山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院 張嘯 何小虎2012《控制與傳動》第1期

一引言

　　樓宇自動化系統(tǒng)中中央空調(diào)子系統(tǒng)占有重要的地位，目前中央空調(diào)系統(tǒng)的自動化實現(xiàn)方式很多，有采用單片機，接口采用RS485,現(xiàn)場總線或者以太網(wǎng)，能實現(xiàn)中央空調(diào)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能；還有采用PLC，比如西門子的S7-200實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控。目前單片機種類很多，能實現(xiàn)本采集監(jiān)控功能的芯片選擇范圍也較廣，比如MEGA系列，freescale系列等，另外高端的芯片本身帶有豐富的接口，實現(xiàn)更加方便，但是成本較高，另外基于PLC的中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)成本瓶頸限制了其進(jìn)一步的推廣。所以開發(fā)一套低成本、高可靠性的中央空調(diào)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是很有必要的。

　　二方案選擇

　　最近今年，單片機的功能得到極大的提高，存儲容量，數(shù)據(jù)處理速度，外圍擴展能力，通訊功能等都了很大的提高，功能逐漸完善，再加上低成本的優(yōu)勢，市場占有率不斷攀升。

　　本系統(tǒng)主要功能集中在對中央空調(diào)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控的參數(shù)包括空調(diào)溫度值，空調(diào)的開關(guān)機狀態(tài)，空調(diào)風(fēng)機的速度檔以及制冷制熱狀態(tài)。選用單片機作為下位機，上位監(jiān)控軟件采用微軟的VisualBasic即可滿足控制要求。

　　三系統(tǒng)設(shè)計思路

　　目前的中央空調(diào)系統(tǒng)按輸送介質(zhì)主要有以下三類：空氣，水和冷凝劑，所以相應(yīng)的中央空調(diào)系統(tǒng)主要分為風(fēng)管系統(tǒng)、冷熱水系統(tǒng)和制冷劑系統(tǒng)。本方案主要適用對象是冷熱水系統(tǒng)。冷熱水系統(tǒng)分主機和風(fēng)機盤管，主要工作原理是通過室外主機產(chǎn)生出空調(diào)的冷熱水，由管道系統(tǒng)送至室內(nèi)的各末端裝置，在末端處冷熱水與室內(nèi)空氣進(jìn)行熱量交換，產(chǎn)生冷熱風(fēng)，從而消除房間空調(diào)負(fù)荷。冷熱水空調(diào)系統(tǒng)的末端通常都裝有風(fēng)機盤管，風(fēng)機盤管的控制原理采用溫控器加電動閥結(jié)構(gòu)，如圖1示。所以可以通過調(diào)節(jié)末端風(fēng)機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)送入室內(nèi)的冷熱量，由此可見，此種系統(tǒng)的特點是可以對各個末端（房間進(jìn)行）單獨的控制和調(diào)節(jié)。

　　室內(nèi)溫度可由設(shè)于每臺風(fēng)機盤管回水支管上與各房間內(nèi)的溫度傳感器連鎖的電動三通閥調(diào)節(jié)，亦可由風(fēng)機盤管三速開關(guān)調(diào)節(jié)。



　　圖1風(fēng)機盤管控制原理圖

　　對該風(fēng)機盤管（如圖2所示）的介紹：

　　(1)系統(tǒng)控制-------溫度控制器放在溫度需要調(diào)節(jié)的房間內(nèi)，它具有ON/OFF兩個通斷狀態(tài)，可以直接控制系統(tǒng)的開啟與關(guān)閉。

　　(2)溫度控制--------溫度控制器上設(shè)有溫度設(shè)定按鈕，在溫控器內(nèi)有兩對觸電，夏季動作時將溫度控制器選擇開關(guān)撥到“COOL”檔，對盤管供應(yīng)冷凍水，當(dāng)溫度控制低于設(shè)定值時，其中一對觸電斷開，電動閥失電；當(dāng)房間溫度高于設(shè)定值時，另一對觸點閉合，電動閥得電；反之，在冬季運作時，將溫控器選擇開關(guān)撥到“HEAT”檔，對盤管供應(yīng)熱水，當(dāng)房間溫度高于設(shè)定值時，電動閥其中一對觸點斷開，電動閥失電，當(dāng)房間溫度低于設(shè)定值時，另一對觸點閉合，電動閥得電，從而使房間萬溫度在冬夏季維持在一定的范圍內(nèi)。

　　(3)電動閥控制-------電動閥的動作直接受溫控器的控制，電動閥得電時，閥門開啟，向風(fēng)機盤管供應(yīng)冷熱水；失電時，電動閥斷開。從而使溫度控制在一定的范圍之內(nèi)。

　　(4)風(fēng)機控制---------當(dāng)溫控器處于“ON”狀態(tài)時，可以通過另一組轉(zhuǎn)換開關(guān)對風(fēng)機進(jìn)行高、中、低三檔調(diào)節(jié)。



　　圖2風(fēng)機盤管空調(diào)器控制原理及動作

　　本系統(tǒng)中風(fēng)機盤管的引線如圖3所示



　　圖3風(fēng)機盤管引線

　　本系統(tǒng)下位部分是由溫控器部分，采集器部分、中間站部分和上位機監(jiān)控部分組成。

　　末端控制器（溫控器）采集下位的有效信號，如溫度值，空調(diào)開關(guān)機狀態(tài)，空調(diào)的制冷制熱狀態(tài)以及風(fēng)機的風(fēng)檔，經(jīng)RS485串行總線傳至采集器，采集器一方面負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，另一方面接收上位機下傳的命令。

　　如果采集器數(shù)量較多的話，可以附加中間站，功能和采集器類似，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和命令的傳達(dá)，如果是單棟樓的話中間站可以不加以太網(wǎng)接口，就能實現(xiàn)單棟樓宇的中央空調(diào)的集中控制。如果有多棟樓宇的話，中間站擴展以太網(wǎng)接口模塊，實現(xiàn)多棟樓宇中央空調(diào)的遠(yuǎn)程集中控制。

　　遠(yuǎn)程電腦當(dāng)作客戶端，采用可視化編程軟件VisualBasic實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。

　　四系統(tǒng)總體設(shè)計

　　1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

　　遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。



　　圖4中央空調(diào)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

　　2硬件選擇

　　選用Atmel公司的高檔8位Atmega系列單片機，擴展串行接口（RS485接口）和以太網(wǎng)接口，以太網(wǎng)控制器選用Microship公司的ENC28J60。在實現(xiàn)每棟樓宇的中央空調(diào)集中控制的基礎(chǔ)上,采用C/S結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制，實現(xiàn)多棟樓宇中央空調(diào)的遠(yuǎn)程集中控制。

　　具體來講，溫控器采用Atmega8芯片和溫度傳感器芯片18B20，附加數(shù)碼管顯示和按鍵控制；采集器采用Atmega162；中間站芯片采用Atmega64和ENC28J60。

　　3軟件配置

　　溫控器，采集器，中間站都采用C語言編程，上位監(jiān)控部分采用VB編寫。

　　4數(shù)據(jù)庫選擇

　　由于數(shù)據(jù)庫選擇的余地較大，本系統(tǒng)采用微軟辦公軟件包自帶的Access數(shù)據(jù)庫，用于存儲采集的數(shù)據(jù)，包括各個空調(diào)的實時溫度值，溫度設(shè)定值，開關(guān)機狀態(tài)，風(fēng)機的速度檔（高速、中速、低速）及所處狀態(tài)的運行時間。

　　5系統(tǒng)各層結(jié)構(gòu)圖

　　(1)溫控器層



　　圖5.1溫控器層結(jié)構(gòu)圖

　　末端（各個房間）的溫度控制是由一個溫控器（如圖5.1所示）來實現(xiàn)的，溫控器的設(shè)計是系統(tǒng)的重點之一。本系統(tǒng)中，中央空調(diào)各個房間的溫度是靠控制風(fēng)機盤管的開關(guān)來實現(xiàn)的，通過單片機的I/O控制三個繼電器實現(xiàn)高速、中速與低速的風(fēng)機控制，從而實現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)。

　　按鍵主要用于各參數(shù)設(shè)置。設(shè)置5個按鍵，分別為MODE、風(fēng)機風(fēng)速擋選擇、電源開關(guān)、調(diào)節(jié)溫度上升鍵，調(diào)節(jié)溫度上升鍵。



　　圖6溫控器實物圖

　　按鍵（如圖6所示）說明：MODE鍵用于選擇制冷制熱狀態(tài)；

　　風(fēng)速擋鍵按1，2，3，4下代表風(fēng)機高速，中速，低速，自動運行；

　　電源鍵用于控制空調(diào)的運行與停止；

　　每按一次提高溫度鍵、降低溫度鍵，設(shè)定溫度相應(yīng)的增加、降低1攝氏度。

　　顯示采用LCD液晶顯示，顯示當(dāng)前溫度值、設(shè)定溫度值、鎖機狀態(tài)、制冷制熱狀態(tài)、風(fēng)機轉(zhuǎn)速檔。這些參數(shù)也可由上位統(tǒng)一設(shè)置。

　　芯片選擇：由于采集的數(shù)據(jù)量較少，選用Atmega8。

　　(2):采集器層



　　圖5.2采集器層結(jié)構(gòu)圖

　　采集器（如圖5.2所示）負(fù)責(zé)采集末端溫控器上傳的數(shù)據(jù)及中間站或上位機下傳的控制命令。采集器帶雙串口分別與末端溫控器和中間站進(jìn)行通信。該層設(shè)計時一個采集器負(fù)責(zé)接收8路末端數(shù)據(jù)，功能類似與集線器。采集器數(shù)據(jù)采集方式采用輪詢。

　　芯片選擇：考慮到采集器必須分別與末端和中間站進(jìn)行RS485通信，所以選用帶雙串口接口的Atmega162。

　　(3)中間站層



　　圖5.3中間層結(jié)構(gòu)圖

　　中間站層（如圖5.3所示）負(fù)責(zé)與采集器和上位機進(jìn)行通信，接收采集器數(shù)據(jù)和下傳上位機控制命令。中間站增加的目的是為了實現(xiàn)多棟樓宇的遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過附加以太網(wǎng)控制模塊并在主芯片中移植TCP/IP協(xié)議，為數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳提供了很好的解決方案。

　　芯片選擇：以太網(wǎng)通信模塊選擇ENC28J60，該以太網(wǎng)控制器與IEEE802.3兼容，集成MAC和10BASE-TPHY,另外該芯片只有28引腳，占空間較小，如圖7所示。主芯片選擇Atmega64,64KB的FLASH,豐富的外圍接口，性價比較高。

　　（4）上位機層

　　上位機作為客戶端采集各個中間站的數(shù)據(jù)，并能遠(yuǎn)程控制各個末端的溫度值，實現(xiàn)單個末端的溫度控制和一層或多層或一棟樓的溫度設(shè)定與采集，如表1所示。數(shù)據(jù)存儲選擇Access數(shù)據(jù)庫，存儲空調(diào)采集的數(shù)據(jù)，考慮到Access數(shù)據(jù)庫2GB的存儲容量，選擇Access數(shù)據(jù)庫完全能滿足數(shù)據(jù)存儲功能。

　　圖7ENC28J60外圍電路



　　表1上位機軟件實現(xiàn)的功能

　　五關(guān)鍵技術(shù)

　　1TCP/IP協(xié)議的移植

　　為了實現(xiàn)中間站于遠(yuǎn)程電腦的通信，最終實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，中間站增加以太網(wǎng)通信模塊并在主芯片Atmega64中移植TCP/IP協(xié)議，這是設(shè)計的重點之一。

　　2末端溫控器的設(shè)計

　　按鍵功能的合理分配以及軟件實現(xiàn)是系統(tǒng)功能完善性的基礎(chǔ)。

　　3上位監(jiān)控軟件的可靠性和可擴展性

　　為防止由于線路故障或通信出錯導(dǎo)致長時間的待機或死機，上位軟件中必須加入延時等待超時判斷和通信計數(shù)方法。

　　另外考慮到不同場合的樓數(shù)、樓層數(shù)、樓層房間的差別，上位設(shè)計時須具備可選性。

　　六結(jié)束語

　　本文提出了一種性價比較高的中央空調(diào)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案，特別適用于末端數(shù)量、樓層、樓數(shù)較多的場合。設(shè)計過程中充分考慮了故障處理措施，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實用性，對樓宇自動化系統(tǒng)中的中央空調(diào)遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計有一定的借鑒意義。