地溫中央空調(diào)機(jī)組參數(shù)采集及控制單元的研究

摘 要： 本文重點(diǎn)討論了地溫中央空調(diào)控制系統(tǒng)的控制與數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)的硬、軟件實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)經(jīng)過了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，并已經(jīng)在用戶中實(shí)際運(yùn)行多臺，證明穩(wěn)定可靠，同時(shí)大大降低了成本。

問題的提出
地溫中央空調(diào)是一種新型的綠色無污染空調(diào)系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)目前普遍采用PLC(可編程控制器)為控制核心。由于每臺空調(diào)機(jī)組的保護(hù)開關(guān)都需要采集其狀態(tài)，同時(shí)又需要采集循環(huán)水、井水以及壓縮機(jī)的排氣溫度，所以PLC需要增加I/O模塊和RTU溫度模塊，這樣對于多臺機(jī)組的控制系統(tǒng)是經(jīng)濟(jì)的。但是對于一臺、兩臺機(jī)組的控制系統(tǒng)來說，上述方式的成本就相對很高，所以對于小型地溫中央空調(diào)系統(tǒng)需要一種既可靠，同時(shí)又經(jīng)濟(jì)的控制方法。
本文通過采用CAN現(xiàn)場總線，利用FCS(Field Control System)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，結(jié)合RTOS(Real Time Operating System)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并且把現(xiàn)代智能儀表的設(shè)計(jì)思路貫穿其中，設(shè)計(jì)了一種集溫度采集、機(jī)組控制監(jiān)測于一體的嵌入式功能模塊。該功能模塊不但可以作為地溫中央空調(diào)的智能控制單元，同時(shí)還可以作為一種智能儀表應(yīng)用在其他領(lǐng)域。上位機(jī)通過Modbus協(xié)議和觸摸屏通信，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。具體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。通過這種控制系統(tǒng)既實(shí)現(xiàn)了PLC控制系統(tǒng)的所有功能，又同時(shí)保持了良好的擴(kuò)展性和易維護(hù)性。

硬件結(jié)構(gòu)
概述
本控制系統(tǒng)是一個(gè)比較復(fù)雜的、基于CAN現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)，它除了需要對各變化的溫度值進(jìn)行測量和計(jì)算外，還需要對各個(gè)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，做到對發(fā)生的故障進(jìn)行準(zhǔn)確、即時(shí)的報(bào)告和處理。同時(shí)還需要同用戶進(jìn)行良好的人機(jī)交互、同上位機(jī)進(jìn)行不間斷的數(shù)據(jù)交換。
本控制系統(tǒng)功能模塊從實(shí)現(xiàn)功能上劃分為下列六個(gè)方面：
* 單片機(jī)主系統(tǒng)
* 開關(guān)量輸入子系統(tǒng)
* 控制信號輸出子系統(tǒng)
* 模擬量輸入子系統(tǒng)
* 通信子系統(tǒng)
* 電源子系統(tǒng)
單片機(jī)主系統(tǒng)
系統(tǒng)選用的Philps公司P89C51RA2單片機(jī)具有16KB并行可編程的非易失性Flash程序存儲器，并可實(shí)現(xiàn)對器件串行在系統(tǒng)編程(ISP)和在應(yīng)用編程(IAP)。在ISP中，當(dāng)MCU 安裝在用戶板上時(shí)，允許用戶下載新的代碼。在IAP中，MCU可以在系統(tǒng)中獲取新代碼并對自己重新編程。這種方法允許通過調(diào)制解調(diào)器連接進(jìn)行遠(yuǎn)程編程，片內(nèi)ROM中固化的默認(rèn)的串行加載程序Boot Loader 允許ISP 通過UART 將程序代碼裝入Flash 存儲器，而Flash代碼中則不需要加載程序。對于IAP 用戶程序，通過使用片內(nèi)ROM 中的標(biāo)準(zhǔn)程序?qū)lash 存儲器進(jìn)行擦除和重新編程。由于系統(tǒng)具有ISP功能，維護(hù)人員而不必?cái)y帶編程器，極大的方便了現(xiàn)場調(diào)試。
模擬量輸入子系統(tǒng)
系統(tǒng)采集的模擬量主要是溫度信號。系統(tǒng)采用PT100鉑電阻作為采集溫度的傳感器。對于鉑熱電阻由于其阻值較小，因此采用三線制測量電路，從而消除引線電阻的影響。熱電阻的輸入電路如圖2所示，由R1、R2、R3和被測電阻組成普通四臂電橋。
系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用MAXIM公司的MAX186, 該芯片是一個(gè)采用逐次逼近Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換技術(shù)的高速、超低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器。內(nèi)部具有８通道多路轉(zhuǎn)換器、寬帶跟蹤/保持電路和串行接口。８路單端輸入或４路差動輸入可由軟件設(shè)定，轉(zhuǎn)換結(jié)果由串行接口輸出。分辨率為12位，采樣速度達(dá)133kHz，芯片可由單５Ｖ或雙±５Ｖ電源供電。其串行接口可與SPITM 、QSPITM 、WicrowireTM兼容?？刹捎脙?nèi)部時(shí)鐘或外部時(shí)鐘完成Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換。內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為4.096Ｖ，具有硬件關(guān)斷和兩種軟件關(guān)斷模式。
系統(tǒng)用單片機(jī)的普通I/O口模擬MAX186所要求的串行通訊時(shí)序，照此方法同樣可以實(shí)現(xiàn)它們之間的連接，從而使該器件得到更廣泛的應(yīng)用。圖3是用單片機(jī)的通用I/O端口與MAX186進(jìn)行串行通訊的A/D轉(zhuǎn)換應(yīng)用電路。模擬信號分別通過MAX494運(yùn)算放大器緩沖后進(jìn)入MAX186的輸入端CH0~CH7。MAX186的串行接口與單片機(jī)的I/O口之間通過高速光耦6N137相連，從而使模/數(shù)信號隔離開來。I/O的REFADJ接AGND，即采用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源作為A/D轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)。VREF與地之間接4.7mF電容，SHDN懸空，即采用參考/緩沖放大器的外部校正模式。而通道的選擇、通道的工作模式以及關(guān)斷模式等由軟件設(shè)定，采用內(nèi)部時(shí)鐘模式工作。
開關(guān)量輸入、控制信號輸出子系統(tǒng)
開關(guān)量輸入子系統(tǒng)主要是檢查壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，故障報(bào)警等，從而確保整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
軟件控制信號輸出子系統(tǒng)輸出開關(guān)量，控制各個(gè)交流接觸器，進(jìn)而達(dá)到對壓縮機(jī)進(jìn)行控制，并同時(shí)完成交流、直流的良好隔離。
通信子系統(tǒng)
通信子系統(tǒng)采用CAN現(xiàn)場總線，由Philps公司的CAN 控制器SJA1000和PCA82C250實(shí)現(xiàn)。通過MODBUS協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。Modbus 協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)(例如以太網(wǎng))和其它設(shè)備之間可以通信。由于兼容Modbus 協(xié)議，下位機(jī)可以作為一個(gè)獨(dú)立的模塊，與各種兼容Modbus 協(xié)議組態(tài)軟件如iFIX等進(jìn)行通信。

圖1 FCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 PT100鉑電阻

圖3 MAX186與P89C51RA2連接電路

圖4 軟件流程圖

軟件結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)程序由C51語言編寫，由于下位機(jī)的任務(wù)不多，主要包括接收上位機(jī)命令并執(zhí)行相應(yīng)動作、采集各通道溫度和查詢各保護(hù)信號狀態(tài)，因此考慮使用Rtx51 Tiny 2來實(shí)現(xiàn)。Rtx51 Tiny 2是Keil公司提供的開放源代碼的RTOS(實(shí)時(shí)操作系統(tǒng))，雖然只支持16個(gè)任務(wù)并且不支持任務(wù)搶占，但對于本系統(tǒng)來說已經(jīng)足夠。
設(shè)計(jì)的思路是首先建立任務(wù)0，然后由任務(wù)0建立幾個(gè)相關(guān)的任務(wù)，各任務(wù)被建立后處于等待信號狀態(tài)，通過信號調(diào)度各任務(wù)的執(zhí)行。具體流程圖如圖4所示。

結(jié)語
本系統(tǒng)在節(jié)約成本的同時(shí)又具備了靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，不但可以應(yīng)用在小型機(jī)組，同時(shí)還可以應(yīng)用在大型機(jī)組中，該系統(tǒng)已經(jīng)在地溫中央空調(diào)系統(tǒng)現(xiàn)場穩(wěn)定運(yùn)行了半年多，在小型系統(tǒng)中已逐漸替代PLC控制系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用前景。