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        暖通空調(diào)系統(tǒng)的計算機控制管理分析

        2021-08-27 19:08:33閆澤磊單梅
        關(guān)鍵詞:功能模塊

        閆澤磊 單梅

        【摘要】介紹了計算機控制的實現(xiàn)原理,梳理了暖通空調(diào)系統(tǒng)的計算機智能控制管理的優(yōu)化思路,闡述了暖通空調(diào)系統(tǒng)的計算機智能控制管理系統(tǒng)主要功能模塊的硬件設(shè)計實現(xiàn)方式,供參考。

        【關(guān)鍵詞】暖通空調(diào)系統(tǒng);計算機控制;功能模塊;硬件設(shè)計

        【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.24.

        暖通系統(tǒng)包含建筑采暖、通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)三項功能,是日常生活中不可或缺的內(nèi)容。在傳統(tǒng)的建筑設(shè)計中,上述所有功能在實現(xiàn)方式方面都較為單一,且智能化程度嚴(yán)重不足。比如通風(fēng),完全由室內(nèi)人員自行通過開窗的方式完成,無法由系統(tǒng)對室內(nèi)空氣指數(shù)進行監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)數(shù)值變化時自行通風(fēng)。隨著技術(shù)的不斷升級,建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了計算機智能控制管理。大幅度提升了建筑的居住舒適感。

        1、計算機控制的實現(xiàn)原理

        清華大學(xué)教授江億早在20世紀(jì)90年代末便對計算機控制管理做出過精確定義——以計算機為核心部分的監(jiān)測控制系統(tǒng)[1]。此種系統(tǒng)的科學(xué)說法是“直接控制系統(tǒng)”,對測量數(shù)據(jù)的處理、控制算法均以數(shù)字計算作為基礎(chǔ)[2]。在計算機控制管理模式出現(xiàn)之前的“監(jiān)測”工作幾乎都是依靠人工查驗與系統(tǒng)通路相連的儀器儀表,通過記錄讀數(shù)的方式,收集系統(tǒng)運行信息。而在計算機控制管理模式出現(xiàn)之后,傳統(tǒng)的模擬儀表系統(tǒng)便逐漸向計算機系統(tǒng)過渡。事實上,早期的計算機控制管理系統(tǒng)即是單片機控制系統(tǒng),主要的運行原理為:

        (1)元器件組成:①控制芯片(如89C51單片機);②功能電路(以暖通空調(diào)系統(tǒng)為例,該電路中有空調(diào),有溫度傳感器,有連接線,有或沒有PLC可編程邏輯控制);③電源。

        (2)運行原理:將控制芯片(計算機)、暖通空調(diào)系統(tǒng)電路、電源三者完成連接。實際上,如果沒有計算機,則暖通空調(diào)系統(tǒng)與電源之間即為用電設(shè)備與電源之間的連接,將該系統(tǒng)放置于某個建筑的一個房間之中后,由房內(nèi)人員根據(jù)室內(nèi)溫度決定是否開啟空調(diào),目的在于使室內(nèi)溫度維持在“舒爽”狀態(tài),需避免過涼和過熱。但完全依靠人工進行溫度調(diào)整的過程缺乏“智能性”,故需在系統(tǒng)內(nèi)增設(shè)“智能管理”功能模塊,實現(xiàn)這一功能的便為計算機(發(fā)揮具體作用的是期內(nèi)的控制芯片)。技術(shù)人員根據(jù)居住在室內(nèi)人員對環(huán)境溫度的需求,編寫溫度監(jiān)控和控制空調(diào)設(shè)備的程序,將之導(dǎo)入控制芯片后,便初步完成了計算機智能控制管理的設(shè)定。此種簡單的暖通空調(diào)計算機智能管理系統(tǒng)早已應(yīng)用于千家萬戶。具體而言,幾乎所有的空調(diào)設(shè)備都自帶“溫度控制功能”,即在空調(diào)處于接通電源的狀態(tài)時,用戶可以同時“激活”空調(diào)的“溫度監(jiān)控”和“溫度調(diào)節(jié)”功能。比如,一戶居民認為自己處于25℃的環(huán)境時,便會感到“非常舒適”,則其會調(diào)整空調(diào)的功能,命令空調(diào)“監(jiān)測室內(nèi)溫度”,如果溫度不是25℃,便會吹出冷氣或熱氣,使室內(nèi)溫度穩(wěn)定保持在25℃。

        2、暖通空調(diào)系統(tǒng)的計算機智能控制管理的優(yōu)化思路

        上文所述的暖通空調(diào)系統(tǒng)計算機智能控制管理功能已經(jīng)成功實施。但隨著生活水平的提升,人們對居住舒適性提出了更高的要求。比如相較于普通建筑,現(xiàn)代智能建筑為了帶給居民更加良好的居住體驗,需要實現(xiàn)設(shè)備之間的資源共享。為實現(xiàn)此種功能,需在下列方面優(yōu)化暖通空調(diào)系統(tǒng)的計算機智能控制方案:(1)在計算機智能控制系統(tǒng)中增加“暖通空調(diào)系統(tǒng)運行過程中的能量狀況分析”功能。此功能的“優(yōu)化”之處在于,不僅包含上文所述的“溫度自動調(diào)節(jié)”功能,還會借助傳感器,監(jiān)控并收集空調(diào)系統(tǒng)運行期間產(chǎn)生的所有參數(shù)。相關(guān)信息傳遞至計算機總控端后,系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)的分析程序會對空調(diào)系統(tǒng)對溫度的調(diào)節(jié)質(zhì)量、實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)目的時的平均能耗進行自主計算。在此基礎(chǔ)上,由于計算機智能控制管理系統(tǒng)的程序庫中提前存儲了“空調(diào)健康使用的相關(guān)數(shù)據(jù)”,系統(tǒng)可結(jié)合客觀數(shù)據(jù),幫助用戶制定出最佳的溫度調(diào)節(jié)方案,進而全面提升計算機智能控制管理系統(tǒng)的性能。(2)上述功能的實現(xiàn)完全依賴電能,盡管在“系統(tǒng)運轉(zhuǎn)”層面彰顯了“智能性”,但整體的智能化程度并不高。原因在于:現(xiàn)代建筑的建設(shè)過程十分注重對自然能源的運用。比如,如果室外溫度為25℃,則通過“過堂風(fēng)”的原理,加上建筑墻壁對陽光的遮擋作用,可將室內(nèi)溫度控制在20℃左右。如果不采用此種調(diào)節(jié)方式,關(guān)閉所有門窗,完全借助空調(diào)進行溫度調(diào)節(jié),則室內(nèi)溫度也可以穩(wěn)定在20℃。相較之下,前一種方案的智能性、經(jīng)濟性更高?;诖?,提升暖通空調(diào)系統(tǒng)的計算機智能控制管理系統(tǒng)智能性的第二項優(yōu)化設(shè)計思路為,盡量運用自然資源,降低設(shè)備能耗。

        3、暖通空調(diào)系統(tǒng)的計算機智能控制管理的目標(biāo)與特點

        3.1實現(xiàn)太陽能、電能、空氣能熱源的融合應(yīng)用

        空氣中含有大量的熱量,分為“顯熱”和“潛熱”兩種。與太陽能和風(fēng)能相同,空氣熱量也是一種清潔能源。如果暖通空調(diào)系統(tǒng)能夠充分利用這些熱量,即將空氣中的“低品位熱能”進行收集,實現(xiàn)暖風(fēng)輸送、水分加熱,必定有助于降低暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗?;诖朔N理念,暖通空調(diào)系統(tǒng)中新增的“空氣源熱泵”已經(jīng)在國內(nèi)外得到了較為廣泛的使用。但空氣中的熱量向人類能夠使用的熱能進行轉(zhuǎn)化的效率畢竟較低,故無法成為一種單獨能源。基于此,通過計算機智能控制管理系統(tǒng),控制空氣源熱泵收集空氣熱量的同時,還可以同時納入太陽能、電能,進而使三種不同來源的能量在一定程度上完成融合,避免造成浪費。

        3.2提高管理系統(tǒng)的自動化控制程度

        對于學(xué)生宿舍、酒店等含有中央空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的場所來說,在滿足學(xué)生、客人需求的前提下,盡量控制暖通空調(diào)系統(tǒng)運行期間產(chǎn)生的能耗至關(guān)重要。為實現(xiàn)這一目的,需提高計算機管理系統(tǒng)的自動化控制程度。具體而言:對太陽能集熱水箱、空調(diào)水箱、洗浴水箱內(nèi)的水溫、自來水溫進行全面監(jiān)控,發(fā)現(xiàn)任意一處的水溫與預(yù)設(shè)值出現(xiàn)差異時(具體的標(biāo)準(zhǔn)可以不同),需統(tǒng)籌當(dāng)前可運用的能源,采用最優(yōu)方式完成溫度的調(diào)整。比如天氣晴朗、陽光明媚的情況下,太陽能熱水器可有效轉(zhuǎn)化太陽能,完成對水的加熱;若是在陰雨天氣,則計算機控制管理系統(tǒng)可選擇電能作為主要能源,避免水溫降低。

        4、暖通空調(diào)系統(tǒng)的計算機控制管理硬件構(gòu)成

        4.1計算機控制系統(tǒng)下位機模塊設(shè)計

        在多功能、覆蓋范圍廣的暖通空調(diào)系統(tǒng)的計算機控制管理系統(tǒng)中,下位機模塊的硬件構(gòu)成為:第一,CPU為具有100個功能管腳的STM32F103VET6芯片,程序存儲器的容量為512KB、數(shù)據(jù)存儲器的容量為64K。該芯片的時鐘頻率為72MHz,模擬電路向數(shù)字電路的轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)具體值為“3”;嵌入式接口的類型共分為7種,包含CAN、I2C、SPI在內(nèi)。第二,該下位機模塊處于工作狀態(tài)時,電源電壓的范圍為2V~3.6V,在實現(xiàn)對暖通空調(diào)系統(tǒng)溫度進行檢測的同時,還可以兼并接受PC端發(fā)送的控制指令。第三,一般的暖通空調(diào)系統(tǒng)計算機智能控制管理功能實現(xiàn)需要使用的輸入/輸出端口(I/O口)為:ADC、DAC、DMA、PWM四個16為通用定時器;此外, 還需包含三個同步或異步收發(fā)器,用以實現(xiàn)系統(tǒng)各部分之間的信息通訊功能(比如由溫度傳感器組成的溫度監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)某一個區(qū)域內(nèi)的洗浴用水存儲箱內(nèi)水的溫度已經(jīng)低于標(biāo)準(zhǔn)值3℃,則相關(guān)信息會通過收發(fā)器實現(xiàn)監(jiān)控模塊箱計算機智能控制管理模塊的傳遞)。第四,選用標(biāo)準(zhǔn)的JTAG/SWD調(diào)試下載口,其用處為與JLINK調(diào)試器相連接(STM32支持SWD調(diào)試)。通過此種設(shè)置,能夠使計算機智能控制管理系統(tǒng)啟動行期間減少程序運行方面的問題。

        4.2暖通空調(diào)系統(tǒng)的溫度采集模塊設(shè)計

        上文提到,在暖通空調(diào)系統(tǒng)中,溫度的監(jiān)控是實現(xiàn)“智能化”的第一步。溫度作為一種熱量信號,經(jīng)由溫度(熱量)傳感器收集之后,需要將之轉(zhuǎn)化成電信號,進而經(jīng)由通路傳遞至計算機控制端(芯片處理器)。為實現(xiàn)這一功能,系統(tǒng)中必須具備溫度采集功能。仍然以學(xué)生宿舍或酒店等居住人數(shù)多、系統(tǒng)監(jiān)測覆蓋范圍廣的區(qū)域為例??紤]到人數(shù)、范圍、持續(xù)性方面的要求,決定采用10K的t106-10k熱敏電阻感溫探頭作為主要的外接功能設(shè)備。該設(shè)備的主要布置區(qū)域為各個關(guān)鍵的溫度監(jiān)測點(即上文所述的太陽能集熱水箱、空調(diào)水箱、洗浴水箱內(nèi)、自來水存儲箱等)。需要指出的是,此種熱敏電阻自身具備的靈敏度符合“直觀、線性”的描述,可對監(jiān)控系統(tǒng)電路中的電阻值、電壓值之間的關(guān)系進行精準(zhǔn)顯示。通過此種設(shè)置,溫度傳感器監(jiān)測電路會將電阻阻值的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓?在此基礎(chǔ)上,電壓值會進一步轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,傳遞至芯片端,經(jīng)過處理后,可測量出最重的A1阻值。由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中預(yù)先存有熱敏電阻器的溫度-電阻對應(yīng)表,故可將A1阻值轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶋H溫度,體現(xiàn)在上位機顯示屏幕中。

        4.3溫度智能調(diào)整模塊設(shè)計

        與溫度相關(guān)的模塊在設(shè)計方面主要包含兩種電路:其一,溫度信息采集電路,即通過溫度傳感器,實時對目標(biāo)區(qū)域的溫度情況進行監(jiān)督,并完成信息的收集。實現(xiàn)該功能的模塊構(gòu)建主要運用STM32F103VET6芯片的29~34共6個引腳,具體位置CD4067(D、C、B、A),分列29~32,以及key10 cpu和key9 cpu。用于支持該功能的調(diào)用函數(shù)分別為ADC庫函數(shù)、SPI庫函數(shù)、TIM庫函數(shù)。如此設(shè)置之下,STM32F103VET6芯片和熱敏電阻t106-10k之間便可完成溫度信號的收集、傳輸、處理。其二,信號的傳輸。此處需要外接一個24功能引腳的單片機,其中,STM32F103VET6芯片的29~32號引腳應(yīng)與外接24功能引腳單片機的10、11、13、14號對應(yīng)引腳相連接(雙向模擬開關(guān)),即可在主電路的驅(qū)動下,完成溫度信號的傳輸。

        結(jié)語:

        實現(xiàn)暖通空調(diào)系統(tǒng)計算機智能控制管理的難度并不大,需要解決的核心問題在于,如何精準(zhǔn)地獲取目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域的溫度,如何將相關(guān)信息實時傳遞至計算機控制端(芯片)。在此基礎(chǔ)上,由系統(tǒng)下達指令,實現(xiàn)溫度的調(diào)整,即可全面提升暖通空調(diào)系統(tǒng)的智能程度。

        參考文獻:

        [1]陳鐘.智能建筑暖通空調(diào)的系統(tǒng)選擇運用研究[J].智能建筑與智慧城市,2019(03):42-43.

        [2]印紅梅.多源暖通空調(diào)控制技術(shù)應(yīng)用與實現(xiàn)[D].西南科技大學(xué),2018.

        作者簡介:

        閆澤磊(1988.09-),性別:男,民族:漢,籍貫:內(nèi)蒙古赤峰人,學(xué)歷:本科,現(xiàn)有職稱:中級工程師,研究方向:暖通設(shè)計。

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