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        基于ARM的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)控制研究

        2013-08-27 08:22:22
        機(jī)電信息 2013年19期
        關(guān)鍵詞:冰蓄微控制器中央空調(diào)

        宋 池

        (江蘇柏誠(chéng)工程股份有限公司,江蘇 無錫 214072)

        0 引言

        中央空調(diào)系統(tǒng)是智能建筑創(chuàng)造舒適、高效的工作和生活環(huán)境不可缺少的重要設(shè)備。中央空調(diào)系統(tǒng)的自動(dòng)控制在智能建筑樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中占有非常重要的地位。自20世紀(jì)70年代世界能源危機(jī)以來,各國(guó)政府都十分重視開發(fā)新能源與“節(jié)省能源”,促使了蓄冷技術(shù)的迅速發(fā)展。冰蓄冷是中央空調(diào)制冷的一種方式。冰蓄冷空調(diào)不僅使電力負(fù)荷“削峰填谷”,提高發(fā)電設(shè)備的年利用率,也保證制冷機(jī)組滿負(fù)荷高效率運(yùn)行,降低空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用,帶來了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。

        中央空調(diào)傳統(tǒng)的控制方法是采用直接數(shù)字控制器(DDC)方式,將各個(gè)溫度、濕度檢測(cè)點(diǎn)和控制點(diǎn)連接到1臺(tái)或多臺(tái)DDC,實(shí)行多點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。采用DDC方式進(jìn)行控制具有引線過長(zhǎng)、施工不便及系統(tǒng)通信的實(shí)時(shí)性和可靠性不高等缺點(diǎn)。為此可采用CAN總線技術(shù)設(shè)計(jì)中央空調(diào)控制系統(tǒng)[4]。

        1 系統(tǒng)介紹

        冰蓄冷空調(diào)就是在夜間電網(wǎng)低谷時(shí)期開啟制冷機(jī)制冷,由蓄冷設(shè)備將冷量以冰的形式儲(chǔ)存起來,在白天電網(wǎng)峰時(shí)段冰融化釋放冷量,用以滿足部分或全部供冷要求,使制冷機(jī)少開甚至不開,從而達(dá)到電網(wǎng)的削峰填谷目的。冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)框圖如圖1所示[1]。

        系統(tǒng)采用分布式監(jiān)控方案,主要包括操作站(上位機(jī))和現(xiàn)場(chǎng)采集控制系統(tǒng)。上位機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接收與管理,控制命令的發(fā)送及系統(tǒng)工作過程的實(shí)時(shí)顯示等。各單元控制器作為下位機(jī)(采用ARM微控制器)負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)溫度的檢測(cè)采集及閥門工作狀態(tài)的控制等。單元控制器內(nèi)的CAN控制器負(fù)責(zé)接收來自CAN總線的數(shù)據(jù)以及通過CAN總線向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。上位機(jī)通過插在PC總線擴(kuò)展槽內(nèi)的智能CAN總線通信適配卡連接CAN總線與各單元控制器。圖2是本控制系統(tǒng)的框圖。

        2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

        由于數(shù)字式溫度傳感器更適用于與各種微處理接口組成的自動(dòng)溫度控制系統(tǒng),可以克服模擬傳感器與微處理接口時(shí)需要信號(hào)調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換器的不足之處。故溫度檢測(cè)裝置采用DS18B20單總線數(shù)字式溫度傳感器,可以把溫度值直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,其輸入量程為-55~+125 ℃。

        2.1 控制器的選擇

        CAN總線廣泛用于離散控制領(lǐng)域,其總線規(guī)范也已被ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織制定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

        CAN的信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu),傳輸時(shí)間短,具有自動(dòng)關(guān)閉功能,具有較強(qiáng)的抗干擾能力。CAN支持多主工作方式,并采用了非破壞性總線仲裁技術(shù),通過設(shè)置優(yōu)先級(jí)來避免沖突,通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km(5 kbps),通訊速率最高可達(dá)1 Mbps(40 m),網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)實(shí)際可達(dá)110個(gè)。

        故系統(tǒng)采用CAN總線進(jìn)行系統(tǒng)通信。因此也選用了帶CAN控制器的ARM微控制器LPC2119。

        LPC2119基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM 7TDMI-STM CPU,并帶有128/256k字節(jié)嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30%,而性能的損失卻很小。

        由于LPC2119非常小的64腳封裝、極低的功耗、多個(gè)32位定時(shí)器、4路10位ADC、2路CAN、M通道、46個(gè)GPIO以及多達(dá)9個(gè)外部中斷使它們特別適用于汽車、工業(yè)控制應(yīng)用以及醫(yī)療系統(tǒng)和容錯(cuò)維護(hù)總線。由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口,它們也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器以及其他各種類型的應(yīng)用[5]。

        2.2 CAN接口板設(shè)計(jì)

        LPC2119雖然內(nèi)嵌CAN控制器,但必須與CAN收發(fā)器連接才能具備收發(fā)功能。首先,CAN收發(fā)器把CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換成抗干擾能力強(qiáng)的差分電平,然后往CAN總線上發(fā)送;接收時(shí)剛好相反,CAN收發(fā)器接收到CAN總線的信號(hào)后,轉(zhuǎn)換成邏輯電平送給CAN控制器,完成接收過程。在本系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)這一功能的器件即CAN總線驅(qū)動(dòng)器82C250。

        82C250是Philips公司的CAN總線驅(qū)動(dòng)器,是CAN控制器與物理總線之間的接口。器件可以提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。表1是其引腳功能說明。

        EasyARM 2100開發(fā)板可以很方便地與CAN接口板連接,組成完整的CAN節(jié)點(diǎn)。CAN接口板的原理圖如圖3所示。

        表1 82C250引腳說明

        2.3 閥門控制電路設(shè)計(jì)

        閥門控制電路原理圖如圖4所示。

        閥門是由4~20 mA電流驅(qū)動(dòng),因此必須把微控制器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化成模擬量輸出。由于選用的ARM微控制器LPC2119不帶D/A轉(zhuǎn)換功能,必須另外選擇D/A芯片進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)選用I2C總線接口的D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC6573。由于該D/A芯片是電壓輸出,還需進(jìn)行V/I轉(zhuǎn)換,在此選用V/I轉(zhuǎn)換芯片AD694。

        DAC6573是低功耗、4通道、10位電壓輸出的DAC,使用I2C兩線串行接口,在總線上最多可擴(kuò)展到16片,即64通道。

        AD694是AD公司推出的電壓電流轉(zhuǎn)換芯片,0~2 V/0~10 V輸入、0~20 mA/4~20 mA輸出,4.5~36 V寬范圍電源供電,提供精確的2 V或10 V基準(zhǔn)電壓。

        3 控制方案

        本設(shè)計(jì)的被控對(duì)象是空調(diào)房間,輸入量是冷卻水流量,輸出量是房間內(nèi)溫度。由操作經(jīng)驗(yàn)可知,被控對(duì)象是一個(gè)大滯后、非線性、時(shí)變的復(fù)雜控制對(duì)象,難以確定精確的數(shù)學(xué)模型,所以采用積分分離PID控制算法。即在偏差較大時(shí),采用PD控制,可避免過大的超調(diào),又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng);在偏差較小時(shí),采用PID控制,可保證系統(tǒng)的控制精度[6]。

        在普通的PID數(shù)字控制器中引入積分環(huán)節(jié)的目的,主要是為了消除靜差、提高精度。但在過程的啟動(dòng)、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定值時(shí),短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大的偏差,會(huì)造成PID運(yùn)算的積分積累,致使算得的控制量超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能最大動(dòng)作范圍對(duì)應(yīng)的極限控制量,最終引起系統(tǒng)較大的超調(diào),甚至引起系統(tǒng)的振蕩,這是某些生產(chǎn)過程中絕對(duì)不允許的。引進(jìn)積分分離PID控制算法,既保持了積分作用,又減少了超調(diào)量,使得控制性能有了較大的改善。其具體實(shí)現(xiàn)如下:

        (1)根據(jù)實(shí)際情況,認(rèn)為設(shè)定一閥門閾值ε>0。

        (2)當(dāng)|e(k)|>ε時(shí),也即偏差值|ε(k)|比較大時(shí),采用PD控制,可避免過大的超調(diào),又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)。

        (3)當(dāng)|e(k)|≤ε時(shí),也即偏差值|ε(k)|比較小時(shí),采用PID控制,可保證系統(tǒng)的控制精度。

        寫成計(jì)算公式,可在積分項(xiàng)乘一個(gè)系數(shù)β,β按下式取值:

        以位置式PID算式為例,寫成積分分離形式為:

        當(dāng)|e(k)|>ε時(shí),即β=0,進(jìn)行PD控制,PD控制算法為:

        其中:

        當(dāng)|e(k)|≤ε時(shí),取β=1,進(jìn)行PID控制,PID控制的算法采用增量式PID控制算法,即:

        其中:

        通過式(1)、(2),便可編制出計(jì)算機(jī)控制程序,其流程圖如圖5所示。

        4 實(shí)驗(yàn)波形

        根據(jù)設(shè)計(jì)搭建電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:

        4.1 CAN總線通信實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與波形

        在實(shí)驗(yàn)中,對(duì)CAN總線通信程序進(jìn)行測(cè)試。利用CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)“00 01 02 03 04 05 06 07”到上位機(jī),在CANTEST測(cè)試軟件窗口中能接收到該數(shù)據(jù)幀,并測(cè)得相應(yīng)的波形,如圖6所示。

        4.2 I2C總線數(shù)據(jù)傳輸波形測(cè)量

        在實(shí)驗(yàn)中,對(duì)I2C總線發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。圖7是利用I2C總線對(duì)DAC6573發(fā)送數(shù)據(jù)“3FF”時(shí)測(cè)得的波形。波形圖中1代表SDA線上的波形,2代表SCL線上的波形。

        5 結(jié)語

        本文采用ARM器件作為冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)電氣控制的控制部件,選用I2C總線接口的D/A轉(zhuǎn)換芯片和V/I轉(zhuǎn)換芯片,設(shè)計(jì)了閥門控制等硬件電路和控制程序,并由實(shí)驗(yàn)證實(shí)了控制電路及程序的正確性。對(duì)冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的控制起到了非常好的控制效果。

        [1] 嚴(yán)德隆,張維君.空調(diào)蓄冷應(yīng)用技術(shù)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1997

        [2] 楊曉軍.冰蓄冷空調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].西安:西安理工大學(xué),2007

        [3] 梅海峰.考慮負(fù)荷影響的空調(diào)冰蓄冷系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行[D].上海:東華大學(xué),2006

        [4] 林勇.CAN總線在中央空調(diào)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2001,27(7):33~34

        [5] 周立功.ARM微控制器基礎(chǔ)與實(shí)戰(zhàn)[M].第2版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005

        [6] 陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用[M].第2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002

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