基于分布式溫度采集技術的中央空調節能運行方案設計

陳孜虎

基于分布式溫度采集技術的中央空調節能運行方案設計

陳孜虎

（中冶建工集團有限公司 重慶 400084）

針對樓宇中央空調系統運行溫度智能控制存在的問題，提出了一種現場可編程門陣列FPGA控制的數字式溫濕度傳感器對各樓層、多點進行溫度實時巡檢，對溫度、濕度進行定時采集，測量結果通過RS485總線傳輸至主機，分析計算后輸出控制指令對風機盤管進行變頻控制。對水系統的溫度和流量參數進行采集，通過工控機對空調負荷與末端負荷進行匹配分析，輸出對水系統進行變頻控制指令，使其與末端負荷實現匹配運行，從而達到節能的效果。采用神經網絡與預測控制相結合控制策略，實現了對大遲延、大慣性對象優化控制；采用組態軟件LabVIEW編寫了通訊與控制程序。

中央空調；變頻控制；預測控制；變流量；節能

0 引言

由于中央空調系統設計是以最大負荷工況考慮的，因此大部分時間空調系統都運行在設計負荷的60%以下，空調系統換熱端實際負荷與設計負荷之間存在較大的差別。對于民用建筑而言，中央空調運行能耗占建筑物總能耗的30%~50%，對于大型水系統中央空調來說，水系統耗電量約占空調總耗電量的15%~20%。中央空調水系統是采用定流量的運行方式，在部分負荷工況下，造成嚴重浪費。另外，對于醫院等公共場所，末端用戶溫度過低或者長時間打開門窗的現象非常普遍，這樣也增加了空調系統的運行能耗[1]。

因此，根據空調系統末端的負荷變化，對水系統進行變流量控制及對末端盤管電機進行變頻調速控制，既可降低中央空調系統循環水泵的能耗，又可改善末端用戶的舒適溫度；通過變頻控制能夠將中央空調運行狀態與末端負荷進行良好的匹配，從而使得制冷機組、循環水泵與末端盤管風機之間處于合理的運行參數上，因此，將會帶來相當可觀的節能效果。通過變頻節能設計與改造，實現建筑的節能具有十分重要的意義[2]。

1 變頻節能設計方案簡述

對于水系統中央空調系統而言，變頻控制包括兩個方面，一是機房內的循環水泵電機進行變頻控制[2,3]，二是末端風機盤管的變頻控制；實現冷卻水冷凍水循環量與末端用戶總負荷相匹配的目的。末端用戶內，工控機根據溫濕度傳感器的數據，計算出末端需要的合適參數，發布指令對末端盤管電機進行變頻調節，將末端風量與末端實際制冷負荷匹配。機房內，工控機根據全部末端所需冷量的總和，計算冷凍水循環水泵需要提供的冷凍水流量，進而確定冷卻水所需的流量，發布指令對循環水泵電機進行變頻控制。整個中央空調系統采用集中控制的模式，將機組負荷、循環水泵流量、末端用戶風量進行綜合協調控制，從而達運行能耗的目的。

另外，對于公共建筑而言，會出現長時間的門窗開啟現象，從而導致嚴重的能源浪費。因此，該方案中采用感應式門窗狀態傳感器，對門窗的開關狀態進行監測，如果超過設定時長門窗依然處于開啟狀態，則傳感器會將信號發送至接收器，接收器經過數據處理之后發送指令房間溫度控制器，關閉房間空調末端；或者啟動報警器，提示用戶進門窗的關閉操作。

2 分布式溫度采集系統

分布式溫度采集通過單總線數字式溫度采集傳感器DS18B20[3]來實現，僅需要單線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊，將數據線、控制線和地址線融合為一體，一根信號線上能夠連接數百個器件，通過微處理器芯片唯一對應的序列號進行編碼識別?？偩€采用數字信號傳輸，系統抗干擾能力強、可靠性高、傳輸距離遠、功耗小，對于需要采集各個末端溫度信號的中央空調控制系統而言，是非常適合的，且節省工控機的I/O口資源，系統構成簡單，成本低，便于總線擴展維護。

DS18B20由一根I/O數據實現供電和傳輸數據，并可由用戶設置溫度報警界限，被廣泛應用于分布式溫度測量和控制溫度的場所。溫度監測電路如圖1所示。

圖1 溫度監測電路圖

DS18B20數字式傳感器內部結構如圖2所示，包括光刻ROM、感溫元件和報警觸發器等。DS18B20的檢測的數字轉換結果采用16位二進制數的格式文本存儲于ROM中，微處理器根據巡檢指令進行讀取與傳輸。溫度測量范圍為-55℃～125℃，數字轉換結果以二進制方式輸出，轉換的位數可通過寄存器設定。DS18B20內部有2個字節RAM單元用來存放轉換后的數據參數。

圖2 DS18B20數字式溫度傳感器結構圖

為了實現溫度的分布式溫度采集系統的實時性，采用FPGA作為溫度采集微處理，可同時實現多個用戶的溫度檢測，并無需每一個數字式傳感器的序列編號，這就大大提高了溫度采集系統的實時性和可靠性。雖然基于FPGA的分布式溫度系統成本相對較高，但對于空調系統需要較高的溫度實時性，該方式對于大型中央空調系統而言依然是合理的。

3 控制方案設計

分布式溫度采集系統完成溫度數據的采集、顯示、執行設備的啟動與關閉、報警，以及與上位機之間的通信等。在某大廈的分布式溫度采集與監控系統的構成為：在各個監控點布若干個溫度采樣傳感器，這些溫度傳感器構成一個分支線路，配置一個控制器。根據采樣點所在樓層和分支總線的位置，確定該點對應的唯一編號；如此類推，不同樓層的采用點的控制器通過RS485總線將采集到的溫度數據傳輸給上位機，在主機上監控各溫度采樣點的溫度值。系統主要由FPGA和單總線數字式溫度傳感器DS18B20組成。

中央空調的變頻節能控制系統的主要由以下幾部分組成：工控機、西門子MM430變頻器、風機盤管變頻器、溫度采集模塊、RS232/RS485信號轉換器、鉑電阻溫度傳感、數字式溫度傳感器、總線線纜和軟件等。變流量水系統采用溫差控制，水泵全變頻方式。

數字式溫度傳感器DS18B20模塊將采集各個采樣點的溫度數據并通過RS485總線傳送給工控機，工控機根據各個采樣點的溫濕度參數，執行程序計算出各個用戶所需要的空調負荷，發布相應頻率信號，通過總線通訊的方式控制對應末端風機的輸入頻率；工控機將冷凍水和冷卻水的進出水溫度及末端用戶的溫濕度參數，根據相應的執行程序計算出整個空調系統所需要的負荷，發布變頻器控制泵電機的運行頻率，使實際末端負荷和機組的負荷匹配運行，實現機組和末端的協調控制，從而產生較好的節能效果。如圖3所示，是整個中央空調節能系統的硬件組成示意圖。

為了提高數據采集系統的穩定性和可靠性，傳感器應采用冗余設計。保證在某個傳感器出現故障時，不至于出現無法獲得目標溫度的情況出現，保證溫度采集正常運行。同時，硬件設計中需要的幾個問題：

（1）RS232/RS485轉換模塊必須采用有源轉換器；因為有源模塊的傳輸信號使用差動電壓的方式，有較強的抗干擾、抗噪能力；通訊電纜應采用屏蔽雙絞線，增加其抗干擾能力。

（2）在變頻器進線電纜上加裝電抗器，以防諧波干擾及沖擊電流對變頻器造成損害。

（3）必須有可靠的接電處理，接地線線纜截面積應足夠大，以保證通訊的安全。

圖3 變頻節能控制系統構成示意圖

4 控制系統軟件

4.1 控制算法

對于水系統中央空調而言，水流管路較長，因此系統的響應速度緩慢，是典型的大延時、大慣性的純滯后系統。如何實現準確的預估中央空調的運行工況，是控制方案選擇的關鍵所在。理論上講，Smith預估控制理論能夠較好地解決純滯后系統的控制難題，但由于Smith預估控制是建立在精確數學模型的基礎上的，要獲取中央空調系統的精確數學模型是極其困難的，因此實際應用不太現實。針對該問題，本文采用了自學習能力的Elman神經網絡預測控制算法[3,4]，該算法充分利用了神經網絡的非線性逼近、自學習、自組織的特性與能力，及預測控制算法在滾動優化和反饋校正方面的技術優勢，且不需要控制對象精確的數學模型，便能夠實現針對被控對象的自適應控制。

中央空調水系統滯后時間可達數分鐘，因此會引起水系統流量的超調或振蕩，使控制系統很難達到穩定狀態。為了增加系統控制的穩定性與準確性，引入了具有自適應性能力的Elman神經網絡預測控制算法。

4.2 軟件程序的設計

DS18B20數字式溫度傳感器具有嚴格的通信協議[3]，以保證數據傳輸的準確性。該協議定義了初始化時序、寫時序、讀時序等集中信號的時序。這些時序都是將主機定義為主設備，單總線器件定義為從設備。DS18B20數字式溫度傳感器對時序和電性參數要求很高，因此主機CPU經過單總線接口訪問DS18B20時，必須要嚴格遵守協議的操作順序。否則，有任何的順序錯亂或者步驟的缺失，DS18B20都不會響應。溫度巡檢測量軟件的流程如圖4所示。根據其通信協議，巡檢測量一次溫度數據需要兩次完整的通信過程。

圖4 溫度巡檢測量軟件的流程圖

第一次通訊過程：主機CPU命令DS18B20開始測溫：

（1）主機發送初始化指令，拉低總線電位，網絡復位；

（2）收到應答信號后，發送ROM指令；

（3）發送RAM指令，對應序列號匹配的DS18B20開始進行溫度數據的測量。

第二次通訊過程：延時后測溫結束，主機讀取溫度值：

（4）發送初始化指令；

（5）發送相應ROM指令；

（6）發送RAM命令，從網絡總線上讀取溫度數據。

4.3 控制軟件的編寫

采用組態軟件LabVIEW編寫控制的程序，其主要功能有：數據采集與通訊、數據分析與處理、曲線顯示、存儲、用戶參數顯示及操作界面、數據打印、故障報警等。

通訊是基于RS485串行通訊總線的，在整個軟件設計中，如何實現計算機串行接口與變頻器之間的通訊是整個軟件編寫的關鍵。采用LabVIEW編寫的主機串行接口與變頻器的串行通訊程序如圖5所示。

圖5 LabVIEW編寫的串行通訊程序

該方案中的西門子變頻器都有一個RS485雙線連接的串行接口，采用通用串行接口協議（USS）?？偩€上可以同時連接一個主站和最多31個從站。主站根據通訊報文中的地址字符確定要傳輸數據的從站。如果主站沒有要求與從站進行通訊，那么從站則不能主動發送數據；各從站之間也不能直接進行信息的交換。

用戶根據操作界面顯示的關鍵參數可以獲得系統運行的狀態信息，如需要對系統進行人工控制的話，直接切換至手動按鈕即可設置各種運行參數。

5 結論

（1）通過末端變頻控制技術，可以較精確的控制用戶區域的溫度，使末端環境溫度一直控制在體感溫度較為舒適的范圍內，提高了環境舒適度。當房間門窗長時間處于開啟狀態時，將會指令控制切斷空調末端或者報警提示用戶對門窗狀態進行檢查。

（2）變頻節能控制系統的理論節能率在40%左右，因此該方案是一種較好的節能方案，同時變頻技術日趨成熟，節能改造的成本也更容易被業主接受。

（3）根據實際應用案例的分析結果，實際節能率約為33%左右，小于理論計算值。主要是因為空調初次開機時必須滿負荷運行約2小時，使冷凍水溫度達到設定值，因此滿負荷運行的時間比例增大了。另外為了保證空調系統應對突增負荷的能力，預留了部分流量裕量，這也造成了實際節能效率的下降。

（4）分布式溫度采集使用的數字式傳感器小巧、靈敏、適應性強，并且價格低廉，變頻節能控制系統具有操作簡單、技術成熟可靠、智能化程度高、節能效果良好等優點。

總之，采用變頻節能控制系統可以有效降低空調系統的能耗，降低業主的運行成本，有著良好的經濟效益和社會效益。另外電機的變頻啟動可以減小啟動瞬間對泵造成的沖擊，提高了泵的使用壽命。

[1] 孫一堅.空調水系統變流量節能控制[J].暖通空調, 2001,31(6):5-7.

[2] 高養田.空調變流量水系統設計技術發展[J].暖通空調,1996,(3):20-22.

[3] 陳孜虎.中央空調末端盤管及水系統變頻節能運行控制研究和實現[D].重慶:重慶大學,2010:31-49.

[4] 馬寶萍,徐治泉.基于改進的Elman網絡的內?？刂萍捌鋺肹J].熱能動力工程,2000,(7):429-431.

Design of Energy-saving Operation Scheme for Central Air Conditioning Based on Bus-powered Measurement Technology

Chen Zihu

( China Metallurgical Construction Engineering Group Co., Ltd, Chongqing, 400084 )

In view of the problems in the intelligent control of the operating temperature of the building central air conditioning system, a digital temperature and humidity sensor controlled by FPGA is put forward to inspect the temperature of each floor and multiple points in real time and collect the temperature and humidity regularly. The measurement results are transmitted to the host computer through RS485 bus. After analysis and calculation, the control command is output to carry out frequency conversion control on the fan coil. The temperature and flow parameters of the water system are collected, the air conditioning load and the terminal load are matched and analyzed by the industrial computer, and the frequency conversion control instructions are output to the water system, so that it can be matched with the terminal load for operation, so as to achieve the effect of energy saving. The control scheme combining neural network and predictive control is adopted to realize the optimal control of large delay and large inertia objects. The communication and control program is written by LabVIEW.

Central air condition; Frequency conversion control; Predictive control; Variable flow; Energy saving

TU831.3

A

1671-6612（2021）01-129-05

重慶市科技重大主題專項項目《建筑行業智慧建造關鍵技術及管控平臺研究與示范推廣》（項目編號18jszx-cyztzxX0031）

陳孜虎（1983-），男，碩士，高級工程師，E-mail：841015153@qq.com

2020-05-12