基于现场总线的空调测控系统设计和研究

1 引言

　　众所周知，对于每一个复杂的控制系统都是由各种各样的传感器、变送器等检测设备组成，以便及时地将现场设备的运行状态和被控对象的各种参数反应到控制器或控制计算机，从而实现整个系统的精确控制。随着计算机、通信、集成电路、传感器技术的发展，在控制领域又出现了一种新兴的控制技术，即现场总线（FCS）。现场总线的出现，为数据采集和系统控制提供了一种新的手段。

2 现场总线技术

　　2.1　现场总线技术概念

　　根据国际电工委员会IEC1158定义，现场总线（Fieldbus）是“安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行，数字式，多点通信的数据总线”。或者说，现场总线是以单个分散的，数字化智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。

　　2.2 现场总线的优点

　　现场总线系统结构的简化，使控制系统的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。

　　1、节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。

　　2、节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用60%以上。

　　3、节省维护开销。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。

3 系统的硬件设计

　　整个系统的连接简图如下所示：

　　在这个实验中我采用的是将DS100控制器通过485/232转接口与计算机串行口连接的策略，计算机的串行口作为RS-232接口的主控设备，一切由计算机来控制。需要注意的是在实验开始前要先运行一下控制器自带的一个软件setdevice来设置一下控制器的通讯参数，如波特率等。采集过程中，电脑发送一个特定帧格式的读命令给控制器，控制器将返送由传感器传来的数据作为应答，实现数据的采集功能。连接环境温湿度和水温调节设备的控制器负责系统的控制，控制过程中，由计算机发送一个带有数据的写命令，控制器在收到正确的写命令以后，在对计算机回应的同时将数据传递给与其相联的调节设备，调节设备在收到命令以后将按照给定的温度对水温或环境的温湿度进行调节，实现系统的控制功能。

4 系统的软件设计

　　系统的各模块框图如下：

　　主模块作为独立的页面选择室内侧还是室外侧的空调测控，主模块下有系统设置，数据显示，系统控制，实验报告生成4个独立的页面。系统开始前需要先对系统进行设置，其中包括对串口的设置，通道选择等。数据采集作为独立的模块负责数据的接收和发送，接收到的数据送入一个缓冲区中，数据处理模块负责对数据的处理，它从缓冲区中读取数据，对于需要显示的数据，送到数据显示模块进行显示，并对数据进行一定的计算得到我们需要的结果。数据显示模块定时的刷新数据，显示数据，系统控制模块主要实现写功能，对于要写的控制数据送到数据采集模块，写入串口，由控制器传送到相应的空调控制设备，实验报告生成模块将生成一个EXCEL表格形式的实验报告来反映整个实验的重要数据。

　　4.1 数据采集

　　数据采集模块实现对DS100控制器的读写操作。

　　要采集的数据量主要有以下几个：水流量，干球温度，湿球温度，进口水温，出口水温，功率。

　　实验过程中采集到的一组数据如下：

　　4.2 数据处理

　　DS100采用MODBUS协议的ASCII传输模式，它有自己对应的帧格式。数据处理模块实现对DS100控制器写前的编码工作和读后的解码工作。并对采集到的数据进行计算得到制冷热量，能效比等需要计算的量。以室外侧为例：

　　室外侧计算量（共2个）：

　　根据上面的采集量计算出的相应的制冷热量和能效比如下：

　　4.3 系统控制

　　对水进口温度和环境的温湿度进行控制，以测试空调在不同状况下的性能。

　　控制过程中，由计算机发送一个带有数据的写命令，控制器在收到正确的写命令以后，在对计算机回应的同时将数据传递给与其相联的调节设备，调节设备在收到命令以后将按照给定的温度对水温或环境的温湿度进行调节，实现系统的控制功能。

　　4.4 性能演示

　　负责数据（包括直接采集到的和计算出的）的显示。能够显示空调性能的计算量（能效比，制冷热量等）由图像动态演示其变化。

　　上面两图分别为能效比和制冷量随时间变化的关系曲线，其中制冷热量的刻度单位为W,能效比的刻度单位为W/W,时间的刻度单位为半小时，试验为每隔15分钟计算一次能效比和制冷热量，曲线变化越小，说明空调的性能越稳定。从上面的图中可以看出被测空调的性能是比较稳定的。

5 实验结果

　　所设计的空调测控系统在动力二馆实验室进行了为期半年的试运行，结果表明整套测控系统运行稳定，性能可靠，操作使用方便。

6 结语

　　本文借助于现场总线技术设计的空调测控系统具有硬件结构简单，实用性强的特点，运行及维护成本都较低，是独立空调测控中值得推广的一种方案。