基于DDC的智能建筑中央空調一次回風系統研究*

張佑春，馬玉清，朱煉，張公永

（1.安徽工商職業學院電子信息系，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一次回風系統研究*

張佑春1，馬玉清1，朱煉1，張公永2

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

鑒于傳統中央空調系統溫濕度調節速率緩慢、偏差大、能耗高等缺點，提出了一種基于直接數字控制和LonWorks技術的智能建筑中央空調一次回風系統設計方案。系統底層控制網絡采用海灣HW－BA5201 DDC控制器組建，上位機監控平臺采用力控ForceControl 7.0組態軟件設計。通過溫度和濕度傳感器實時檢測系統回風溫度和濕度，PID自動調節給水閥和加濕閥開度，最終實現控制要求。系統設有壓差保護，防凍保護，以及風閥執行器與風機聯鎖控制功能，具有一定的推廣應用價值。

LonWorks；直接數字控制；中央空調一次回風系統

智能建筑的出現在一定程度上有效地改善了人們的生活環境。智能建筑內部含多種電氣、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{系統的耗能占據了相當大的比重，長期以來，研究人員嘗試多種途徑探索實現空調系統性能的改善。魏立明等人以STC單片機作為空調系統控制核心，通過溫濕度傳感器獲取空調系統溫度和濕度，結合蟻群算法優化PID調節器，在一定程度上起到了較好地控制與節能效果［1］。趙廷法等人運用MATLAB建立了變風量中央空調系統能耗仿真模型，該模型可以用于優化空調系統的相關節能參數，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定流量水系統缺陷，提出了一種基于Elman型回歸神經網絡的水系統變流量運行控制方案，系統節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、直接數字控制器作為中央空調系統核心控制器，通過運用不同的控制策略，在一定程度上改善了空調系統性能［4－7］。

文章設計了一種智能建筑中央空調一次回風系統方案，系統下位機采用海灣HW－BA5201 DDC控制器，上位機安裝有ForceControl 7.0組態軟件的PC機。通過溫度和濕度傳感器實時檢測系統回風溫度和濕度，調節給水閥和加濕閥開度，達到控制要求。系統具有壓差保護、防凍保護和風閥執行器與風機聯鎖控制功能。系統底層控制網絡采用LonMaker軟件，上位機監控平臺采用力控組態軟件設計，最終實現整個中央空調一次回風系統的搭建。

1 直接數字控制技術

直接數字控制（Direct Digital Control，DDC）技術，通常是指在閉環控制系統中，去除中間環節，被控參數采集由變送器或傳感器完成，計算機負責控制算法實現，對調節閥、執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系統中，輸入輸出通道是計算機和傳感器、執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生產過程的橋梁和紐帶，往往決定了整個系統的性能。一般的DDC系統支持模擬量輸入（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 中央空調一次回風系統控制功能與結構設計

2.1 控制功能設計

中央空調一次回風系統是指將一部分新風與一部分室內回風進行混合，通過空氣調節、回風處理等相關技術措施后，再次送入室內的一次回風系統。一方面提升了冬季和夏季的空氣調節質量，另一方面提高了系統的工作效率，使得系統更加節能、環保。文章設計的一次回風監控系統，主要完成了幾個典型控制對象的調節與控制，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行器與風機聯鎖控制等。

2.2 一次回風系統結構框圖設計

一次回風系統結構框圖，如圖1所示。系統采用DDC作為智能控制節點，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作為開關量，可以直接反饋至DDC控制器，智能控制節點實時監測上述各項參數。當檢測到的回風溫度和濕度與設定值不等時，發出控制命令，驅動水閥執行器和加濕閥執行器工作，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生報警信號時，關閉風機和風閥。直接數字控制器I/O端口設置，如表1所示。

圖1 一次回風系統結構

表1 一次回風系統控制器對照表

3 底層控制網絡設計

底層控制網絡選用Echelon公司LonMaker軟件設計，網絡控制設備選用HW－BA5201 DDC控制器。通過調用內置的2個PID模塊分別調節回風溫度和回風濕度。根據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、防凍開關狀態、故障報警和風機運行狀態等參數。根據采集到的過程值，通過PID控制算法對水閥、加濕閥的開度進行自動調節，從而使環境溫度、濕度達到或接近設定值，智能建筑中央空調一次回風底層控制網絡如圖2所示。

圖2 一次回風系統底層控制網絡

4 上位機控制程序設計

4.1組態窗口設計

上位機監控平臺選用組態軟件ForceControl 7.0組建［9］，首先需建立好底層控制網絡，其次建立I/O設備和數據庫組態，建立所有I/O數據鏈接。一次回風系統組態窗口，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，搭建上位機監控組態平臺。

圖3 一次回風系統上位機監控平臺

4.2 周期運行控制

周期運行控制程序采用IF ELSE語句實現，部分程序如下：

5 調試與運行

打開“中央空調一次回風監控系統”組態工程界面，將系統切換至運行模式。點擊組態界面上“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，組態界面上“水閥”、“加濕器”設有相應動作指示。默認狀態下，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參數設置設為正比例調節，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參數設置設為負比例調節，使“回風溫度”高于“設定溫度”時，水閥開度值增大。當防凍開關發出結冰報警時，如果風機處于運行狀態則立即關閉風機，將回風閥和新風閥開度置零，同時打開冷熱水閥；當風機發出故障報警時，也應將回風閥和新風閥開度置零。

6 結束語

與傳統的空氣調節系統不同，基于DDC設計的智能建筑中央空調一次回風系統方案，具有溫度、濕度調節直觀便利，設備故障報警指示，系統運行安全穩定等諸多優點；利用DDC控制技術和設備組態技術，能夠實現對室內回風溫度和濕度的實時監控與控制，借助PID調節功能模塊，能夠快速調整回風溫度和濕度至設定值，滿足用戶需求。實驗調試表明，該系統運行穩定、安全可靠。

［1］魏立明，李晨，林君，等.基于STC單片機的中央空調控制系統研究［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.中央空調系統節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在中央空調控制系統中的應用［J］.微計算機信息，2010，26（16）：71－72，43.

［5］張艷陽.基于ZigBee的中央空調末端監控系統的研究［D］.廣州：華南理工大學，2014.

［6］黃從利.基于DDC自動控制對空調系統節能的方法［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控制系統的設計［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）；安徽省大規模在線開放課程（MOOC）示范項目（2015mooc180）；安徽工商職業學院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。