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行業(yè)資訊

 

專用新風機控制器的設計

2015-03-13
　　計算機應用專用新風機控制器的設計上海大學自動化學院（上海200072）肖學軍王健重點介紹了新風機控制器功能、軟硬件設計與CAN總線通信。應用結果表明，該裝置工作可靠、便于擴展、精度高，能較好地實時監(jiān)控環(huán)境溫度濕度的變化。
　　在智能建筑的樓宇自動化系統(tǒng)中，利用新風機對環(huán)境溫度、濕度進行有效的節(jié)能控制是一件十分重要的工作。傳統(tǒng)的方法是采用直接數(shù)字控制器（英文縮寫為DDC）的方式，將新風機的檢測點、控制點連接到一臺或多臺DDC上對多控制點實時監(jiān)控。然而，現(xiàn)代智能建筑的溫濕度控制點較多且處于不同的樓層，采用DDC控制將使控制器到控制點的引線過長，給施工帶來不便，也可能降低系統(tǒng)通信的實時性和可靠性。
　　本文介紹了一種應用80C196KC單片機設計的專用的新風機控制器，它能控制不同型號的新風處器局域網(wǎng)）總線技術，使通信可靠、快捷通過采取一些軟硬件的優(yōu)化措施，簡化了硬件電路的設計和軟件的編程，提高了程序運行效率，較好地滿足了智能建筑對環(huán)境的智能化要求和節(jié)能要求。
　　新風處理機是一種非獨立式空調(diào)機，它本身并不帶有制冷機，空氣的冷卻和加熱是通過冷熱管盤中冷熱水的循環(huán)、然后與空氣之間對流來實現(xiàn)的。
　　本文介紹的新風機控制器是新風處理機的專用控制器，它通過單片機的實時監(jiān)控調(diào)節(jié)送風電動機的轉速、風門的位置和冷熱盤管水閥門的開度，實現(xiàn)對溫度、濕度的智能化調(diào)節(jié)?？刂破鲗y控量只區(qū)分為模擬量輸入/輸出和開關量輸入/輸出，可對工作在不同系統(tǒng)環(huán)境下（如二管式、單一冷水，二管式、冷熱水合用，四管式、冷熱水獨立）的新風處理機進行控制，可對定風量型、變風量型新風處理機進行控制。
　　新風機控制器作為樓宇自動化系統(tǒng)中一個現(xiàn)場控制器，通過CAN總線接收樓宇自動化系統(tǒng)主機的各種操作控制命令，也可接收樓宇自動化系統(tǒng)主機下達的各種設定參數(shù)。兩個或兩個以上的新風機控制器彼此之間還能通過CAN總線進行實時數(shù)據(jù)通信，可以實現(xiàn)本地測量、異地控制。當新風機控制器脫離樓宇自動化系統(tǒng)，作為一個獨立的控制器工作時，也能通過手持式編碼器對被控制的新風機的各種狀態(tài)參數(shù)和測量參數(shù)進行顯示或修改。
　　1控制器功能及軟硬件實現(xiàn)新風機控制器的硬件功能主要是自動檢測新風機的工作狀態(tài)和運行參數(shù)，根據(jù)設定的算法對新風機進行閉環(huán)控制，使新風機工作在最佳狀態(tài)。新風機控制器的主要功能如下：1 .檢測回風的溫濕度，與設定的溫濕度進行比較后，控制冷熱水和蒸汽電動調(diào)節(jié)閥的動作，使回風的溫濕度保持在所需要的范圍。
　　2 .檢測回風和新風的溫度和濕度，進行回風和新風的焓值計算，按回風和新風焓值的比例，控制回風風門和新風風門的比例開度，使系統(tǒng)達到節(jié)能的效果。
　　3 .可設定各種控制方式和控制參數(shù)，包括時間、風量、溫濕度的設定。
　　4 .具有自動報警功能，包括風機故障報警、過濾器淤塞報警、溫濕度越限報警等。
　　5 .使風門與風機連鎖，電動調(diào)節(jié)閥與風機啟動連鎖，確保系統(tǒng)工作安全。
　　控制器為了實現(xiàn)最佳配置，應用中以Intel公司16單片機80C196KC為核心，利用多達6路的高速輸出器HSO來產(chǎn)生PWM輸出，可以使系統(tǒng)具有9路模擬量輸出和8路模擬量輸入的能力。
　　80C196KC片內(nèi)RAM為488字節(jié)，它們都可以作為通用寄存器來訪問，這使得程序的每一個模塊都可以有自己的專用寄存器使用，增強了模塊的獨立性上海貝爾有限公司021 5854 1240和抗干擾性?？刂破饔布娐穲D如圖1所示。
　　度超限時的報警指示，但P1 .3、P1 .4和P2 .5一起作為PWM方波輸出端。P2口除完成一些特殊功能外，還為串行通信提供控制信號、為看門狗電路X25045提供片選信號。時鐘芯片DS12887A在程序中可編程為提供每秒定時中斷，通過HSI.0向80C196KC提出中斷請求，在到達設定的間隔時間后將執(zhí)行增量型PID控制算法和模糊控制算法。
　　X25045實現(xiàn)硬件看門狗功能，它也提供512Bytes EEPROM來保存重要的系統(tǒng)控制參數(shù)。每當系統(tǒng)掉電、上電后，通過串行時鐘輸出端SO將重要的系統(tǒng)參數(shù)讀到特定RAM區(qū)，使程序恢復正常運行。
　　在軟件設計中采用模塊化設計方法，主要可分為：初始化模塊、命令處理模塊、執(zhí)行算法模塊、控制參數(shù)讀寫模塊和定時模塊。另外，用戶根據(jù)需要還可編碼實現(xiàn)與手持式編程器通信的通信模塊、實現(xiàn)與樓宇自動化系統(tǒng)主機通信的CAN總線通信模塊。
　　程序運行中，首先完成初始化部分，然后實時采集各模擬量輸入通道的溫度、濕度值，采集風機、過濾器等設備的開關狀態(tài)和數(shù)字量輸入信號，當溫度、濕度正常時，執(zhí)行溫度和濕度算法，輸出相應控制量給執(zhí)行器如果發(fā)現(xiàn)溫度或濕度超過了設定的上下限，立即會聲、光報警，同時控制器輸出相應的極限值到執(zhí)行器，使溫度或濕度盡快回到設定范圍。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在軟件上程序對所采集的數(shù)據(jù)采用數(shù)字濾波技術消除毛刺，對重要的操作英特爾技術發(fā)展（上海）有限公司021 6485 2828命令（如對系統(tǒng)輸出量）進行多次重寫以保證系統(tǒng)可靠運行。
　　2控制器軟硬件的優(yōu)化措施2 .1PSD器件使用新風機控制器選用可編程系統(tǒng)器件PSD302進行系統(tǒng)擴展和I/O重組，它將單片機所需的大部分編程邏輯器件（PLD）集成在一塊芯片上，并提供8路開關量輸入和8路開關量輸出，大大減少了元件數(shù)、節(jié)約了電路板空間，而且可以滿足通常情況下系統(tǒng)對外部構造的需求。
　　PSD302由DOS環(huán)境下運行的Maple軟件進行器件的構造，具體構造為：多路復用地址數(shù)據(jù)模式、16位數(shù)據(jù)總線、復位低有效、選擇RD及WR 系統(tǒng)中PA口用8路開關量輸入， PB口用于8路開關量輸出，PC口被定義為芯片選擇，通過芯片選擇方程對地址進行譯碼，為系統(tǒng)中的其他芯片提供片選輸出信號。
　　PSD302中64K大容量的EPROM使得在程序可以同時采用PID控制算法和模糊控制算法進行分段控制，提高控制質(zhì)量也使得在程序中能進行回風和新風的焓值計算，按回風和新風焓值的比例，控制回風風門和新風風門的比例開度，使系統(tǒng)達到節(jié)能效果。
　　80C196KC提供了外設事務服務器PTS功能，PTS與普通中斷所不同的是，普通中斷程序在進入中斷入口時要保護程序指針、工作現(xiàn)場寄存器，退出時又要恢復現(xiàn)場，而PTS則不需要。它是以微碼方式自動在程序間隔中插入執(zhí)行，節(jié)約系統(tǒng)的開銷，加快中斷處理速度。
　　和中斷向量相似， PTS也有一個PTS向量表，都指向一個PTS控制塊（PTSCB），控制塊必須駐留在內(nèi)部RAM空間（1AH～1FFH）內(nèi)，其首址應能被8整除。80196KC提供了5種PTS模式，新風機控制器使用了A/D轉換的PTS方式。另外，80C196KC提供了兩種A/D轉換速度，我們選用高速A/D轉換以進一步提高程序運行的效率。以下是PTS方式A/D轉換的程序片斷：ADPTS結束中斷，PTS向量表，賦A/ D轉換結果表格的首址命令寄存器的地址恢復A/ D轉換結果表格的首址賦TS方式的命令字賦A/ D命令暫存單元地址賦A/ D轉換的通道數(shù)允許AD轉寄存器窗口1啟動A/ D通道0等待8通道A/ D結束建立A/ D結束標志程序中，首先將A/D結束中斷AD映射到PTS通道，使PTS工作于A/D模式，隨后對PTSCB進行初始化，賦A/D源/目的寄存器ADS D ，使其指向一個用于存放A/D轉換結果的表格的首址（）。
　　地址偏移量內(nèi)容地址偏移量內(nèi)容通道1的A/ D命令通道5的A/ D命令通道0的A/ D結果通道4的A/ D結果通道2的A/ D命令通道6的A/ D命令通道1的A/ D結果通道5的A/ D結果通道3的A/ D命令通道7的A/ D命令通道2的A/ D結果通道4的A/ D命令0000H（空命令）通道3的A/ D結果通道7的A/ D結果上海貝爾有限公司021 5854 1240在恢復A/D轉換結果表格的首址后，將對PTS控制塊PTSCB中的另三個寄存器進行賦值：PTS方式命令字ADPTSCON、A/D命令暫存單元ADREG和A/D轉換的通道數(shù)ADPTSCNT.然后清A/D結束標志，開放中斷，并啟動通道0的A/D轉換。在最后一個PTS周期，空命令裝入AD PTS結束中斷AD PTS ，建立A/D結束標志。
　　2 .3節(jié)能控制控制器的執(zhí)行算法模塊主要采用了增量型PID控制算法和模糊控制算法，PID控制的控制參數(shù)可預先設定。程序開始運行后，被控量的偏差較大，此時將采用增量型PID控制算法，根據(jù)被測量偏差e、偏差變化量Δe在實時響應曲線中所處的不同階段自動調(diào)節(jié)比例、積分、微分系數(shù)，實現(xiàn)系數(shù)的自尋優(yōu)，使被控量盡快回到設定值附近然后，當偏差處于某一預定范圍內(nèi)時，將采用模糊控制算法減少控制量對被控量微小變化產(chǎn)生過于靈敏的動作，防止被控量在設定值附近產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，實現(xiàn)PID控制算法和模糊控制算法的理想結合，使系統(tǒng)達到節(jié)能目的。
　　在軟件編制中，根據(jù)室內(nèi)外的環(huán)境溫濕度以及新風門、送風門和回風門的開度自動進行夏季※過渡季※冬季※過渡季的轉換。具體過程如下：夏委新風門保持開度最小，當室外空氣溫度或焓值比回風/送風溫度或焓值低時，將進入過渡季，全開新風門、送風門，全閉回風門。
　　當冷盤管水閥門全閉時，如果回風/送風溫度仍然下降，則關小新風門、送風門，開大回風門，通過調(diào)節(jié)新風/回風的混合比例來調(diào)節(jié)室溫。如果新風門達到最小開度時仍不能滿足要求，將逐漸打開熱盤管水閥門，進入冬季。
　　當室外空氣溫度或焓值比回風/送風溫度或焓值高時，將再次進入過渡季，全開新風門、送風門，全閉回風門，同時調(diào)節(jié)熱盤管水量。
　　當熱盤管水閥門全閉時，如果回風/送風溫度仍然上升，則關小新風門、送風門，開大回風門，調(diào)節(jié)新風/回風的混合比例來調(diào)節(jié)室溫。如果新風門達到最小開度時仍不能滿足要求，將逐漸打開冷盤管水閥門，進入夏季。
　　以上步驟將完成一個季節(jié)轉換的循環(huán)。
　　3 CAN總線通信CAN總線作為一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，是一種多主總線，它的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼，使網(wǎng)絡內(nèi)的節(jié)點數(shù)在理論上不受限制。
　　CAN總線的應用在20世紀90年代初開始受到重視，它的數(shù)據(jù)段的長度最多為8個字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領域中控制命令、工作狀態(tài)及測度數(shù)據(jù)的一般要求。CAN總線因傳輸時間短，受干擾的概率低，保證了通信的實時性其協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，同時保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。
　　在智能建筑中，溫、濕控制點處于不同的樓層，采用CAN總線技術使新風機控制器對控制點實現(xiàn)分層、就地檢測與控制。編程時，將各種越限報警信息在總線上的傳送的標識符ID設為最高優(yōu)先級，樓宇自動化系統(tǒng)主機向下級節(jié)點傳送信息的標識符ID優(yōu)先級次之，以此來判定當多個節(jié)點同時發(fā)送信息時哪一個節(jié)點應該占據(jù)總線。
　　當CAN總線上的各個節(jié)點（包括樓宇自動化系統(tǒng)主機和兩個以上的新風機控制器）工作正常時，系統(tǒng)內(nèi)的新風機控制器只將各種狀態(tài)信息（如溫、濕度的檢測器，工作狀態(tài)寄存器，報警狀態(tài)寄存器），定時地發(fā)給主機以及程序中預先設定的其它新風機控制器來完成通信。當某個節(jié)點發(fā)生故障時，它立即以廣播方式通知CAN總線上的所有節(jié)點，并發(fā)出聲、光報警信號，等待系統(tǒng)維護人員處理。如果在一定時間內(nèi)報警狀態(tài)仍沒有被解除，新風機控制器自動將當前的各種狀態(tài)信息寫入SRAM中（便于以后的數(shù)據(jù)分析）并切斷電源。
　　當通信介質(zhì)采用雙絞線，通信位速率為20kbit/ s時，CAN總線系統(tǒng)內(nèi)任意兩個節(jié)點之間的距離可以達到3 .3km ，完全能滿足智能建筑內(nèi)部的通信要求，使新風機控制器的控制功能達到最大程度的擴展。
　　4結束語本文簡要介紹了新風機控制器的軟硬件設計方法，不難看出，由于采取了一些軟硬件的優(yōu)化措施，簡化了系統(tǒng)的軟硬件的設計，提高了程序運行效率通過采用CAN總線技術，使樓宇自動化系統(tǒng)內(nèi)部的通信可靠、快捷，并達到了良好的節(jié)能效果。實際應用證明本裝置控制效果好、可靠性高，自動運行時溫度控制精度達到±0 .5°C ，濕度控制精度達到±2 RH 系統(tǒng)具有良好的可擴充性，稍加改動就可推廣到除智能建筑以外更廣泛的領域使用。
　　轉載：互聯(lián)網(wǎng)
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