基于現(xiàn)場總線的空調(diào)測控系統(tǒng)設(shè)計和研究

1 引言

　　眾所周知，對于每一個復(fù)雜的控制系統(tǒng)都是由各種各樣的傳感器、變送器等檢測設(shè)備組成，以便及時地將現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)和被控對象的各種參數(shù)反應(yīng)到控制器或控制計算機，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的精確控制。隨著計算機、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)場總線（FCS）。現(xiàn)場總線的出現(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)場總線技術(shù)

　　2.1　現(xiàn)場總線技術(shù)概念

　　根據(jù)國際電工委員會IEC1158定義，現(xiàn)場總線（Fieldbus）是“安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行，數(shù)字式，多點通信的數(shù)據(jù)總線”?；蛘哒f，現(xiàn)場總線是以單個分散的，數(shù)字化智能化的測量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，用總線相連接，實現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。

　　2.2 現(xiàn)場總線的優(yōu)點

　　現(xiàn)場總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化，使控制系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、投運到正常生產(chǎn)運行及其檢修維護，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、報警和計算功能，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)省安裝費用?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線十分簡單，既節(jié)省了投資，也減少了設(shè)計、安裝的工作量。據(jù)有關(guān)典型試驗工程的測算資料，可節(jié)約安裝費用60%以上。

　　3、節(jié)省維護開銷。由于現(xiàn)場控制設(shè)備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數(shù)字通訊將相關(guān)的診斷維護信息送往控制室，用戶可以查詢所有設(shè)備的運行，診斷維護信息，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

　　整個系統(tǒng)的連接簡圖如下所示：

　　在這個實驗中我采用的是將DS100控制器通過485/232轉(zhuǎn)接口與計算機串行口連接的策略，計算機的串行口作為RS-232接口的主控設(shè)備，一切由計算機來控制。需要注意的是在實驗開始前要先運行一下控制器自帶的一個軟件setdevice來設(shè)置一下控制器的通訊參數(shù)，如波特率等。采集過程中，電腦發(fā)送一個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的數(shù)據(jù)作為應(yīng)答，實現(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)備的控制器負責(zé)系統(tǒng)的控制，控制過程中，由計算機發(fā)送一個帶有數(shù)據(jù)的寫命令，控制器在收到正確的寫命令以后，在對計算機回應(yīng)的同時將數(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水溫或環(huán)境的溫濕度進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)的各模塊框圖如下：

　　主模塊作為獨立的頁面選擇室內(nèi)側(cè)還是室外側(cè)的空調(diào)測控，主模塊下有系統(tǒng)設(shè)置，數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)控制，實驗報告生成4個獨立的頁面。系統(tǒng)開始前需要先對系統(tǒng)進行設(shè)置，其中包括對串口的設(shè)置，通道選擇等。數(shù)據(jù)采集作為獨立的模塊負責(zé)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，接收到的數(shù)據(jù)送入一個緩沖區(qū)中，數(shù)據(jù)處理模塊負責(zé)對數(shù)據(jù)的處理，它從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，對于需要顯示的數(shù)據(jù)，送到數(shù)據(jù)顯示模塊進行顯示，并對數(shù)據(jù)進行一定的計算得到我們需要的結(jié)果。數(shù)據(jù)顯示模塊定時的刷新數(shù)據(jù)，顯示數(shù)據(jù)，系統(tǒng)控制模塊主要實現(xiàn)寫功能，對于要寫的控制數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)采集模塊，寫入串口，由控制器傳送到相應(yīng)的空調(diào)控制設(shè)備，實驗報告生成模塊將生成一個EXCEL表格形式的實驗報告來反映整個實驗的重要數(shù)據(jù)。

　　4.1 數(shù)據(jù)采集

　　數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)對DS100控制器的讀寫操作。

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

　　實驗過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，它有自己對應(yīng)的幀格式。數(shù)據(jù)處理模塊實現(xiàn)對DS100控制器寫前的編碼工作和讀后的解碼工作。并對采集到的數(shù)據(jù)進行計算得到制冷熱量，能效比等需要計算的量。以室外側(cè)為例：

　　室外側(cè)計算量（共2個）：

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

　　4.3 系統(tǒng)控制

　　對水進口溫度和環(huán)境的溫濕度進行控制，以測試空調(diào)在不同狀況下的性能。

　　控制過程中，由計算機發(fā)送一個帶有數(shù)據(jù)的寫命令，控制器在收到正確的寫命令以后，在對計算機回應(yīng)的同時將數(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水溫或環(huán)境的溫濕度進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能。

　　4.4 性能演示

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

　　上面兩圖分別為能效比和制冷量隨時間變化的關(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,時間的刻度單位為半小時，試驗為每隔15分鐘計算一次能效比和制冷熱量，曲線變化越小，說明空調(diào)的性能越穩(wěn)定。從上面的圖中可以看出被測空調(diào)的性能是比較穩(wěn)定的。

5 實驗結(jié)果

　　所設(shè)計的空調(diào)測控系統(tǒng)在動力二館實驗室進行了為期半年的試運行，結(jié)果表明整套測控系統(tǒng)運行穩(wěn)定，性能可靠，操作使用方便。

6 結(jié)語

　　本文借助于現(xiàn)場總線技術(shù)設(shè)計的空調(diào)測控系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡單，實用性強的特點，運行及維護成本都較低，是獨立空調(diào)測控中值得推廣的一種方案。