基于現(xiàn)場(chǎng)總線的空調(diào)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究

1 引言

　　眾所周知，對(duì)于每一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)都是由各種各樣的傳感器、變送器等檢測(cè)設(shè)備組成，以便及時(shí)地將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和被控對(duì)象的各種參數(shù)反應(yīng)到控制器或控制計(jì)算機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的精確控制。隨著計(jì)算機(jī)、通信、集成電路、傳感器技術(shù)的發(fā)展，在控制領(lǐng)域又出現(xiàn)了一種新興的控制技術(shù)，即現(xiàn)場(chǎng)總線（FCS）?，F(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)，為數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)控制提供了一種新的手段。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

　　2.1　現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)概念

　　根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)IEC1158定義，現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）是“安裝在生產(chǎn)過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行，數(shù)字式，多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線”。或者說(shuō)，現(xiàn)場(chǎng)總線是以單個(gè)分散的，數(shù)字化智能化的測(cè)量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用總線相連接，實(shí)現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動(dòng)控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。

　　2.2 現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn)

　　現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，使控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、投運(yùn)到正常生產(chǎn)運(yùn)行及其檢修維護(hù)，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。

　　1、節(jié)省硬件數(shù)量與投資。由于現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中分散在設(shè)備前端的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感、控制、報(bào)警和計(jì)算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，從而節(jié)省了一大筆硬件投資，由于控制設(shè)備的減少，還可減少控制室的占地面積。

　　2、節(jié)省安裝費(fèi)用?，F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的接線十分簡(jiǎn)單，既節(jié)省了投資，也減少了設(shè)計(jì)、安裝的工作量。據(jù)有關(guān)典型試驗(yàn)工程的測(cè)算資料，可節(jié)約安裝費(fèi)用60%以上。

　　3、節(jié)省維護(hù)開(kāi)銷。由于現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備具有自診斷與簡(jiǎn)單故障處理的能力，并通過(guò)數(shù)字通訊將相關(guān)的診斷維護(hù)信息送往控制室，用戶可以查詢所有設(shè)備的運(yùn)行，診斷維護(hù)信息，以便早期分析故障原因并快速排除。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　整個(gè)系統(tǒng)的連接簡(jiǎn)圖如下所示：

　　在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中我采用的是將DS100控制器通過(guò)485/232轉(zhuǎn)接口與計(jì)算機(jī)串行口連接的策略，計(jì)算機(jī)的串行口作為RS-232接口的主控設(shè)備，一切由計(jì)算機(jī)來(lái)控制。需要注意的是在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前要先運(yùn)行一下控制器自帶的一個(gè)軟件setdevice來(lái)設(shè)置一下控制器的通訊參數(shù)，如波特率等。采集過(guò)程中，電腦發(fā)送一個(gè)特定幀格式的讀命令給控制器，控制器將返送由傳感器傳來(lái)的數(shù)據(jù)作為應(yīng)答，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集功能。連接環(huán)境溫濕度和水溫調(diào)節(jié)設(shè)備的控制器負(fù)責(zé)系統(tǒng)的控制，控制過(guò)程中，由計(jì)算機(jī)發(fā)送一個(gè)帶有數(shù)據(jù)的寫(xiě)命令，控制器在收到正確的寫(xiě)命令以后，在對(duì)計(jì)算機(jī)回應(yīng)的同時(shí)將數(shù)據(jù)傳遞給與其相聯(lián)的調(diào)節(jié)設(shè)備，調(diào)節(jié)設(shè)備在收到命令以后將按照給定的溫度對(duì)水溫或環(huán)境的溫濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的各模塊框圖如下：

　　主模塊作為獨(dú)立的頁(yè)面選擇室內(nèi)側(cè)還是室外側(cè)的空調(diào)測(cè)控，主模塊下有系統(tǒng)設(shè)置，數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)控制，實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成4個(gè)獨(dú)立的頁(yè)面。系統(tǒng)開(kāi)始前需要先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，其中包括對(duì)串口的設(shè)置，通道選擇等。數(shù)據(jù)采集作為獨(dú)立的模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，接收到的數(shù)據(jù)送入一個(gè)緩沖區(qū)中，數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的處理，它從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，對(duì)于需要顯示的數(shù)據(jù)，送到數(shù)據(jù)顯示模塊進(jìn)行顯示，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的計(jì)算得到我們需要的結(jié)果。數(shù)據(jù)顯示模塊定時(shí)的刷新數(shù)據(jù)，顯示數(shù)據(jù)，系統(tǒng)控制模塊主要實(shí)現(xiàn)寫(xiě)功能，對(duì)于要寫(xiě)的控制數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)采集模塊，寫(xiě)入串口，由控制器傳送到相應(yīng)的空調(diào)控制設(shè)備，實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成模塊將生成一個(gè)EXCEL表格形式的實(shí)驗(yàn)報(bào)告來(lái)反映整個(gè)實(shí)驗(yàn)的重要數(shù)據(jù)。

　　4.1 數(shù)據(jù)采集

　　數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)DS100控制器的讀寫(xiě)操作。

　　要采集的數(shù)據(jù)量主要有以下幾個(gè)：水流量，干球溫度，濕球溫度，進(jìn)口水溫，出口水溫，功率。

　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采集到的一組數(shù)據(jù)如下：

　　4.2 數(shù)據(jù)處理

　　DS100采用MODBUS協(xié)議的ASCII傳輸模式，它有自己對(duì)應(yīng)的幀格式。數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)DS100控制器寫(xiě)前的編碼工作和讀后的解碼工作。并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到制冷熱量，能效比等需要計(jì)算的量。以室外側(cè)為例：

　　室外側(cè)計(jì)算量（共2個(gè)）：

　　根據(jù)上面的采集量計(jì)算出的相應(yīng)的制冷熱量和能效比如下：

　　4.3 系統(tǒng)控制

　　對(duì)水進(jìn)口溫度和環(huán)境的溫濕度進(jìn)行控制，以測(cè)試空調(diào)在不同狀況下的性能。

　　控制過(guò)程中，由計(jì)算機(jī)發(fā)送一個(gè)帶有數(shù)據(jù)的寫(xiě)命令，控制器在收到正確的寫(xiě)命令以后，在對(duì)計(jì)算機(jī)回應(yīng)的同時(shí)將數(shù)據(jù)傳遞給與其相聯(lián)的調(diào)節(jié)設(shè)備，調(diào)節(jié)設(shè)備在收到命令以后將按照給定的溫度對(duì)水溫或環(huán)境的溫濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能。

　　4.4 性能演示

　　負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)（包括直接采集到的和計(jì)算出的）的顯示。能夠顯示空調(diào)性能的計(jì)算量（能效比，制冷熱量等）由圖像動(dòng)態(tài)演示其變化。

　　上面兩圖分別為能效比和制冷量隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線，其中制冷熱量的刻度單位為W,能效比的刻度單位為W/W,時(shí)間的刻度單位為半小時(shí)，試驗(yàn)為每隔15分鐘計(jì)算一次能效比和制冷熱量，曲線變化越小，說(shuō)明空調(diào)的性能越穩(wěn)定。從上面的圖中可以看出被測(cè)空調(diào)的性能是比較穩(wěn)定的。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　所設(shè)計(jì)的空調(diào)測(cè)控系統(tǒng)在動(dòng)力二館實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了為期半年的試運(yùn)行，結(jié)果表明整套測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，性能可靠，操作使用方便。

6 結(jié)語(yǔ)

　　本文借助于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)設(shè)計(jì)的空調(diào)測(cè)控系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，運(yùn)行及維護(hù)成本都較低，是獨(dú)立空調(diào)測(cè)控中值得推廣的一種方案。