基于LabVIEW的暖通空調數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)設計

摘要: 暖通空調（HVAC）系統(tǒng)中建立一套對各種水閥、風閥、變風量箱、電加熱器、加濕器以及其他

控制元件進行準確測量及時控制的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。使用NI公司的LabVIEW Developer Suite，把HVAC系統(tǒng)中各種不同設備統(tǒng)一起來，進行集中采集控制。建立一套基于PC的HVAC數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。

關鍵詞:abVIEW  數(shù)據(jù)采集 自動控制 暖通空調系統(tǒng)  PID控制

The Application of LabVIEW in the field of HVAC DAQ and Control System
By Chen Qian，Weng Wengbing

Build a suit of HVAC DAQ and Control System which could take precise data acquisition and control water valve, air valve, VAV box, electrical heater, humidifier and other control elements. Using National Instrument’s product LabVIEW Developer Suite, unite all different devices in HVAC system to take central control. Build a suit of HVAC DAQ and Control System based on PCs.

Keywords:abVIEW  Data Acquisition Auto Control HVAC System  PID Control

引言

LabVIEW大量應用在自動控制領域，對于HVAC系統(tǒng)中采用LabVIEW作為上位端軟件還不多見，但隨著LabVIEW 7 Express的發(fā)布，LabVIEW已經(jīng)開始逐漸滲透到各個領域。在筆者所在專業(yè)HVAC自動控制領域使用LabVIEW后發(fā)現(xiàn)，其功能十分強大，節(jié)省系統(tǒng)開發(fā)時間，非常適合工程開發(fā)人員使用。筆者結合近來開發(fā)的一套HVAC系統(tǒng)，對LabVIEW在HVAC數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的應用做個介紹。

1 系統(tǒng)總體結構

HVAC中有大量數(shù)據(jù)需要采集，通過對數(shù)據(jù)的采集，來對各項系統(tǒng)參數(shù)進行調整。本系統(tǒng)主要由水系統(tǒng)、風系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。

● 水系統(tǒng)包括：水冷式冷水機組，冷卻塔，膨脹水箱，冷凍水泵，冷卻水泵，三通調節(jié)閥、流量計等附件。

● 風系統(tǒng)包括：組合式空調箱、送風管道、回風管道、排風管道、VAVBOX以及閥門和其他控制元件。空調箱包括新回風混合段、過濾器、表冷器、電加熱器、送風風機、蒸汽加濕器等。風機變頻控制。新回風管上分別裝有電動調節(jié)閥，可調節(jié)新回風比例，表冷器前后分別裝有溫濕度測點，空調箱內還裝有噴嘴，用于空氣流量的測量。

● 控制系統(tǒng)包括：各處的壓力傳感器、溫度傳感器、控制元件、執(zhí)行器、數(shù)據(jù)采集儀、計算機、觸摸屏等，可進行建筑環(huán)境與設備自動檢測與數(shù)據(jù)處理。

實驗系統(tǒng)房間共有兩間：Room1和Room2。Room1主要用于建立低溫環(huán)境實驗室，因此單獨配備了一套直接蒸發(fā)式水冷機組。每個房間內均有一個負荷發(fā)生器Ld，用于產(chǎn)生模擬負荷，并且有溫濕度測點。在Room1中，布置一組送回風口，頂送下側回；Room2中布置兩組送回風口，分別為頂送、側回。每個送、回風口上都裝有手動調節(jié)閥，可開關或進行調節(jié)。房間內布置一個壓差傳感器，可控制房間內的正壓。在兩個房間的送風管道上分別裝有一個壓力無關型VAVBOX。

通過對圖1系統(tǒng)原理圖，大家對系統(tǒng)能有個直觀的認識。

2 數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)

系統(tǒng)分為兩部分：數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)控制。數(shù)據(jù)采集部分有各種不同數(shù)據(jù)采集設備?？刂撇糠钟蒔LC(可編程控制器)來完成。LabVIEW能很方便的對計算機串口進行操作，因此LabVIEW可方便的建立計算機串口與PLC串口之間的通信，便捷的獲得PLC中的數(shù)據(jù)，在計算機中進行PID神經(jīng)模糊等復雜運算，從而得到需要的數(shù)字控制信號，對需要控制的設備進行控制，增強系統(tǒng)的通用性。并可開發(fā)出更加豐富的功能。從圖2中可以看出整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中用到的軟硬件部分及它們間的關系。

圖2 采集控制關系圖 [!--empirenews.page--]

通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可得數(shù)據(jù)有：表冷器水流量，VAVBOX1、2風量反饋，送風濕度，新風溫濕度，低溫室壁掛式溫濕度計溫濕度，變頻壓縮機節(jié)流前后壓力，噴嘴壓差，表冷器前后干濕球溫度，蒸發(fā)機組壓縮機吸排氣溫度，變頻冷水機組壓縮機吸排氣溫度，冷水機組壓縮機吸排氣溫度，表冷器進出水溫度，熱水箱進水溫度，冷卻塔進水溫度，變頻冷水機組冷卻進出水溫度，變頻冷水機組進水溫度，冷水機組冷卻水進出水溫度，冷水機組進出水溫度?？梢娦枰O置大量的不同得傳感器。

使用的末端傳感器有：PT100鉑電阻溫度傳感器，鉑電阻使用四線制可以提高測量精度，避免沿途數(shù)據(jù)線電阻對測量的影響。EE10室內溫濕度變送器，產(chǎn)生4～20mA的標準電流信號，為了便于數(shù)據(jù)采集儀測量和避免信號的失真，在其中加入250Ω的精密電阻，將電流信號轉換為標準的1～5V的電壓信號。壓力傳感器、風閥開度控制器、濕度等信號均是標準的1～5V的標準信號，或者經(jīng)過轉換成為1～5V的標準信號，便于數(shù)據(jù)采集儀進行處理。這些信號均為線性或近似線性，可以通過增益和偏移（M×B）把標準信號轉換為我們熟悉的溫度濕度壓力值工程量。例如：采集到的信號為3V，此時的1V對應于0℃，5V對應于100℃，則可以通過：

Y＝MX＋B

算出M＝25，B＝-25，再把3代入，可得Y＝50℃。此部分只需通過使用LabVIEW的Database Toolset工具包和全局變量數(shù)據(jù)的交換，很容易實現(xiàn)信號的轉換。 
數(shù)據(jù)采集儀：傳感器、變送器產(chǎn)生的標準信號直接進入數(shù)據(jù)采集儀。數(shù)據(jù)采集儀采用的是Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集儀（附三塊HP 34901A 20通道銜鐵繼電器多路轉換器）。它可以直接測量熱電偶、電阻溫度測試器、熱敏電阻、直流電壓、直流電流、交流電流等。電源電流、電壓、功率和頻率通過PF9833三相PWM專用測試儀來測量。通過使用NI-VISA協(xié)議，可對串口讀寫操作，很方便的完成了數(shù)據(jù)的交換，見圖3。

圖3 LabVIEW中NI-VISA串口讀寫

控制系統(tǒng)PLC與PC的通信也同樣使用了NI-VISA協(xié)議進行通信。通過把命令請求寫入（Write）串口，設備對命令分析識別，把命令請求的數(shù)據(jù)通過RS-232接口返回到計算機，再通過對串口讀操作（Read），從而獲得設備采集的數(shù)據(jù)。對于不同設備有不通的命令。Agilent 34970A使用的是SCPI（Standard Commands for Programmable Instruments)可編程儀器標準命令集。PF9833則使用了另外的命令集。不同設備不管使用什么協(xié)議，通過NI-VISA都可和容易建立設備與計算機間的通信。對于PLC，需要編寫設備端程序。要求程序實現(xiàn)獲得命令后，對命令進行分析識別，把相應數(shù)據(jù)送出。

信號控制使用西門子SIMATICS7-300 PLC，部分對控制有影響的采集信號進入PLC，進行PID分析運算，產(chǎn)生控制信號，對風閥、風機、水泵、加熱器等進行控制。PLC帶有的RS-232通訊接口，直接與計算機建立通信。PC獲得進入PLC的各種信號，也可在計算機中進行更為復雜的運算，產(chǎn)生數(shù)字控制信號返回PLC，再由PLC對各種需要控制的設備進行控制。

本系統(tǒng)可通過觸摸屏對整個系統(tǒng)發(fā)出控制指令，觸摸屏的每個開關都對應于PLC各個開關觸點，相當于PLC的鍵盤，可對整個系統(tǒng)的各種參數(shù)進行調整。例如可以對風閥的開關，風機、水泵、電加熱器的啟停，各個PID控制設備P、I、D（比例、積分、微分）三個參數(shù)的設置進行相應的操作，系統(tǒng)流程圖可清晰的從中反映出來。

由于使用了大量的串口來進行數(shù)據(jù)的通信，需添置一塊多串口卡，用于連接多個串口設備。

3 LabVIEW程序

通過LabVIEW圖形化設計很容易設計出漂亮美觀的用戶界面。見下圖4所示。在使用Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集儀時可對溫度、電壓、電流等各種參數(shù)進行測量，在進行采集時涉及到參數(shù)需要更改的情況，我們
使用了NI的數(shù)據(jù)庫連接工具包（Database Connectivity Toolset），直接在一個已經(jīng)編輯好的數(shù)據(jù)庫（Hpsetting.mdb）里編輯所改變采集通道的參數(shù)，然后在運行程序時選擇是否需要下載新的設置到數(shù)據(jù)采集儀，使數(shù)據(jù)采集儀相應設置改變，以采集到正確的數(shù)據(jù)。設置參數(shù)有通道號、通道描述、輸入類型、范圍、周期、延遲、觸發(fā)、鉑電阻阻值以及標定等。只要是使用Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集儀采集數(shù)據(jù)，程序就不需要進行大的修改，節(jié)省了開發(fā)成本和時間，提高程序的通用性。

控制上使用了NI PID工具包，可對需要進行控制的部件進行PID控制，利用該工具包可以節(jié)省我們大量開發(fā)時間。LabVIEW一個很大的特點就是提供了大量的可用控件，控件提供輸入輸出，通過線連接輸入數(shù)據(jù)，就可很方便的從輸出口得到需要的控制命令。

4 實驗

LabVIEW和眾多系統(tǒng)中各種傳感器配合，在系統(tǒng)調試中發(fā)揮了很大的作用。所需數(shù)據(jù)通過一臺普通裝有LabVIEW的計算機就能顯示出來。調試中的數(shù)據(jù)用LabVIEW來進行分析顯示，觀察系統(tǒng)是否達到了預定的要求。

在系統(tǒng)中使用了LabVIEW軟件，在硬件上不需要做太多的更改。各項所需測量控制參數(shù)在系統(tǒng)調試階段已經(jīng)設置好，后面就只需在軟件界面和各項參數(shù)組合上做工作。

  在冷水機組數(shù)據(jù)采集控制實驗中，界面如圖4，開啟空調系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)采集設備獲得當前溫濕度信號。獲得數(shù)據(jù)經(jīng)過PID運算，輸出控制信號，最終通過對PID參數(shù)的調節(jié)（更改界面中的PID參數(shù)，經(jīng)過PC對PLC的控制，達到控制設備的目的）使得溫濕度參數(shù)最終穩(wěn)定在設定值附近，達到了實驗控制的目的。最后可以通過NI的報告生成工具包（Report generation toolset）把實驗中保存的數(shù)據(jù)以報表的形式打印出來。

硬件亦不需做大的調整，主要集中在軟件的編畫（LabVIEW為圖形化語言）上。因為縮短軟件的開發(fā)時間，使得整個數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的開發(fā)時間也大大縮短。

5 結論

LabVIEW在系統(tǒng)開發(fā)上有很大的優(yōu)勢。從系統(tǒng)建設時間來看，用LabVIEW來進行軟件編程和同一系統(tǒng)的PLC編程相比，所花的時間更少、程序界面設計更容易更美觀。用PLC來編程，并使之通過可視的界面顯現(xiàn)出來（我們這里使用了MCGS嵌入式圖形界面），是兩個系統(tǒng)都需要進行設計的工作。而LabVIEW把兩者都集于一體，通過簡單的PC，就能對LabVIEW進行編程設計，最終在很短的時間內開發(fā)出我們需要的界面和功能，直至最終的產(chǎn)品。使用LabVIEW不僅在時間上優(yōu)勢明顯，在系統(tǒng)的再開發(fā)上也有極大的優(yōu)勢。如果系統(tǒng)需要開發(fā)一個新的功能項目，在系統(tǒng)中加入某一傳感器測量元件進行信號測量，然后再在LabVIEW中設計界面分析顯示，很快就能達到想要結果。對于筆者所做的這一需要不斷改進的系統(tǒng)，LabVIEW無疑是最好的選擇。