毕业设计 机房节能控制系统研制报告

- 0 -机 房 空 调 节 能 控 制 系 统研 制 报 告南宁铁路局电务处南宁铁路局南宁电务段广西工学院2011 年 5 月- 1 -1 系统概述 1.1 任务来源现在 TDCS 系统已经在我局所有车站投入运用，并且随着微机联锁系统在全局的推广使用，以及电子设备的大量应用，车站机械室内必须采用空调降温的方法来保证设备的正常运行。这是因为电子设备长时间在规定温度范围外的环境下运行，会导致设备的可靠型降低和缩短使用寿命，而且长期在极限环境下运行会导致设备的灾难性故障。另外，车站通信机房中也必须采用空调降温的方法来保证设备的正常运行。以来宾站信号机械室的实测情况为例，当室外温度是 9时，室内温度已达 22，所以不论室外温度的高低，每年的 4 月到 11 月，空调都必须处于开机状态，遇到暖冬时，还需要根据天气情况决定是否开机降温，耗电量巨大并且存在控制不及时和不准确等问题。空调常年开机不仅毫无必要，而且空调的设备损坏率也较高，维护和运行成本较大。我们通过调查研究，发现广西的平均气温在 20.1220.45，在最为炎热的 7、8 月份平均平均气温为 27.3，夜间温度 80%低于25，如果能够充分利用室外夜间温度低的特点，实现室内外空气交换，就可降低机房空调的运行时间，大幅度减少机房空调电力消耗，实现机房节能运行。在充分调研的基础上，向局科委办申请了“机房空调节能控制系统”课题，2009 年局科委办下达了“机房空调节能控制系统”的课题任务（合同号：电 0905） 。- 2 -1.2 研制目标1.2.1 研究开发的主要内容：信号机械室、车站通信机房对温湿度、洁净度和噪声有一定的要求，需要适宜的温度和湿度，以保证机备设备长期稳定工作，适宜的湿度可以防止静电危害并降低浮尘。关于机房场地国家有一个国标 GB288789 计算机站场地技术条件中 4.4.1.3 条规定开机时机房内的环境温度、湿度标准，其中环境温度为：A 级 222，B 级 1530，C 级 1035；环境湿度为：A 级 4565，B 级 4070，C 级 3080；一般通信机房的标准均应达到 A 级标准。当前信号机械室执行 B 级标准，车站通信机房执行 A 级标准。洁净度：符合标准 ASHRAE52-76，空气中 0.5nm 的尘粒数少于18000 粒/升。噪声：关闭主设备的条件下，在工作人员正常办公位置处测量不高于 68dB(A).(GB)。利用机房室内室外空气交换的方法实现节能，必须解决以下几个问题：（1）监测机房室内室外的温度和湿度，在湿度满足标准要求的情况下，且室内室外的温差达到 3以上，可以进行室内室外空气交换。（2）交换的空气必须是洁净的空气，因此流入室内的空气要进- 3 -行过滤。（3）有些机房位于货场和公路附近，为保证空气滤网的使用周期，要监测室外空气的粉尘度。（4）要能实现与空调设备的可靠联动。（5）因为大多数机房是无人值班，要有设备运行记录、报警功能，且能够实现远程记录和报警功能。（6）安装维护要方便。根据以上要求，并进行了大量调查研究后，对机房空调节能系统的研发主要分二个部分：（1）室内温度、湿度、粉尘度自动控制，空调自动控制，净化通风机自动控制。系统根据环境温度、湿度和粉尘度自动控制空调或者净化空气通风设备，保证室内温度、湿度和粉尘度在给定的范围内。尽量利用机房室外的冷空气进行通风降温，减少空调开机时间，实现节能目的。(2)GPRS 无线网络通信管理及远程报警监控。通过 GPRS 无线联网通信，实现无人值守远程监控信号集中楼、机房等空调系统，减少维护和运行成本。也可通过联网火警报警、烟雾报警、防盗报警系统，远程监控电务机械室、各种机房中设备的安全。- 4 -1.2.2 主要技术指标： (1)可对任何种类空调进行自动控制，不需要对机房设备进行大的改造。(2)采用净化风机进行机房通风降温，风机空气虑网维护清洁周期在 1 个月以上。无沙尘及空气质量好的地区可达 3 个月以上。(3)采用 RS485 总线控制模式，设备扩展方便。(4)机房温度控制范围 2030 度，湿度：1585%；可根据需要设置控制范围。(5)采用 GPRS 网络，实现机房联网，数据监控，远程报警及控制管理。(6)空调节能每年 2060左右，南方地区节能较北方少些，昼夜温差大的地区节能效果较好，同时不同的季节节能效率不同。(7)电源：交流 220V，50Hz。(8)LCD 大屏幕显示屏，类 Windows 操作界面，操作使用方便。(9)控制系统功耗小于 15W。1.3 系统的设计原则1.3.1 系统的设计原则 （1）高可靠性：主控制器 CPU 采用飞利浦 ARM7 系列器件，温湿度传感器及粉尘传感器均采用瑞士或日本进口器件，保证系统的高可靠性。- 5 -（2）标准化设计：所有的控制设备，如：风机控制器、空调控制器及温湿度传感器均采用标准 modbus 通信协议，电路设计统一为两个类型，安装维护方便。（3）总线式系统结构设计：各类控制设备及传感器均采用RS485 总线方式通信和实现控制，设备分为传感器和控制器两大类。（4）低功耗设计：控制系统全部采用低功耗器件和模块，每套控制系统整体功耗小于 15W。1.3.2 系统的硬件运行环境（1）远程监控服务器：CPU： Intel Pentium41.7G 或更高；内存：256M；硬盘：20G；监视器：15 或 17 寸 VGA 支持 1024*800 或 800*600 分辨率；定位设备：Microsoft 鼠标或兼容设备；有线宽带网络，带宽 1M 以上。（2）机房节能主控制器：处理器：飞利浦 ARM7 LPC2318；日志存储器（FLASH）：4M32M 可选；RS485 设备挂载能力：32 个；显示屏：128X64LCD 屏幕- 6 -无线通信：自开发透明传输 GPRS 模块；2. 系统设计2.1 系统结构图LCD18nmxyzGPRS . . . nmxyz2.2 节能系统控制原理及逻辑（1）控制原理每个机房的节能系统至少包括一个室外温湿度传感器、室内温湿度传感器、风机控制器和空调控制器组成的最小系统。当室外温图 1：系统结构图- 7 -度较低，湿度和粉尘度都符合通风要求时，则开启风机通风降温；当室外温度较高或与室内温度差别不大时，则开启空调进行降温。全部控制参数均可自定义设置，可将机房内温度稳定在设定的范围内。（2）控制逻辑 假设系统参数作如下表示：室内温度 ，室外温度 ，室外粉iToT尘高限 ，室内上限温度 ，下限温度 ，上限湿度 ，下限湿hFhTl hH度 ，空调停机温度 ，报警温度 ，风机工作最低温度 （室外温lHsg t度过低时，如霜露，停止通风系统） ；系统设置参数如下：a、 （最高容许温度）不论室外温度高低，开空调降温。iThb、 （停机温度）关闭空调、通风系统。isc、 ：sihT当 时，开空调降温。oT2/)(lh当 时，室外湿度、粉尘条件容许；开启t l通风系统降温；室外湿度、粉尘条件不容许：开空调降温。d、当 时，如果 ，开空调降温，到达 停机温度关oTt iTh sT闭。e、任何时候，当粉尘度高于 时，均切换到空调开机状态，hF停止风机通风。f、任何时候，一旦出现风机故障则自动根据需要切换到空调开机状态。g、任何时候，一旦空调故障则自动根据需要切换到风机强制通- 8 -风状态。h、空调一旦开启，最小运行时间有一定限制，可自行设定，一般不小于 60 分钟，避免空调频繁启动造成温度波动过频及空调损坏。当到达最小运行时间后， ，判为空调故障，开风机通风，并iTh输出告警信号。2.3 报警触发机制系统出现如下情况时自动报警：风机控制器通信故障，空调控制器通信故障，温湿度传感器故障，空调无法降温故障，其他接入的火警、红外报警等触发。a、风机控制器通信故障，当主控制器无法与风机控制器通信时，控制器声光报警，写入报警记录，根据需要传送到远程控制中心。b、空调控制器通信故障，当主控制器无法与空调控制器通信时，控制器声光报警，写入报警记录，根据需要传送到远程控制中心。c、当系统处于空调开启状态，经过一定时间运行，室内温度无法降低时，控制器声光报警，写入报警记录，根据需要传送到远程控制中心。d、当系统内接入火警信号、红外报警及防盗信号时，一旦触发，控制器声光报警，写入报警记录，根据需要传送到远程控制中心。2.4 远程监控设计节能系统可通过有线（直接 RS232、转换 RS485 或转换 RJ45）- 9 -直接与远程监控中心联网实现实时监控，也可外挂透明传输类 GPRS或 3G 通信模块进行远程联网监控。2.5 电话激活 GPRS 远程监控功能系统采用自开发的 GPRS 模块作为远程监控接入方式时，系统联网有两种方式可供选择。一种为永久在线模式，一种为电话激活方式。激活电话可自行定义，一般不超过 4 个，如果不设置，则任何电话均可激活。3、系统的关键技术及实现3.1 温湿度传感器温湿度传感器芯片采用瑞士 Sensirion 公司生产的具有 I2C 总线接口的单片全校准数字式相对湿度和温度传感器 SHT11。该传感器采用独特的 CMOSens TM 技术，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点。测湿度精度3%，测温度精度0.4。为了使温湿度传感器的安装维护方便，我们把时钟电路、RS485芯片和 SHT11 芯片制作在一块电路板上，通过 4 芯航空插头与主控制器联接，并把电路板置于一个铝质金属管中，注入环氧树脂密封，SHT11 芯片用透气性很好的烧结铜罩保护好，如图 2 所示。- 10 -3.2 粉尘传感器模块采用日本神荣的 PPD20V 粉尘传感器模块（如图 3 所示） ，它是通过检测光量的变化来感知生活环境的粉尘(浮游粉尘),并且通过电压输出的传感器模块，它具有如下特点：可以感知烟草产生的烟气和花粉,房屋粉尘等；微米以上的微小粒子；体积小,重量轻,便于安装；5V 的输入电路,便于信号处理；内藏气流发生器,可以自行吸引外部大气；保养简单,可以长期保持传感器的特性。为防止外部的强气流从吸排气口涌入模块内部从而扰乱内部的气流,需要在模块上安装外壳或挡板，我们将粉尘传感器模块安装在一个前后装有透气窗口的小盒里，如图 4 所示。由于粉尘传感器模块价格较高，考虑到不是所有机房周围的空气质量都很差，所以把它设计成一个选装模块，由用户自行选择。图 2：温湿度传感器- 11 -3.3 净化空气通风系统3.3.1 进气口进气口采用直径为 200 墙洞，墙洞向外倾斜 10，以防雨水倒流，墙洞上还设有防鼠网，墙洞上方加装雨棚，防止雨水被气流吸入溅湿滤网，如图 5 所示。3.3.2 抽风过滤设备抽入的空气首先要进行过滤，以保证进入机房内空气的洁净度，根据机房对空气的洁净度的要求，我们先用网孔小于 5m 空气滤网，如图 6 所示，为增加空气滤网的面积，空气滤网采用折叠布置。图 3：粉尘传感器模块图 4：粉尘传感器模块机盒图 5：进气口- 12 -抽风机示意图如图 7 所示。由于进气口有空气滤网阻隔，抽风机必须产生足够的风压，空气才能抽进室内，因此风机要设计成轴流风机的结构。风机的选用要考虑这么几个因素：可靠性要高，能够产生足够的风压；噪声能够满足机房对噪声的要求；体积大小方便安装维护，采用 AC220V，50Hz 单相电源。综合以上要求，我们选用德国进口的 EBM 电机，型号为 S4E-300-AP-26-01，风扇叶尺寸：300mm，额定转速：1390rpm，最大风量：1740 m/h。噪音指数：59 dB(A)。抽风机的实际安装效果如图 8 所示，每个机房安装的数量，以每小时换气 6 次计算，加上了空气滤网后风量会降低 25%。图 7：抽风机示意图图 6：空气滤网- 13 -因为机房是一个密闭的空间，有进气，一定要有匹配的排气风机，才能维持机房的气压平衡，但排气风机的要求相对要低一些，用一般的工业排气扇就可以了，现场安装效果如图 9 所示，排气扇需加要防鼠不锈钢网，且安装于机房的上部，以利于热空气的排出。3.4 主控制器主控制器 CPU 采用飞利浦 ARM7 系列器件，显示器采用大屏幕19264 的 LCD 显示屏，通过 18 薄膜弹簧键盘进行各种设置、操作和手动控制。主控制器面板如图 10 所示。因为来宾车站信号机械室分为电源室、电气集中控制室和 TDCS 系统室，需要三个主控制器，为方便集中控制管理，三个主控制器、工作电源、GPRS 和 seda 5101 RS232 集线器安装的一个组合盘上，如图 11 所示。图 8：抽风机现场安装图图 9：排气风机现场安装图- 14 -主控制器可根据设置要求，自动控制空调系统和净化空气通风系统的工作，也可手动进行控制。主控制器启动后，直接按“1”键或“确认”确认键进入自动控制功能。如果 1 分钟以上没有按键操作，系统自动进入自动控制功能，并显示当前室外、室内温湿度以及空调、风机等主要设备运行状态。显示界面如图 12 所示（ON 处于运行状态，OFF 处于停止状态） 。手动控制功能主要实现两个目的，一是方便设备安装后进行调试，二是进行必要的功能测试和验证。图 10：主控制器面板和控制电路板图 11：主控制器、工作电源、GPRS 和 RS232 集线器组合盘上前后图片- 15 -主控制器可直接设置系统正常工作所必须的工作参数，包括总线控制设备设置、检测端口设置、输出端口设置、工作模式设置、工作参数设置和辅助参数设置，如图 13 所示。总线控制设备可挂接个独立设备，用于控制空调、风机和加湿机、抽湿机及报警设备等。检测端口共有路，用于检测室外粉尘度、火警报警、烟度报警、红外报警信号。输出端口共有路，用于控制干节点报警、其他报警设备。本系统支持两种工作模式，、空调通风系统，、空调热交换系统。工作参数主要设置控制室内温度范围，风机系统工作满足的室外、室内湿度，高温报警温度，节能系统停机温度及通风系统工作温度等参数。设置粉尘度限制参数在辅助参数设置菜单下设置，当室外粉尘度过高时，不容许风机工作、防止灰尘进入室内和风机虑网堵塞。设置系统日期时间，更改密码，多功能除尘型风机维护，恢复出厂设置，查看机器编号及系统日志功能，可在系统维护菜单下进行。图 12：主控制器在自动模式下显示室内外温湿度和室外粉尘度的界面图 13：主控制器进行管理系统设置- 16 -3.5 空调控制器空调控制器通过总线与主控制器联接，通过继电器的干接点控制空调的启动和停止，并通过检测空调风机或压缩机电流确认空调的启动和停止是否完成。如果空调的启动和停止不成功，延时一定时间后，再自动执相同的指令，共执行 3 次，如再不成功，则确认空调故障并报警，由主控制器启动抽风过滤设备工作。空调控制器装在一小盒里，安装在空调机旁边，如图 14 所示3.6 抽风过滤设备控制器抽风过滤设备控制器和空调控制器类似，也是通过总线与主控制器联接，通过继电器的干接点控制空调的启动和停止，并检测风机的电流确认风机的启动是否完成。抽风过滤设备控制器安装在抽风机的机箱内，同时抽风机和排风机工作，如图 15 所示。图 14：空调控制器- 17 -3.7 GPRS 模块采用自开发的 GPRS 模块，安装在铁路专用安全型继电器盒里，方便安装维修和管理。我们通过 seda 5101 RS232 集线器实现三台主控制器的远程监控接入方式，节省无线通信的费用。系统联网有两种方式可供选择。一种为永久在线模式，一种为电话激活方式。激活电话可自行定义，一般不超过 4 个，如果不设置，则任何电话均可激活。GPRS 模块如图 16 所示。图 15：抽风过滤设备控制器图 16：GPRS 模块和 RS232 集线器- 18 -3.8 远程监控管理与日志管理远程监控可实现按地址 1254 分配的多台机房节能控制系统的远程监控。主要内容为每台节能控制系统的各个参数和数据；其中包括：室外温湿度、室内温湿度、风机状态、空调状态、粉尘及各类报警信息，远程监控管理与日志管理界面如图 16 所示。4、系统在来宾站的试用情况2010 年 2 月 11 日，PW01 型机房空调节能系统在来宾站信号机械室安装调试成功。来宾站是一个大站，信号机械室分为三个机房，分别是信号电源室、继电器室和 TDCS 室，所以分别安装了三套PW01 型机房空调节能系统。信号电源室和继电器室空间比较大，抽图 16：远程监控管理与日志管理界面- 19 -风过滤设备均安装了两套。2010 年天气比较暖和，3 月下旬机房空调节能系统就投入正常使用，效果良好。但在试用过程中也出现了一些问题，因为来宾站的照明和空调交流电源取自车站生活电源，一直以来都存在电压不稳的情况，高峰时期空调不能启动，后经柳州供电段处理后，PW01 型机房空调节能系统一直稳定运行，并取得了较好的节能较果。5. 系统特点（1）性能稳定可靠：采用多处理器及 RS485 总线控制模式，所有输出控制采用继电器隔离，有效隔离强电、弱电，抗干扰能力强，即使意外情况造成系统死机，系统可自动恢复运行。绝大部分情况下均不直接控制强电设备，而是以信号控制为主，大大提高控制可靠性。风机、空调控制均为闭环控制模式，监控风机、空调工作电流、温度等参数，保证控制可靠、准确。（2）安装方便，操作简单：空调、风机等设备，信号检测传感器，温湿度传感器安装在同一条 RS485 总线上，通过系统设置即可正常工作。即：先无序安装，后有序设置，无需死记硬背。采用大屏幕 LCD 显示屏，操作界面友好，操作、设置简单容易。（3）系统接口冗余量大，容错性好，维护方便：如果某路控制、检测接口有故障，不用将线路转插到相同类型的空余接口，经过设置，即可继续正常工作。（4）智能化程度高：可充分利用室外温度、室内温度差进行工- 20 -作；例如：当室外温度低于室内温度一定范围，系统先启动热交换风机进行预降温，然后再根据情况决定是否使用空调。（5）安全性高：系统设有管理员密码认证功能，更改系统工作模式或参数