风机电源开关，并通过一个光电隔离与继电器连接，以防止噪声干扰。 1 0 中央空调水循环变频节能控制系统的开发 第二章系统功能分析及相关技术概要 继电器平时是常闭合状态，其正常工作电压为3 8 0 v 。 “ 2 2 中央空调水循环变频节能控制的工作流程 中央空调变频节能控制系统每次上电后，必须进行器件初始化。器件初始化是 为了确保系统中各个工作器件处于正常工作状态， 如果上次系统工作后正常关机，则重新开机之后，系统先执行器件初始化流程， 初试化过程中，变频器、水泵开关常开，风机开关关闭；如上次突然断电，可从n a s h 中读取断电前正常运行数据。开机后，系统根据d 采集的温度、压力情况，g p 3 2 进行逻辑判断( 具体判断详见第四章) ，逐渐关闭开启水泵及风机，并将数据实时 地再通过并口，传递给j b 8 ，j b 8 通过u s b 接口，将数据直接显示给用户。 2 3u s b1 1 基本原理 如图1 - 1 所示，本系统中，p c 机与j b 8 通信卡之间，采用u s b 接口传输数据。 自从2 0 世纪9 0 年代以来，有很多串行总线问世其中最成功的便是以i n t e l 为首的七 家公司于1 9 9 4 年推出的u s b 通用串行总线协议。u s b 具有速度高、成本低、功耗 低、支持即插即用和使用维护方便等优点，迅速地占领了计算机低中速外部设备的 市场。 2 3 1u s b 协议概述 在u s b 的1 1 规范版本中，u s b 支持两种总线数据传输率：一种是在全速f u u s p e e d 模式下的1 2 m b p s ，另一种是低速模式l o ws p e e d 下的1 5 m b p s 【1 6 1 。这两种 模式可以同时存在于一个u s b 系统中，而引入低速模式主要是为了降低对速度要求 不高的设备的成本，比如鼠标、键盘等【1 7 1 。 1 u s b 物理特性 数据在u s b 总线上实际传输时，使用的是反向不归零编码的差分信号，这种信 号有利于保证数据的完整性和消除噪声干扰【堋。 在u s b 设备连接时，u s b 系统能自动检测到这个连接，并识别出其采用的数 据传输速率。u s b 采用在d + 或d 哉上增加上拉电阻的方法来识别设备类型。 2 u s b 通信协议 包( p a c k e t ) 是u s b 系统中信息传输的基本单元，所有数据都是经过打包后在总 线上传输的。u s b 包由五部分组成，即同步( s y n c ) 字段、包标识符( p d ) 字段、数 第二章系统功能分析及相关技术概要中央空调水循环变频节能控制系统的开发 据字段、循环冗余校验( c r c ) 字段和包结尾( e o p ) 字段。数据字段可以包含设备地址、 端点号、帧序列号以及数据等内容。 根据包所实现的功能，可以分为3 种类型：令牌包、数据包和握手包。其中， 令牌包定义了数据传输的类型，数据包中含有需要传输的数据，握手包指明了数据 接收是否成功。 3 u s b 其它技术要点 u s b 协议支持控制传输、同步传输、批量传输和中断传输方式。j b 8 通信卡的 设计过程中，主要使用了控制传输用来初始化u s b 设备，读取描述符、配置描述符 等等初始化工作。 另外，主机与设备之间就必须遵循某种特定命令格式，以达到通信的目的。而 这个命令格式就是u s b 规范书中所制定的“设备请求。这个设备请求的设置、清 除与取得都须通过控制传输时的数据交换来完成。设备请求包括清除特性、获取描 述符、设置地址以及设置配置等等。 2 3 2 设备列举过程 在描述符和设备请求的基础上，设备列举可以简单地概括为这样的一个过程： 主机通过u s b 设备请求来取得设备描述符并对该设备进行配置。该过程可以简化为 如下几个步骤【1 8 】： 第一步u s b 集线器通知主机有设备连接到u s b 总线上，此时u s b 设备处于 供电状态。 第二步主机查询u s b 集线器来获取设备信息，并且等待l o o m s ，让设备总线 处于供电稳定并且设备使能u s b 端口，此时u s b 主机向设备发送复位请求。 第三步u s b 设备复位后，通过默认地址对总线标准请求进行响应。 第四步u s b 主机为u s b 设备分配一个设备地址，并通过读设备描述符来获得 设备端口的最大载荷。 第五步u s b 主机获得设备配置信息，并根据配置信息向设备发送设备配置请 求，u s b 设备响应该请求后列举过程结束。 2 4m o d b u s 通信协议 在本系统中，g p 3 2 采用m o d b u s 协议与系统中的多台变频器进行通信。 m o d b u s 协议运行于单主多从的控制网络中，在同一时刻主机和从机只能 有一个发送数据而另一个只能接收数据。数据在串行异步通信过程中，是以报文的 1 2 中央空调水循环变频节能控制系统的开发第二章系统功能分析及相关技术概要 形式，一帧一帧发送。单主机多从机系统中，o 为广播通信地址，从机地址必须设 定为1 2 4 7 中一个。 主机在此是指m c u ，从机是指变频器。主机既能对某个从机单独进行通信， 也能对所有下位从机发布广播信息。对于单独访问的主机“查询命令 ，从机都要 返回一个信息( 称为响应) ，对于主机发出的广播信息，从机无需反馈响应给主机。 使用r t u 模式( 表2 - 2 ) ，消息发送至少要以3 5 个字符时间的停顿间隔来区别 2 个不同的数据帧。传输的第一个域是设备地址。可以使用的传输字符是十六进制 的o 9 ，a f 。网络设备不断侦测网络总线，包括停顿间隔时间内。当第一个域( 地 址域) 接收到，每个设备都进行解码以判断是否发往自己的。如果是自己的，则对 接受到的数据帧加以处理，在最后一个传输字符之后，一个至少3 5 个字符时间的 停顿标定了消息的结束。一个新的消息可在此停顿后开始。 表2 - 2r t u 帧格式 帧头s 1 a r t3 5 个字符时间 从机地址怕r通信地址：l 2 4 7 命令码c m d0 3 ：读从机参数：0 6 ：写从机参数 数据内容d a t a ( n - 1 ) 数据内容d 朋隗( n - 2 )资料内容：功能码参数地址，功能码参数个数，功 能码参数值等。 数据内容d 朋隗0 c r c c h k 低位 检测值：c r c 值。 c r c c h k 高位 e n d 3 5 个字符时间 整个消息帧必须作为一连续的流传输。如果在帧完成之前有超过3 5 个字符时 间的停顿时间，接收设备将刷新不完整的消息并假定下一字节是一个新消息的地址 域。同样地，如果一个新消息在小于3 5 个字符时间内接着前个消息开始发送，接 收的设备将认为它是前一消息的延续。这将导致一个错误，因为在最后的c r c 域的 值不可能是正确的。m o d b u s 协议的通信参数地址，详见附录c 。 2 5 本章小结 本章首先分模块讲述了中央空调水循环变频节能控制的系统的组成部分，对文 章将要出现的一些组成部分的概念作出解释，并分析了w c c a c 变频节能控制工作 的流程，包括器件初始化和变频控制流程。然后详细阐述了应用于j b 8 通信卡上的 u s b1 1 技术要点和基本原理。另外，本章还对变频器的m o d b u s 通信协议作了相 关分析。上述技术在以后的章节中会一一得到应用。 第三章w c c a c 变频节能系统硬件设计中央空调水循环变频节能控制系统的开发 第三章w c c a c 变频节能控制系统硬件设计 中央空调水循环变频节能控制系统是通过m c u 来控制整个变频节能过程，其功 能包括可以设置w c c a c 变频节能运行所必需的参数及对主要设备的运行状态进行 调整等等。本章首先介绍了芯片选型的相关知识，然后从硬件的最小系统设计开始， 依次介绍系统中所用到的外围电路和功能部件，最后提出设计难点以及如何采用抗干 扰设计保证了控制系统的稳定性。 。 3 1 控制系统需求分析 i ，0 口 i j r 0 口 础量 一墙k b 路开关量输出 蕊【6 台风祝i 幽。 鼻篡茹l _ _ _ - _ _ _ - _ _ ， l 】工0 1 5 z t l 运行指示灯l l 故障指示灯l 2 l 路数字量输出 1 0 台变频器频率设置和 开关控制 图3 - lm c u 输入输出分析 1 4 中央空调水循环变频节能控制系统的开发第三章w c c a c 变频节能控制系统硬件设计 由于中央空调变频节能控制系统部件、信号繁多，所以必须采用面向对象的硬 件设计方法来进行信号分析，以主控芯片为中心进行输入输出分析。( 如图3 - 1 所示) 输入部分总共包括1 4 路数据量输入( 见表3 1 ) 、1 4 路模拟量输入( 见表3 - 2 ) 及1 1 路开关量输入( 见表3 - 3 ) 。输出部分有8 路开关量输出( 见表3 4 ) 、2 1 路数 字量输出( 见表3 - 5 ) 。 表3 - 1w c c a c 变频节能系统模拟量输入一览表 类型编号名称命名来源说明 测量范围4 - 5 ，精确度0 。5 冷媒水供冷媒水出水热 ，安放在分水缸口，输出 1 c w o t e m p 水温度电阻传感器4 - 2 0 m a 电流信号。 测量范围为0 - 1 0 0 测量范围4 一5 ，精确度o 。5 冷媒水回冷媒水回水热 ，安放在集水缸口，输出 2a m t c m p 水温度电阻传感器4 - 2 0 m a 电流信号 测量范围为0 - 1 0 0 模拟 3 冷媒水供冷媒水出水压安放在分水缸口，测量冷媒水出 量输 水压力 c w o s 仃e s s 力传感器水水压，输出4 - 2 0 m a 电流信号 入 冷媒水回冷媒水回水压安放在集水缸口，测量冷媒水回 4c w i s 心s 水压力力传感器水水压，输出4 - 2 0 认电流信号 冷却水供冷却水出水热 安放在冷却塔入水口，输出 5 c o r c m p 4 - 2 0 m a 电流信号测量范围为 水温度电阻传感器 0 - 1 0 0 冷却水回冷却水回水热 安放在冷却塔出水口，输出 6 c r i i e n p 4 - 2 0 n 1 a 电流信号 水温度电阻传感器 测量范围为0 - 1 0 0 冷却水供冷却水出水压测量冷却水出水压力，输出 7 c o s 缸c s s 水压力力传感器4 - 2 0 m a 电流信号 冷却水回冷却水回水压测量冷却水回水压力，输出 8c i s 仃s 水压力力传感器4 - 2 0 m a 电流信号 可能有多个，风机电源开关，表 风机状态示风机开关状态，实际中是将这 9仇d s w i t c h 开关按扭 开关个加口直