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1 引言
近年來，隨著高層賓館、寫字樓、高級住宅和大型商場的紛紛崛起，中央空調系統變得相當普及。調查顯示，多數建筑物空調系統在50%負荷以外運行時間超過70%，在傳統的一次泵系統，其冷凍和冷卻水泵是定流量運行的，這導致在低負荷下水系統是在大流量低溫差下運行的，造成了很大的浪費。因此我們采用基于CAN總線的循環水系統變流量控制方式，可以根據水系統的壓力和溫度調節循環水的流量，具有節能、可靠性和控制效率高等優點。
2 中央空調水系統構成及原理
空調水系統主要是由制冷機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔等組成的一個系統。該系統的工作原理是制冷劑在制冷機組的蒸發器中汽化吸收冷凍水的熱量，從而使載冷劑—冷凍水的溫度降低，然后，在蒸發器內被汽化的制冷劑經制冷機組的壓縮機時被壓縮成高壓高溫的氣體，當高溫高壓的制冷劑流經冷凝器時被來自冷卻塔的冷卻水冷卻變成低溫高壓的氣體，低溫高壓的制冷劑通過膨脹閥后重新變成了低溫低壓的液體，而后再在蒸發器內氣化，完成一次循環。通過不斷的循環，載冷劑不斷地輸送冷量到空氣處理單元，同時，制冷機組產生的熱量不斷的被冷卻水所帶走，在流經冷卻塔時散發到空氣中。
3 控制系統的控制策略
在傳統的循環水系統中，其冷凍和冷卻水泵是定流量運行的，此時全年絕大部分運行時間溫差僅為1～3℃，即在溫差低、流量大的情況下工作，增加了管路系統的能量損失，浪費了水泵運行的輸送能量。因此決定冷凍水采用溫差控制，設計溫差提高為5～7℃，冷卻水采用溫度控制，設計溫度為37℃左右。同時，在根據溫度和溫差對水泵轉速進行調節時，必須要保證空調機組正常運行所需要的最小壓力，如循環水壓力小于此壓力，機組將自動關閉，停止運行。
系統中給定量有冷凍水設定溫差，冷卻水設定溫度，反饋量有冷凍水進出水溫度，冷卻水出水溫度，冷凍水進水壓力，冷卻水進水壓力。
4 控制系統的整體構成
中央空調水系統控制系統的總體框圖如圖1所示。
圖1中央空調水系統控制系統的總體框圖
該控制系統的上位機即主控計算機采用工業控制計算機，它的主要功能是接收下位機上傳的數據，根據所接收到的信息經過系統優化后給出最佳的控制量，通過CAN網絡發送到各個下位機，并實時顯示各個下位機的狀態和循環水的溫度等信息。各下位機，采用ATMEL公司生產的AT89C51單片機作為微處理器，主要負責本水泵內信號的采集并上傳到上位機、接收上位機的數據控制本水泵的運行。上位機通過插在PC總線擴展槽內的智能CAN總線通信適配卡連接CAN總線，并通過CAN總線與各單元控制器相連接。單元控制器也可以脫離上位機，直接進行現場手動控制。信號采集板也是一個下位機，它主要負責采集循環水系統的信息，包括溫度和壓力值，上傳給上位機，并接收上位機下傳的信息。電源板采用開關電源，主要是給信號采集板和溫度、壓力傳感器供電。
傳感器有壓力和溫度傳感器，主要負責測量循環水系統的溫度和壓力。
系統工作過程為：上位機通過將下位機上傳的實際信息與工作人員在控制計算機上設定的控制量相比較，并綜合信號采集板上傳的其它實際信息，講過優化處理后，得到最佳的控制量，通過CAN網絡，下傳給各個下位機，下位機接收到這些指令后，對自身的運行狀態和運行參數進行調節，達到最佳的節能效果。同時，若脫離上位機，工作人員可直接對各個水泵的運行進行控制。
5 控制系統的硬件設計
系統硬件主要包括智能CAN總線通信適配卡、下位機水泵控制器節點、下位機信號采集板節點，電源板和傳感器。
a 下位機水泵控制器硬件設計
CAN總線通信適配卡提供了上位機和CAN總線的連接。下位機水泵控制器節點的核心部分是89C51單片機。
就地給定部分分為三部分：水泵啟停開關；遠程就地開關（遠程：通過上位機控制。就地：就地直接對水泵控制）；轉速給定旋鈕。
CAN通信包括控制器和收發器，其中控制器采用SJA 1000，負責接收來自CAN總線的數據以及通過CAN總線向上位機發送數據。收發器82C250負責數據交換和通訊處理。
D/A轉換，采用低功耗12位串行數模轉換器MAX539，做為水泵控制器的轉速給定，調節電機轉速。
顯示部分采用4個LED顯示管，主要顯示水泵的實際轉速，同時有一個發光二極管顯示網絡通信的狀態，閃亮為通信正常，反之則表示網絡通信不正常。
b 下位機采集板硬件設計
下位機采集板節點的核心部分是89C51單片機，結構圖如下。
信號調理電路主要是對采集到的模擬信號進行適當的調節，有采樣電阻、信號濾波和信號放大三部分，主要由運算放大器組成。
A/D轉換考慮到系統需要不同的模數轉換精度，所以采用了兩個轉換芯片，一個采用12位串行模數轉換器TLC2543，11路模擬輸入。另一個采用8位串行模數轉換器TLC0834，4路模擬輸入。
CAN通信部分和下位機水泵控制器的CAN通信部分一樣。采用SJA1000和82C250。
考慮到實際應用中，有時候要改造原有的循環水系統，為了達到最佳的節能效果，不會更換所有的原有電機，此時為了通過主控計算機對未更換的電機進行啟停的控制，需要加入繼電器，以達到對未更換電機的啟停控制，MC1413主要是用來驅動繼電器。繼電器一般選用12V的
c 電源板硬件設計
電源板設計功率為60W,有4路輸出，分別為+15V、–15V、+5V和+24V。其中+15V、–15V、+5V給信號采集板供電，+24V給傳感器供電。+15V、–15V和+24V采用7815、7915和7824進行穩壓。+5V作為電壓反饋，控制電路根據此電壓的變化調節開關管的導通時間，以穩定輸出電壓。
輸入為交流220V,經過不可控整流電路變為310V直流，做為變壓器的輸入直流電壓，變壓器采用E型鐵氧體材料。
開關管采用MOS管6N110，額定電壓為1100V。
電流反饋為檢測變壓器原邊電流，當電流超過1A時，開關管關斷。
控制電路采用芯片UC3842，開關頻率為27KHz,雙環控制，外環為電壓環，內環為電流環。
d 傳感器選擇
傳感器有壓力傳感器和溫度傳感器，均為兩線制，供電電壓24V,輸出4－20mA。其中溫度傳感器需要定做，不同的安裝管道管徑需要不同長度的傳感器。同時不同的管道壁厚需要傳感器的安裝螺紋長度也不同。此處采用的傳感器長度為100mm,安裝螺紋長2cm。量程為0－100攝氏度。壓力傳感器的型號為H500PT，量程為0－1Mpa。
6 控制系統的軟件設計
下位機節點控制軟件采用8051匯編語言編程，固化于89C51的EEPROM中，主要完成數據采集、數據通信、I/O接口控制、數字顯示控制等功能。
上位機管理軟件是在windawsXP操作平臺上，利用Visual Basic6.0開發的，包括記錄查詢、記錄打印、密碼管理、水泵切換、系統啟停、溫度和溫差設定等模塊，具有界面友好、顯示直觀、操作方便等優點。系統主頁面為中央空調循環水系統的工藝流程圖，系統運行時，各個水泵的電流會實時的在主頁面上顯示。同時，工作人員可以隨時的查詢系統運行記錄，記錄包括有日、月、季度、年記錄，并且工作人員的每次操作都被記錄下來，工作人員可以查詢到水泵在具體時間的運行電流等信息和系統的操作記錄，同時這些記錄都可以進行打印。 用戶可以更改自己的密碼，同時管理員可以根據實際要求刪除和添加用戶。工作人員可以根據實際水泵的運行狀態進行水泵的切換，使在整個循環水系統運行中，各個水泵可以工作同樣的時間，延長水泵的使用壽命。工作人員還可以根據實際情況，改變溫度和溫差值，既而改變循環水系統的流量。
在整個軟件系統運行時，系統會實時的檢測接收到的壓力值，以保證中央空調機組的正常運行，同時會以很小的時間間隔保存接收到的下位機上傳的數據，并且以一定的時間間隔對比實際溫度和用戶設定的溫度，對水泵的轉速進行調節。
下圖為冷卻水設定溫度低于實際溫度控制的程序流程圖。
其中冷卻水有循環泵3臺，兩臺為更換的可調速電機，分別記為1＃和2＃，一臺為未更換不可調速電機，記為工頻機。正常運行時3臺泵為兩用一備。
7 試驗結果
以采暖水的三臺15KW水泵為例，未進行改造前，工作狀況為兩用一備，均不可調速，額定轉速為2950r/min。改造后，工作狀況為一臺不可調速水泵和一臺可調速水泵同時工作，此時可測得不可調速水泵的工作電流為22.6A。可調速水泵的轉速為2400 r/min時，即可滿足中央空調機組的運行要求。
從流體力學原理可知：流量q與電機轉速n成正比，壓力（揚程）Pa與電機轉速n的二次方成正比，而軸功率p與轉速n的三次方成正比。當轉速降到2400r/min時，實際功率P=( 2400/2950)3×100%＝54%,即實際功率僅為額定功率的54％，節電46％。此時實測調速水泵的工作電流為11A，實際節電率為51％，節電效果很明顯。如果加上CAN網絡系統對循環水系統進行整體的優化控制，節電效果會更為明顯。
8 結論
本系統既可以利用上位機通過CAN網進行遠程控制，也可以直接進行就地控制。系統還具有較好的擴展余地，可根據應用要求進行節點的擴展。但是對循環水流量進行控制時，會使中央空調機組制冷機的制冷效率（COP）下降，這兩者之間的最佳搭配還需要進一步的研究。
該系統經使用證明，系統設計合理，工作可靠，性價比高，具有很強的實際應用價值與廣闊的前景。
參考文獻：
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