一種溫差電動調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

張露露，金浩哲

（1. 浙江三花汽車零部件有限公司，杭州 310018；2. 浙江理工大學(xué) 機械與自動控制學(xué)院，杭州 310018）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展及人民生活水平的日益提升，中央空調(diào)系統(tǒng)已成為現(xiàn)代建筑物中必備的設(shè)施。中央空調(diào)系統(tǒng)能耗相對較大，通常占建筑能耗的40%以上[1]。因此，對中央空調(diào)系統(tǒng)關(guān)鍵元件進行節(jié)能設(shè)計是實現(xiàn)節(jié)能降耗的必由之路。眾多研究學(xué)者通過各種優(yōu)化算法及控制系統(tǒng)從宏觀上對節(jié)能設(shè)計進行了研究[2-4]，但是要保障空調(diào)系統(tǒng)的運行可靠性并達到良好的溫控效果，中央空調(diào)系統(tǒng)的水力平衡控制是必不可少的關(guān)鍵技術(shù)[5]。為了解決系統(tǒng)的水力不平衡的問題，通常需要在空調(diào)系統(tǒng)中設(shè)置多種的動態(tài)或靜態(tài)的平衡閥。控制系統(tǒng)作為各類平衡閥的關(guān)鍵組成部分，控制方案設(shè)計直接關(guān)系到閥門結(jié)構(gòu)的運行可靠性、穩(wěn)定性、適應(yīng)性[6-7]，進而影響到整個中央空調(diào)系統(tǒng)的運行及能耗的控制。我國的電動執(zhí)行器設(shè)計起步相對較晚，盡管隨著微電子技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)取得了顯著成就，但仍與國外的技術(shù)及產(chǎn)品存在一定差距[8-9]，主要體現(xiàn)在控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計臃腫；軟件功能優(yōu)化差；系統(tǒng)集成度低，可靠性差等方面[10]，現(xiàn)有研究主要集中在傳動機構(gòu)優(yōu)化、軟件系統(tǒng)設(shè)計以及故障診斷方面[11]，較具代表性的研究成果有：聶建軍等[12]建立了行星齒輪機構(gòu)為主傳動機構(gòu)的混合傳動方案；趙慧嫻等[13]提出了一種基于積分分離PID算法的步進電機速度和位置控制方法，利用控制芯片PMM9713PT、CAN控制器SJA1000、驅(qū)動器82C250以及霍爾傳感器，開發(fā)了一種基于數(shù)字信號處理器TMS320F2812的電動執(zhí)行器控制系統(tǒng)；陳青等[14]將模糊理論與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，提出了一種收斂速度快、診斷精度高、自適應(yīng)強的電動執(zhí)行器故障診斷方法。但上述研究成果中，適合大規(guī)模生產(chǎn)的高精度、高穩(wěn)定性、低成本的電動執(zhí)行器系統(tǒng)相對較少。

鑒于目前工業(yè)領(lǐng)域?qū)﹄妱娱y控制器的穩(wěn)定性、可靠性、整體性能及成本控制的需求，本文設(shè)計了一種可靠性較高、經(jīng)濟成本較低的溫差電動調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的水力平衡精準控制，為工業(yè)領(lǐng)域電動調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了一定技術(shù)支撐。

1 工作原理

溫差電動調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)的工作原理見圖1。

圖1 溫差電動調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)工作原理圖

控制系統(tǒng)通過電源部分將供電系統(tǒng)的交流電通過LD0穩(wěn)壓到接電源電壓（VCC）和接入電路的電壓（VDD），其中220 V交流電和開關(guān)電源的+12 V電壓給調(diào)節(jié)電路的繼電器供電，穩(wěn)壓得到的VCC電壓給芯片微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）處理器、溫度傳感器采樣電路、LCD顯示電路和按鍵控制電路供電。閥門調(diào)節(jié)電路通過2個繼電器實現(xiàn)3種狀態(tài)，即控制電動閥門的開啟、關(guān)閉和停止；溫度傳感器采樣電路通過2個溫度傳感器分別采集進口、出口的水溫并傳遞給單片機MCU；MCU處理器計算兩溫度的差值ΔT并與設(shè)定的溫差ΔT0進行比較，根據(jù)比較大小的結(jié)果判斷閥門的開啟與關(guān)閉；LCD顯示電路用來顯示設(shè)定溫差值、供水溫度和回水溫度的差值和時間。

2 硬件電路設(shè)計

MCU是單片機處理器，其內(nèi)部已有復(fù)位電路，外部RESET的電容電阻起到濾波作用。VDD和VCC電源由+12 V經(jīng)穩(wěn)壓器件穩(wěn)壓得到，外圍經(jīng)過電阻和二極管限流、電容電阻濾波。3個按鍵串聯(lián)電阻值的不同，發(fā)送給MCU處理器處理不同的采樣電壓信號，MCU處理器根據(jù)電壓信號，控制LCD顯示設(shè)定的溫差值。2個NPN三極管分別驅(qū)動關(guān)閥繼電器和開閥繼電器，當(dāng)MCU處理器接收到溫度傳感器采集的溫度信號，計算出的溫差與設(shè)定溫差存在差值時，MCU處理器接三極管的引腳會輸出高電平，此時三極管導(dǎo)通，+12V的電源加在繼電器線圈上，使繼電器通電動作，接觸器吸合，接通閥門電源，閥門開始啟動。

2.1 電源模塊

電源模塊的電路圖見圖2。

圖2 電源模塊控制電路圖

交流輸入直流輸出的開關(guān)電源模塊為閥門調(diào)節(jié)模塊的開閥繼電器、關(guān)閥繼電器提供線圈電壓。供電系統(tǒng)將220 V 交流電轉(zhuǎn)換為12 V 直流電后，經(jīng)穩(wěn)壓電路降壓至VDD 和VCC，為控制器各部分包括MCU 處理器、LCD 顯示、按鍵電路、溫度傳感器采樣電路提供工作電壓。同時，220 V交流電也為電動閥體提供動力。

2.2 MCU 處理器模塊

MCU處理器模塊的控制電路圖見圖3。微處理器MCU處理芯片，主要完成溫度信號的讀入和控制信號的輸出，檢測供水口溫度與出水口溫度的差值并與設(shè)定溫差進行比較。當(dāng)檢測溫差小于設(shè)定溫差時，MCU處理器發(fā)出關(guān)閥信號給閥門調(diào)節(jié)模塊進行關(guān)閥動作，實現(xiàn)閥門開度減小直至兩溫差的絕對值|(ΔT1－ΔT2)－ΔT0|＜0.5 ℃；當(dāng)計算溫差值大于設(shè)定溫差時，MCU處理器發(fā)出開閥信號給閥門調(diào)節(jié)模塊進行開閥動作，實現(xiàn)閥門開度增大直至兩溫差的絕對值|(ΔT1－ΔT2)－ΔT0|＜0.5 ℃。同時，通過控制LCD顯示模塊，顯示輸出的溫度參數(shù)和控制器當(dāng)前的狀態(tài)。

圖3 MCU 處理器模塊的控制電路圖

2.3 按鍵控制模塊

本模塊包括3個按鍵，分別為確定鍵、上調(diào)溫差值鍵和下調(diào)溫差值鍵，按鍵控制模塊的電路設(shè)計圖見圖4。3個按鍵使用MCU處理器的一個AD采樣口，使用采樣電壓的方式實現(xiàn)一個引腳對3個按鍵的控制，可以節(jié)省MCU的引腳資源，方便以后的功能擴展。3個按鍵配置合適的電阻值，使采樣的電壓有明顯差別。當(dāng)按下電阻R1的按鍵，MCU采集到一個電壓值V1，MCU發(fā)出信號，準備接收上調(diào)或下調(diào)溫差值的信號；然后若按下電阻值R2的按鍵，MCU采樣到一個電壓值V2，設(shè)定的溫差值便會上調(diào)到一定的溫度數(shù)值，再次按下溫差值會再次上調(diào)相同的溫度數(shù)值，直至上調(diào)至所需要的溫差值，可按下R1的按鍵確定；若是按下電阻值R3按鍵，MCU采樣到電壓值V3，設(shè)定的溫差值會下調(diào)到一定溫度數(shù)值，再次按下溫差值會下調(diào)相同的溫度數(shù)值直至下調(diào)至所需的溫差值，按下R1的按鍵確定。

圖4 按鍵控制模塊電路設(shè)計圖

2.4 閥門調(diào)節(jié)模塊

閥門調(diào)節(jié)模塊主要是采用三極管驅(qū)動繼電器實現(xiàn)閥門開關(guān)，設(shè)計的電路控制圖見圖5。MCU的IO口輸出控制信號接三極管基極，繼電器的線圈負端接三極管集電極，正端接電源，三極管發(fā)射極接地。三極管的集電極連接一個續(xù)流二極管起保護作用。當(dāng)MCU的I/O口給高電平時，三極管導(dǎo)通，繼電器吸合，執(zhí)行閥門打開或關(guān)閉動作；當(dāng)MCU的I/O口給低電平時，三極管截止，繼電器斷開，不執(zhí)行動作。

圖5 閥門調(diào)節(jié)電路設(shè)計圖

2.5 溫度傳感器采樣模塊

溫度傳感器采樣模塊用于接收溫度傳感器發(fā)回的溫度信號，其設(shè)計電路見圖6。使用一塊多路復(fù)用器接收2個溫度傳感器的溫度信號，多路復(fù)用器作為選擇開關(guān)，通過片選端口選擇溫度傳感器。多路復(fù)用器的2個公共端，一端作為恒流源電路的輸入端，作為溫度采用的基準，另一端通過放大器把采樣的溫度信號輸入到MCU的AD口，MCU處理器進行信號處理。溫度傳感器采樣模塊的控制電路圖見圖7。

圖6 溫度傳感器電路設(shè)計圖

圖7 溫度傳感器采集模塊控制電路圖

3 軟件設(shè)計

本文設(shè)計溫差電動調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程框圖見圖8。

圖8 軟件設(shè)計流程框圖

通過按鍵（觸摸屏）輸入，設(shè)定第一溫差值T1，第二溫差設(shè)定值T2，其中2 ℃≤T1≤8 ℃，T2≥10 ℃。若MCU沒有檢測出空調(diào)末端設(shè)備控制器向溫差電動調(diào)節(jié)閥控制器發(fā)出的啟動信號，重新設(shè)定第一溫差和第二溫差值，并再次判斷是否有啟動信號；若MCU檢測出空調(diào)末端設(shè)備控制器向溫差電動調(diào)節(jié)閥控制器發(fā)出的啟動信號，MCU則相應(yīng)的發(fā)出開閥信號并通過繼電器執(zhí)行開閥動作，閥開至初始化開度。此時定義的初始化開度是指空調(diào)末端設(shè)備開啟后，溫差電動調(diào)節(jié)閥第一次開閥的開度保持位置。開閥至初始化開度后，MCU檢測是否收到接收到閥關(guān)閉的信號，若沒有收到閥門關(guān)閉信號，MCU判斷溫度檢測間隔時間t是否已到；若檢測間隔時間t已到，檢測MCU采集兩個溫度傳感器采集的供水溫度Ta和回水溫度Tb，若是檢測間隔時間t未到，返回到開閥值初始開度，重新檢測閥門關(guān)閉信號；若是接收到閥關(guān)閉信號，MCU發(fā)送關(guān)閥信號通過繼電器執(zhí)行關(guān)閥動作，閥門全關(guān)，重新輸入設(shè)定值，進行檢測。MCU檢測出間隔時間t到后，判斷回水溫度Tb減去供水溫度Tb的差值ΔTz是否大于第二設(shè)定溫差T2，若Tb－Ta＞T2，MCU輸出缺水保護信號發(fā)送給空調(diào)末端設(shè)備控制器。Tb－Ta＞T2，MCU判斷回水溫度Tb減去供水溫度Tb的差值ΔTz是否大于第一設(shè)定值T1，若Tb－Ta>T1，MCU輸出開閥信號，重新判斷是否接收閥關(guān)閉信號，若Tb－Ta＜T1，MCU輸出關(guān)閥信號，重新判斷是否接收閥門關(guān)閉信號。

4 結(jié)論

本控制器在設(shè)計中選擇了MCU單片機處理器，設(shè)計出了可靠的硬件電路，開發(fā)了專業(yè)的程序，實現(xiàn)了對空調(diào)水力平衡的精確控制。整個控制器結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，成本相對較低，且電路中3個按鍵僅占用一個I/O口，節(jié)省了MCU的資源，便于后期功能的擴展升級。