1  引言

    近年来，随着高层宾馆、写字楼、高级住宅和大型商场的纷纷崛起，中央空调系统变得相当普及。调查显示，多数建筑物空调系统在50%负荷以外运行时间超过70%，在传统的一次泵系统，其冷冻和冷却水泵是定流量运行的，这导致在低负荷下水系统是在大流量低温差下运行的，造成了很大的浪费。因此我们采用基于CAN总线的循环水系统变流量控制方式，可以根据水系统的压力和温度调节循环水的流量，具有节能、可靠性和控制效率高等优点。

2  中央空调水系统构成及原理
    
    空调水系统主要是由制冷机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等组成的一个系统。该系统的工作原理是制冷剂在制冷机组的蒸发器中汽化吸收冷冻水的热量，从而使载冷剂—冷冻水的温度降低，然后，在蒸发器内被汽化的制冷剂经制冷机组的压缩机时被压缩成高压高温的气体，当高温高压的制冷剂流经冷凝器时被来自冷却塔的冷却水冷却变成低温高压的气体，低温高压的制冷剂通过膨胀阀后重新变成了低温低压的液体，而后再在蒸发器内气化，完成一次循环。通过不断的循环，载冷剂不断地输送冷量到空气处理单元，同时，制冷机组产生的热量不断的被冷却水所带走，在流经冷却塔时散发到空气中。

3  控制系统的控制策略

    在传统的循环水系统中，其冷冻和冷却水泵是定流量运行的，此时全年绝大部分运行时间温差仅为1～3℃，即在温差低、流量大的情况下工作，增加了管路系统的能量损失，浪费了水泵运行的输送能量。因此决定冷冻水采用温差控制，设计温差提高为5～7℃，冷却水采用温度控制，设计温度为37℃左右。同时，在根据温度和温差对水泵转速进行调节时，必须要保证空调机组正常运行所需要的最小压力，如循环水压力小于此压力，机组将自动关闭，停止运行。

    系统中给定量有冷冻水设定温差，冷却水设定温度，反馈量有冷冻水进出水温度，冷却水出水温度，冷冻水进水压力，冷却水进水压力。

    4  控制系统的整体构成

    中央空调水系统控制系统的总体框图如图1所示。

图1中央空调水系统控制系统的总体框图

    该控制系统的上位机即主控计算机采用工业控制计算机，它的主要功能是接收下位机上传的数据，根据所接收到的信息经过系统优化后给出最佳的控制量，通过CAN网络发送到各个下位机，并实时显示各个下位机的状态和循环水的温度等信息。各下位机，采用ATMEL公司生产的AT89C51单片机作为微处理器，主要负责本水泵内信号的采集并上传到上位机、接收上位机的数据控制本水泵的运行。上位机通过插在PC总线扩展槽内的智能CAN总线通信适配卡连接CAN总线，并通过CAN总线与各单元控制器相连接。单元控制器也可以脱离上位机，直接进行现场手动控制。信号采集板也是一个下位机，它主要负责采集循环水系统的信息，包括温度和压力值，上传给上位机，并接收上位机下传的信息。电源板采用开关电源，主要是给信号采集板和温度、压力传感器供电。

    传感器有压力和温度传感器，主要负责测量循环水系统的温度和压力。

    系统工作过程为：上位机通过将下位机上传的实际信息与工作人员在控制计算机上设定的控制量相比较，并综合信号采集板上传的其它实际信息，讲过优化处理后，得到最佳的控制量，通过CAN网络，下传给各个下位机，下位机接收到这些指令后，对自身的运行状态和运行参数进行调节，达到最佳的节能效果。同时，若脱离上位机，工作人员可直接对各个水泵的运行进行控制。

5  控制系统的硬件设计

    系统硬件主要包括智能CAN总线通信适配卡、下位机水泵控制器节点、下位机信号采集板节点，电源板和传感器。

    a 下位机水泵控制器硬件设计

    CAN总线通信适配卡提供了上位机和CAN总线的连接。下位机水泵控制器节点的核心部分是89C51单片机。
就地给定部分分为三部分：水泵启停开关；远程就地开关（远程：通过上位机控制。就地：就地直接对水泵控制）；转速给定旋钮。

    CAN通信包括控制器和收发器，其中控制器采用SJA 1000，负责接收来自CAN总线的数据以及通过CAN总线向上位机发送数据。收发器82C250负责数据交换和通讯处理。

    D/A转换，采用低功耗12位串行数模转换器MAX539，做为水泵控制器的转速给定，调节电机转速。
显示部分采用4个LED显示管，主要显示水泵的实际转速，同时有一个发光二极管显示网络通信的状态，闪亮为通信正常，反之则表示网络通信不正常。

    b 下位机采集板硬件设计

    下位机采集板节点的核心部分是89C51单片机，结构图如下。

    信号调理电路主要是对采集到的模拟信号进行适当的调节，有采样电阻、信号滤波和信号放大三部分，主要由运算放大器组成。

    A/D转换考虑到系统需要不同的模数转换精度，所以采用了两个转换芯片，一个采用12位串行模数转换器TLC2543，11路模拟输入。另一个采用8位串行模数转换器TLC0834，4路模拟输入。

    CAN通信部分和下位机水泵控制器的CAN通信部分一样。采用SJA1000和82C250。

    考虑到实际应用中，有时候要改造原有的循环水系统，为了达到最佳的节能效果，不会更换所有的原有电机，此时为了通过主控计算机对未更换的电机进行启停的控制，需要加入继电器，以达到对未更换电机的启停控制，MC1413主要是用来驱动继电器。继电器一般选用12V的  

    c 电源板硬件设计

    电源板设计功率为60W,有4路输出，分别为+15V、–15V、+5V和+24V。其中+15V、–15V、+5V给信号采集板供电，+24V给传感器供电。+15V、–15V和+24V采用7815、7915和7824进行稳压。+5V作为电压反馈，控制电路根据此电压的变化调节开关管的导通时间，以稳定输出电压。

    输入为交流220V,经过不可控整流电路变为310V直流，做为变压器的输入直流电压，变压器采用E型铁氧体材料。
开关管采用MOS管6N110，额定电压为1100V。

    电流反馈为检测变压器原边电流，当电流超过1A时，开关管关断。

    控制电路采用芯片UC3842，开关频率为27KHz,双环控制，外环为电压环，内环为电流环。

    d 传感器选择
   
    传感器有压力传感器和温度传感器，均为两线制，供电电压24V,输出4－20mA。其中温度传感器需要定做，不同的安装管道管径需要不同长度的传感器。同时不同的管道壁厚需要传感器的安装螺纹长度也不同。此处采用的传感器长度为100mm,安装螺纹长2cm。量程为0－100摄氏度。压力传感器的型号为H500PT，量程为0－1Mpa。

6  控制系统的软件设计 

    下位机节点控制软件采用8051汇编语言编程，固化于89C51的EEPROM中，主要完成数据采集、数据通信、I/O接口控制、数字显示控制等功能。

    上位机管理软件是在windawsXP操作平台上，利用Visual Basic6.0开发的，包括记录查询、记录打印、密码管理、水泵切换、系统启停、温度和温差设定等模块，具有界面友好、显示直观、操作方便等优点。系统主页面为中央空调循环水系统的工艺流程图，系统运行时，各个水泵的电流会实时的在主页面上显示。同时，工作人员可以随时的查询系统运行记录，记录包括有日、月、季度、年记录，并且工作人员的每次操作都被记录下来，工作人员可以查询到水泵在具体时间的运行电流等信息和系统的操作记录，同时这些记录都可以进行打印。 用户可以更改自己的密码，同时管理员可以根据实际要求删除和添加用户。工作人员可以根据实际水泵的运行状态进行水泵的切换，使在整个循环水系统运行中，各个水泵可以工作同样的时间，延长水泵的使用寿命。工作人员还可以根据实际情况，改变温度和温差值，既而改变循环水系统的流量。

    在整个软件系统运行时，系统会实时的检测接收到的压力值，以保证中央空调机组的正常运行，同时会以很小的时间间隔保存接收到的下位机上传的数据，并且以一定的时间间隔对比实际温度和用户设定的温度，对水泵的转速进行调节。

    下图为冷却水设定温度低于实际温度控制的程序流程图。

    其中冷却水有循环泵3台，两台为更换的可调速电机，分别记为1＃和2＃，一台为未更换不可调速电机，记为工频机。正常运行时3台泵为两用一备。
 
7  试验结果
   
    以采暖水的三台15KW水泵为例，未进行改造前，工作状况为两用一备，均不可调速，额定转速为2950r/min。改造后，工作状况为一台不可调速水泵和一台可调速水泵同时工作，此时可测得不可调速水泵的工作电流为22.6A。可调速水泵的转速为2400 r/min时，即可满足中央空调机组的运行要求。

    从流体力学原理可知：流量q与电机转速n成正比，压力（扬程）Pa与电机转速n的二次方成正比，而轴功率p与转速n的三次方成正比。当转速降到2400r/min时，实际功率P=( 2400/2950)3×100%＝54%,即实际功率仅为额定功率的54％，节电46％。此时实测调速水泵的工作电流为11A，实际节电率为51％，节电效果很明显。如果加上CAN网络系统对循环水系统进行整体的优化控制，节电效果会更为明显。

8  结论

    本系统既可以利用上位机通过CAN网进行远程控制，也可以直接进行就地控制。系统还具有较好的扩展余地，可根据应用要求进行节点的扩展。但是对循环水流量进行控制时，会使中央空调机组制冷机的制冷效率（COP）下降，这两者之间的最佳搭配还需要进一步的研究。
   
    该系统经使用证明，系统设计合理，工作可靠，性价比高，具有很强的实际应用价值与广阔的前景。

参考文献：

[1]冯华 王艳 殷天明 集散式中央空调温控系统设计 【J】 国外电子测量技术， 2006，10 

[2]朱猛标 空调水系统节能研究 【D】南京理工大学，2003 
 
[3]张占松 蔡宣三 开关电源的原理与设计 【M】电子工业出版社，1999
 
[4]曾琦 Visual Basic 6.0编程实例与技巧 【M】中国水利水电出版社，1998