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基于PLC控制的节能精密空调系统设计

发布时间:2018-04-17 13:58:50   点击:
通信系统、银行等联网系统在国民经济发展中起着至关重要的作用,其工作稳定性要求极高,一旦发生故障,经济损失巨大。此类系统核心机房中有...

通信系统、银行等联网系统在国民经济发展中起着至关重要的作用,其工作稳定性要求极高,一旦发生故障,经济损失巨大。此类系统核心机房中有大量的电子设备,室温过高或湿度过小都会导致系统发生电路故障。由于长时间工作,空调系统能耗很大,很多现有系统不能符合国家对节能和环保的要求。另外现有的温湿度控制系统采用的温湿度变送器多数为模拟量传送,传送距离近,容易受到过程干扰,控制精度低。为此我们研制了基于PLC控制的节能型恒温恒湿空调系统。

1 系统组成

本系统以欧姆龙CP1H型PLC为核心,以触摸屏为人机界面。温度和湿度经过传感器转换后,由单片机处理成数字信号,再经RS485总线传送给PLC,在PLC中将数据处理后,应用PID控制方式进行控制。通过控制压缩机、加湿阀、风机及风阀达到恒温恒湿的目的。其结构框图如图1所示。

图1 节能恒温恒湿空调系统结构图

2、温湿度传感器设计

2.1湿度采集

湿敏传感器是将湿度和电容相关联。在某一短时间内,时间t=1/RC;同时t=1/f,所以可知,频率和电容成正比【1】。图2所示为湿敏传感器的电容――湿度变化曲线。

图2 湿敏传感器的电容――湿度变化曲线

取线性比较平稳的中间段,得出一条简单的湿度和电容之间的变化公式:

%RH=2.254*Hz-263.7

在下位机处理过程中,由AT89C2051的计数器自动完成。原理图中采用两个555定时器来产生脉冲,其中一路产生固定频率,另一路是受湿度传感器影响而产生的变化频率,设定单片机定时器为计数方式,T0,T1分别对这两路脉冲进行采集,两个计数器的差值T0减T1即为采集的湿度变化量。

双时基电路的设计可以消除由于温度或电源波动形成的干扰。

2.2 温度采集

温度采集用DS18b20传感器,该传感器将温度信号直接转变为数字信号,精度等级为0.0625度,该传感器是单总线形式,信息经过单线接口送入DS1820或从DS1820中送出,因此从CPU到DS1820仅需连接一条线。 图3所示为温湿度采集电路的原理图。

图3 温湿采集控制系统

2.3 串行通信【2,3】

下位机与上位PLC之间的通信是由485总线来完成的,在该电路中,使用了一种RS-485接口芯片SN75LBC184,它采用单一电源Vcc接口,电压在+3~+5.5 V范围内都能正常工作。与普通的RS-485芯片相比,它不但能抗雷电的冲击而且能承受高达8 kV的静电放电冲击,片内集成4个瞬时过压保护管,可承受高达400 V的瞬态脉冲电压。因此,它能显著提高防止雷电损坏器件的可靠性。对一些环境比较恶劣的现场,可直接与传输线相接而不需要任何外加保护元件。该芯片还有一个独特的设计,当输入端开路时,其输出为高电平,这样可保证接收器输入端电缆有开路故障时,不影响系统的正常工作。另外,它的输入阻抗为RS485标准输入阻抗的2倍(≥24 kΩ),故可以在总线上连接64个收发器。

在RS-485总线构筑的半双工通信系统中,在整个网络任一时刻只能有一个节点处于发送状态并向总线发送数据,其他所有节点都必须处于接收状态。如果有2个节点或2个以上节点同时向总线发送数据,将会导致所有发送方的数据发送失败。因此,在系统各个节点的硬件设计中,应首先力求避免因异常情况而引起本节点向总线发送数据而导致总线数据冲突。以MCS51系列的单片机为例,因其在系统复位时,I/O口都输出高电平,如果把I/O口直接与RS-485接口芯片的驱动器使能端DE相连,会在CPU复位期间使DE为高电平,从而使本节点处于发送状态。如果此时总线上有其他节点正在发送数据,则此次数据传输将被打断而告失败,甚至引起整个总线因某一节点的故障而通信阻塞,继而影响整个系统的正常运行。考虑到通信的稳定性和可靠性,在每个节点的设计中应将控制RS485总线接口芯片的发送引脚设计成DE端的反逻辑,即控制引脚为逻辑“1”时,DE端为“0”;控制引脚为逻辑“0”时,DE端为“1”。将CPU的引脚接到驱动DE端,这样就可以使控制引脚为高电平或者异常复位时使SN75LBC184始终处于接收状态,从而从硬件上有效避免节点因异常情况而对整个系统造成的影响。

3、恒温恒湿控制电路

恒温恒湿系统的控制电路如图4所示,分为控制机箱内部电路和压缩机箱控制电路两部分【4】,由PLC控制继电器KAn来控制各风阀及两个压缩机的启动和停止。本系统采用了双压缩机工作制,当使用环境发热量较小时只启动一台压缩机,当不能满足降温需求时,双压缩机共同工作。

图4 恒温恒湿系统的控制电路

4、恒温恒湿控制流程

PLC的控制主流程如图5所示,控制状态有五种,一种是监视状态,在这种状态下,系统只读取环境的温度和湿度,不做任何控制动作。第二种是手动控制状态,当用户需要强制压缩机工作或者强制加湿时可以使用这种方式,可以通过触摸屏直接起动压缩机1,压缩机2及加水阀。第三种是加湿自动控制,当起动这种控制方式时,系统会根据设定的湿度上限和湿度下限与实时测得的环境湿度进行比较,按图6所示的控制流程进行工作。第四种是降温自动控制,当起动这种控制方式时,系统会根据设定的温度上限和温度下限与实时测得的环境温度进行比较,同时监测室外温度是否小于14℃,按图6所示的控制流程进行工作。第五种工作方式是循环工作方式,是第三种和第四种工作方式的组合,先判断温度进行调节后再判断湿度进行调节。

5、结论

本系统采用PLC控制以及数字化温度和湿度的数据传送,保证了温湿控制系统的高控制性能和稳定性,由于采用了室外温度降温方式,在中国北方地区有明显的节能效果,在白山市网通公司、四平网通公司及公主岭网通公司安装了五台,运行稳定,效果好,与同功率只用压缩机调节的系统相比年平均减少能耗30%左右。

文章来源:佳力图机房精密空调http://www.jifang365.com/jingmikongtiao/canatal.html

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