基于DDC的智能建筑中央空調(diào)一次回風系統(tǒng)研究*

張佑春，馬玉清，朱煉，張公永

（1.安徽工商職業(yè)學院電子信息系，安徽合肥231131；2.濱州學院電氣工程系，山東濱州256600）

基于DDC的智能建筑中央空調(diào)一次回風系統(tǒng)研究*

張佑春1，馬玉清1，朱煉1，張公永2

（1.安徽工商職業(yè)學院電子信息系，安徽合肥231131；2.濱州學院電氣工程系，山東濱州256600）

鑒于傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)溫濕度調(diào)節(jié)速率緩慢、偏差大、能耗高等缺點，提出了一種基于直接數(shù)字控制和LonWorks技術的智能建筑中央空調(diào)一次回風系統(tǒng)設計方案。系統(tǒng)底層控制網(wǎng)絡采用海灣HW－BA5201 DDC控制器組建，上位機監(jiān)控平臺采用力控ForceControl 7.0組態(tài)軟件設計。通過溫度和濕度傳感器實時檢測系統(tǒng)回風溫度和濕度，PID自動調(diào)節(jié)給水閥和加濕閥開度，最終實現(xiàn)控制要求。系統(tǒng)設有壓差保護，防凍保護，以及風閥執(zhí)行器與風機聯(lián)鎖控制功能，具有一定的推廣應用價值。

LonWorks；直接數(shù)字控制；中央空調(diào)一次回風系統(tǒng)

智能建筑的出現(xiàn)在一定程度上有效地改善了人們的生活環(huán)境。智能建筑內(nèi)部含多種電氣、電子和機電一體化等用電設備，而這些設備往往都處于長期運行當中?？照{(diào)系統(tǒng)的耗能占據(jù)了相當大的比重，長期以來，研究人員嘗試多種途徑探索實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)性能的改善。魏立明等人以STC單片機作為空調(diào)系統(tǒng)控制核心，通過溫濕度傳感器獲取空調(diào)系統(tǒng)溫度和濕度，結(jié)合蟻群算法優(yōu)化PID調(diào)節(jié)器，在一定程度上起到了較好地控制與節(jié)能效果［1］。趙廷法等人運用MATLAB建立了變風量中央空調(diào)系統(tǒng)能耗仿真模型，該模型可以用于優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)的相關節(jié)能參數(shù)，但實際建筑負荷與估算負荷之間存在偏差［2］。周洪煜等人就中央空調(diào)定流量水系統(tǒng)缺陷，提出了一種基于Elman型回歸神經(jīng)網(wǎng)絡的水系統(tǒng)變流量運行控制方案，系統(tǒng)節(jié)能率理論上可以達到40%［3］。此外，陳國明、張艷陽、黃從利、石建華等人分別利用S7－200 PLC、STM32單片機、直接數(shù)字控制器作為中央空調(diào)系統(tǒng)核心控制器，通過運用不同的控制策略，在一定程度上改善了空調(diào)系統(tǒng)性能［4－7］。

文章設計了一種智能建筑中央空調(diào)一次回風系統(tǒng)方案，系統(tǒng)下位機采用海灣HW－BA5201 DDC控制器，上位機安裝有ForceControl 7.0組態(tài)軟件的PC機。通過溫度和濕度傳感器實時檢測系統(tǒng)回風溫度和濕度，調(diào)節(jié)給水閥和加濕閥開度，達到控制要求。系統(tǒng)具有壓差保護、防凍保護和風閥執(zhí)行器與風機聯(lián)鎖控制功能。系統(tǒng)底層控制網(wǎng)絡采用LonMaker軟件，上位機監(jiān)控平臺采用力控組態(tài)軟件設計，最終實現(xiàn)整個中央空調(diào)一次回風系統(tǒng)的搭建。

1 直接數(shù)字控制技術

直接數(shù)字控制（Direct Digital Control，DDC）技術，通常是指在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，去除中間環(huán)節(jié)，被控參數(shù)采集由變送器或傳感器完成，計算機負責控制算法實現(xiàn)，對調(diào)節(jié)閥、執(zhí)行器等可以直接控制，這里的計算機可以是可編程序控制器、單片機、工控機等［8］。在DDC系統(tǒng)中，輸入輸出通道是計算機和傳感器、執(zhí)行器之間的信息傳遞和變換裝置，是連接控制計算機和工業(yè)生產(chǎn)過程的橋梁和紐帶，往往決定了整個系統(tǒng)的性能。一般的DDC系統(tǒng)支持模擬量輸入（AI）、模擬量輸出（AO）、開關量輸入（DI）、開關量輸出（DO）等多種輸入輸出方式。

2 中央空調(diào)一次回風系統(tǒng)控制功能與結(jié)構設計

2.1 控制功能設計

中央空調(diào)一次回風系統(tǒng)是指將一部分新風與一部分室內(nèi)回風進行混合，通過空氣調(diào)節(jié)、回風處理等相關技術措施后，再次送入室內(nèi)的一次回風系統(tǒng)。一方面提升了冬季和夏季的空氣調(diào)節(jié)質(zhì)量，另一方面提高了系統(tǒng)的工作效率，使得系統(tǒng)更加節(jié)能、環(huán)保。文章設計的一次回風監(jiān)控系統(tǒng)，主要完成了幾個典型控制對象的調(diào)節(jié)與控制，其控制功能設計主要包括回風溫度控制、回風濕度控制、壓差開關報警控制、防凍開關報警控制和風閥執(zhí)行器與風機聯(lián)鎖控制等。

2.2 一次回風系統(tǒng)結(jié)構框圖設計

一次回風系統(tǒng)結(jié)構框圖，如圖1所示。系統(tǒng)采用DDC作為智能控制節(jié)點，通過溫度和濕度傳感器實時檢測回風溫度和濕度，壓差開關、防凍開關及風機運行狀態(tài)作為開關量，可以直接反饋至DDC控制器，智能控制節(jié)點實時監(jiān)測上述各項參數(shù)。當檢測到的回風溫度和濕度與設定值不等時，發(fā)出控制命令，驅(qū)動水閥執(zhí)行器和加濕閥執(zhí)行器工作，直至回風溫度和濕度達到設定值。此外，當壓差開關或防凍開關產(chǎn)生報警信號時，關閉風機和風閥。直接數(shù)字控制器I/O端口設置，如表1所示。

圖1 一次回風系統(tǒng)結(jié)構

表1 一次回風系統(tǒng)控制器對照表

3 底層控制網(wǎng)絡設計

底層控制網(wǎng)絡選用Echelon公司LonMaker軟件設計，網(wǎng)絡控制設備選用HW－BA5201 DDC控制器。通過調(diào)用內(nèi)置的2個PID模塊分別調(diào)節(jié)回風溫度和回風濕度。根據(jù)設定值與測量值之差，控制冷/熱水閥、加濕閥的開度，保證回風溫度和回風濕度為設定值。輸入端口配置中，設置UI1～UI7的采樣時間為00010，即1 s，實時采集送風溫度、回風溫度、回風濕度、壓差開關狀態(tài)、防凍開關狀態(tài)、故障報警和風機運行狀態(tài)等參數(shù)。根據(jù)采集到的過程值，通過PID控制算法對水閥、加濕閥的開度進行自動調(diào)節(jié)，從而使環(huán)境溫度、濕度達到或接近設定值，智能建筑中央空調(diào)一次回風底層控制網(wǎng)絡如圖2所示。

圖2 一次回風系統(tǒng)底層控制網(wǎng)絡

4 上位機控制程序設計

4.1組態(tài)窗口設計

上位機監(jiān)控平臺選用組態(tài)軟件ForceControl 7.0組建［9］，首先需建立好底層控制網(wǎng)絡，其次建立I/O設備和數(shù)據(jù)庫組態(tài)，建立所有I/O數(shù)據(jù)鏈接。一次回風系統(tǒng)組態(tài)窗口，如圖3所示。其中設定溫度和設定濕度為手動輸入值，回風溫度和回風濕度為系統(tǒng)輸出值。主要組件有新風閥、壓差開關、冷暖水閥、防凍開關、風機、加濕器、送風裝置、回風閥等。在軟件中，可以通過設置判斷組件動作、區(qū)分顏色變化、添加約束條件等項目，以及周期運行控制程序語句，搭建上位機監(jiān)控組態(tài)平臺。

圖3 一次回風系統(tǒng)上位機監(jiān)控平臺

4.2 周期運行控制

周期運行控制程序采用IF ELSE語句實現(xiàn)，部分程序如下：

5 調(diào)試與運行

打開“中央空調(diào)一次回風監(jiān)控系統(tǒng)”組態(tài)工程界面，將系統(tǒng)切換至運行模式。點擊組態(tài)界面上“設定溫度”，輸入所需溫度值（26℃）；“設定濕度”，輸入所需濕度值（82RH%）；“回風溫度”和“回風濕度”可以借助溫、濕度傳感器返回顯示，組態(tài)界面上“水閥”、“加濕器”設有相應動作指示。默認狀態(tài)下，當“回風溫度”高于設定溫度時，水閥開度值增加，回風濕度高于設定濕度時，加濕器輸出降低。當選擇“冬季”時，可以將PID參數(shù)設置設為正比例調(diào)節(jié)，使“回風溫度”高于“設定溫度”時，水閥開度值減小。當選擇夏季時，可以將PID參數(shù)設置設為負比例調(diào)節(jié)，使“回風溫度”高于“設定溫度”時，水閥開度值增大。當防凍開關發(fā)出結(jié)冰報警時，如果風機處于運行狀態(tài)則立即關閉風機，將回風閥和新風閥開度置零，同時打開冷熱水閥；當風機發(fā)出故障報警時，也應將回風閥和新風閥開度置零。

6 結(jié)束語

與傳統(tǒng)的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)不同，基于DDC設計的智能建筑中央空調(diào)一次回風系統(tǒng)方案，具有溫度、濕度調(diào)節(jié)直觀便利，設備故障報警指示，系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定等諸多優(yōu)點；利用DDC控制技術和設備組態(tài)技術，能夠?qū)崿F(xiàn)對室內(nèi)回風溫度和濕度的實時監(jiān)控與控制，借助PID調(diào)節(jié)功能模塊，能夠快速調(diào)整回風溫度和濕度至設定值，滿足用戶需求。實驗調(diào)試表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、安全可靠。

［1］魏立明，李晨，林君，等.基于STC單片機的中央空調(diào)控制系統(tǒng)研究［J］.吉林建筑工程學院學報，2014，31（6）：64－67.

［2］趙廷法，王瑞華，王普.VAV中央空調(diào)能耗建模與仿真研究［J］.計算機仿真，2010，27（3）：326－329.

［3］周洪煜，陳孜虎，高鵬飛.中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能運行改造的控制策略與方案［J］.計算機測量與控制，2009，17（10）：1977－1980.

［4］陳國明，夏冬，辛俊.PLC在中央空調(diào)控制系統(tǒng)中的應用［J］.微計算機信息，2010，26（16）：71－72，43.

［5］張艷陽.基于ZigBee的中央空調(diào)末端監(jiān)控系統(tǒng)的研究［D］.廣州：華南理工大學，2014.

［6］黃從利.基于DDC自動控制對空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的方法［J］.計算機工程與應用，2005（12）：195－197.

［7］石建華，朱蔚青.基于DDC與變頻技術的凈化空調(diào)控制系統(tǒng)的設計［J］.工程技術，2008（3）：57－60.

［8］李文濤.過程控制［M］.北京：科學出版社，2012.

［9］北京三維力控科技有限公司.力控ForceControl V7.0參考手冊［Z］.北京：北京三維力控科技有限公司，2014.

Research on Central Air－Conditioning Primary Return System Based on DDC

ZHANG Youchun1，MA Yuqing1，ZHU Lian1，ZHANG Gongyong2
（1.Department of Electronic Information，Anhui Business Vocational College，Hefei 231131，China；2.Department of Electrical Engineering，Binzhou University，Binzhou 256600，China）

In view of defects of the traditional central air－conditioning system，such as slow temperature and humidity adjustment rate，big deviation，high energy consumption etc.，a design scheme of central air－conditioning primary return air system based on direct digital control and LonWorks technology is put forward.The bottom control system network is set up with HW－BA5201DDC controller，and PCmonitoring platform is designed by ForceControl 7.0 configuration software.The return air temperature and humidity are detected by temperature and humidity sensors.What’smore，the opening degree of water supply valve and the humidification valve can be adjusted automatically by PID，then control demand can be realized finally.This system is provided with the function of pressure differential protection，frost protection，and the interlocking control of the air valve actuator and fan.

LonWorks；Direct digital control；Central air－conditioning primary return air system

TU831.3

A

2095－2562（2016）01－0052－04

（責任編輯：黃容）

2015－12－12；

2016－01－24

安徽省高校優(yōu)秀青年人才支持計劃重點項目（gxyqZD2016438）；安徽省高等學校自然科學研究項目（KJ2016A082，KJ2015A450）；安徽省大規(guī)模在線開放課程（MOOC）示范項目（2015mooc180）；安徽工商職業(yè)學院2013年度院長青年基金項目（2013101）

張佑春（1982—），男，安徽廬江人，碩士，講師，主要從事智能儀器、建筑智能化技術研究。