CN201138437Y - 中央空调末端设备控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种中央空调末端设备控制器，该控制器由一LonWorks通信控制模块(1)和一以单片机为核心的控制模块(2)连接构成，其中控制模块(2)包括主控单元2－6及其外围的多路模拟信号分时采样处理单元2－1、多路数字信号输入单元2－2、多路模拟信号输出单元2－4和继电器驱动单元2－5组成。本实用新型所述的控制器具备LonWorks开放式网络控制功能，不仅可以方便地实现现场设备控制，还可通过LonWorks接口将提供现场参数和设备运行信息提供给BAS管理平台，在BAS管理平台上实现信息共享和联动控制，在信息充分的基础上，为空调冷、热源系统提供合理的调节依据，实现冷暖空调系统的节能与优化运行。

Description

中央空调末端设备控制器

技术领域

本实用新型涉及室内空气调节设备的控制装置，具体涉及一种中央空调末端设备的控制装置。

背景技术

根据发达国家经验，随着城市发展，建筑将超越工业、交通等其它行业而最终居于社会能源消耗的首位，而中央空调的能耗又是建筑终端能耗的主要部分，降低其运行能耗对节约能源、提高能源的利用率、实施绿色建筑战略具有重要意义。如何降低中央空调能耗，一直是建筑设备节能研究的主要发展方向，围绕提高设备效率，改进运行控制模式等方面已有许多相关成果和实现技术，但在管理节能方面的研究，成果较少。管理方式节能需要相应的技术支持，目前我国的建筑设备运行管理水平普遍较低，大多数公共建筑、办公建筑等的空调系统和建筑照明系统主要依靠用户直接控制、管理人员手动控制的方式管理，自动化水平较低，缺乏科学合理的运行管理机制，而且大多数情况下，运行费用由单位承担，在这样的管理方式和技术条件下，建筑运行管理节能几乎无法实施。例如，政府有关部门曾要求各类商场、办公建筑的室内温度设置高于25℃，但由于缺乏有效的技术保证，需要靠用户自觉设定室内温度，这样的要求显然难以产生实质性的效果，实际执行收效甚微；由于缺乏完善、有效的管理手段，公共建筑室内温度设置不合理、室内无人时仍然保持空调运行等现象十分普遍。由于这种非理性的消费方式造成的能源浪费不可小视。因此，要实现建筑管理节能，促使用户合理使用空调等设备，只有建立在相应的技术手段基础之上的管理才是最有效的措施。另一方面，管理节能方式属终端节能，投资终端节能的效益高于投资能源生产，实现建筑管理节能有着巨大的经济、社会和环保效益。

中央空调在建筑中应用广泛，但目前中央空调风机盘管控制器大多数采用简单的电动温控阀和三档风速调节方式，室内环境参数由用户自由设定，风速由手动选择，即空调末端系统运行完全取决于用户；另外，空调末端的控制系统基本是独立运行，不具备信息传输功能，末端设备的运行参数和状态、室内环境参数等信息无法与空调的冷冻机控制系统实现信息共享，末端设备的运行状态并未纳入空调系统的监控，导致冷冻机节能优化控制缺乏相应的信息，中央空调控制与管理系统也仅能通过简单的关断控制方式控制末端设备运行，不能进行有效的远程控制与管理。显然，这样的空调末端设备控制方式无法实现空调系统运行管理节能。

发明内容

鉴于所存在的不足，本实用新型的目的是提供一种中央空调末端控制设备的远程控制装置，该装置可对中央空调系统中的风机盘管或新风风机管理和控制，并采用开放式网络与上位的中央空调管理器(PC/Laptop)进行数据传输，以实现整个系统的信息共享，节约能源。

本实用新型实现上述目的的技术方案是：

一种中央空调末端设备控制器，该控制器由一LonWorks通信控制模块和一以单片机为核心的控制模块连接构成，其中

所述的LonWorks通信控制模块由神经元芯片与时钟/日历芯片连接构成，其中时钟/日历芯片的串行时钟输入口(SCL)和串行数据I/O口(SDA)分别与神经元芯片的两根双向数据线连接构成I²C通信方式，为神经元芯片提供时钟信号；神经元芯片的三根控制信号线和一根双向数据线分别与所述的控制模块中单片机的一I/O口连接构成I²C通信方式，与上位集中管理器进行信息交换；

所述的控制模块包括以下单元电路：

一主控单元，该单元由51或52系列单片机和外围的振荡电路构成；

一多路模拟信号输出单元，该单元由串行DAC芯片和驱动电路组成，串行DAC芯片的DAC更新锁存控制端与主控单元中的单片机的WR口连接，串行DAC芯片的串行接口时针端、串行接口数字输入端和串行接口装载控制端分别与主控单元中的单片机的I/O口连接，将来自单片机的控制信号转换为模拟信号变换成多路模拟信号，用于驱动和控制中央空调末端设备，如送风风机、电动调节水阀、电动调节风阀等；当所述的送风风机为交流电源的风机时，在DAC芯片的模拟输出端外接固态调压器模块，以实现送风风机的调速控制；

一继电器驱动单元，该单元由多路电子开关和串联在电子开关主回路中的继电器线圈组成，其中每一路电子开关的输入端都接在主控单元中的单片机的一I/O口上，将单片机输出的控制信号放大，用于实现中央空调末端设备的启停控制；

一多路模拟信号采样电路或者一多路模拟信号分时采样处理单元；所述的多路模拟信号采样电路的每一路均为一串连电阻构成的分压电路，每一分压电路的分压点均与主控单元中的单片机的一具有A/D转换功能的I/O口连接，所述的单片机分时扫描每一分压点，采集室内空气温、湿度参数、CO₂浓度，室外空气温、湿度参数，冷(或热)水温度等模拟信号进行A/D转换后由所述的单片机控制继电器驱动单元和多路模拟信号输出单元；所述的多路分时采样处理单元由多路模拟信号采样电路、分时采样控制电路和A/D转换器依次连接组成，其中所述的分时采样控制电路由一多选一模拟开关连接构成，构成该电路的每一模拟开关的信号输入端分别接在多路模拟信号采样电路的分压点上，选择控制端分别接在主控单元的单片机的一I/O口上，由单片机控制多选一模拟开关选通，根据具体的中央空调系统末端设备的监控要求，采集对应的模拟信号；所述的A/D转换器的输入端与多选一模拟开关的输出端连接，输出端与单片机的一I/O口连接，将多选一模拟开关选通所采集到的模拟信号进行A/D转换后送入单片机的I/O口，经单片机处理后控制所述的继电器驱动单元和多路模拟信号输出单元；

一多路数字信号输入单元，该单元的每一路由一个光电耦合器和串接在其输入端上的限流电阻构成；所述的多路数字信号输入单元可将反应外部设备的运行状态信息通过光电耦合器耦合到单片机的I/O口上，实现中央空调末端设备的运行管理；所述的外部设备的运行状态信息可以是中央空调末端设备的开关信号，也可以是采用各种传感器所采集到的设备故障信号，如过滤器堵塞信号、风机故障信号以及风机运行状态和风机手/自切换控制状态等信息。

本实用新型所述的控制器，其中所述的控制模块(2)还包括一串行通信接口单元，该单元由RS收发器和输出端接于RS收发器的RE和DE口上的反相器组成；所述RS收发器的RO口直接与主控单元中的单片机的一I/O口连接，RE和DE口通过反相器与主控单元中的单片机的一I/O口连接，A口和B口与外部的操作与显示单元连接，用于实现单片机与外部操作与显示单元之间的信息交换，以提升信号的传送距离和增强选择操作与显示单元的灵活性。

本实用新型所述的控制器，其中所述的单片机可以的常用的51系列单片机或增强的52系列单片机，其内部具有模/数转换模块(如PIC16F87X单片机芯片)或不具有模/数转换模块。如果所述的单片机的内部具有模/数转换模块，所述的控制器可采用多路采样电路的方案，如果所述的单片机的内部不具有模/数转换模块，所述的控制器就得采用多路分时采样处理单元的方案。采用多路分时采样处理单元的方案还有一个优点是，当单片机内部的模/数转换模块的转换精度不能满足需要时，可选用转换精度高的外设A/D转换器，以提高控制精度。

本实用新型所述的控制器考虑控制器信息传输的开放性要求，选择LonWorks现场总线作为信息传输标准，采用LonWorks神经元芯片和通用单片机构成了末端控制器和LonWorks网络节点，LonWorks神经元芯片实现基于LonWorks总线的信息双向传输，通用型单片机及其外围电路实现参数检测与控制，解决LonWorks芯片资源不足的缺陷，以满足空调系统信息共享、优化控制与管理的基本需求。本实用新型所述的控制器具有8路AI、8路DI输入，6路DO和8路AO输出，支持多参数的检测输入与控制输出，可满足中央空调系统末端设备的监控要求，具有通用性和经济性应用特征。

本实用新型所述的控制器根据采用“空气、水”系统的中央空调末端设备运行与控制要求，充分考虑运行节能，通过多路模拟信号采样电路或者多路分时采样处理电路将统一设定温度、室内无人侦测等信息引入风机盘管控制，有效避免建筑室内温度设置不合理、室内无人时仍然保持空调运行等浪费能源的现象，具有明显的节能效果；将传统的手动分级调节风机盘管送风机转速改为根据室内温度自动无级调速，提升了舒适性。

另外，在新风系统中设置最小新风量和最大新风量运行模式，充分，利用控制器具有信息传输的功能，根据室内空气品质和室外空气焓值变化，改变新风系统运行模式，并调节新风量，进一步降低风机盘管和冷源能耗，而传统的“空气、水”系统的中央空调新风系统是不进行调节的。

对有湿度控制要求的末端系统，本实用新型所述的控制器有足够的I/O接口资源，可以实现湿度调节功能。本实用新型所述的控制器具备LonWorks开放式网络控制功能，不仅可以方便地实现现场设备控制，还可通过LonWorks接口将提供现场参数和设备运行信息提供给BAS管理平台，在BAS管理平台上实现信息共享和联动控制，在信息充分的基础上，为空调冷、热源系统提供合理的调节依据，实现冷暖空调系统的节能与优化运行。

附图说明

图1～8是本实用新型的一个具体实施例的电原理图，其中图1和图2为LonWorks通信控制模块的电原理图，图3主控单元的电原理图，图4为多路模拟信号输出单元的电原理图，图5为继电器驱动单元的电原理图，图6为多路分时采样处理单元的电原理图，图7为多路数字信号输入单元的电原理图，图8为串行通信接口的电原理图。

图9为图1～8所示实施例的电原理框图。

图10为本实用新型所述中央空调末端设备控制器的一种具体应用的电原理图。

图11为本实用新型所述中央空调末端设备控制器的另一种具体应用的电原理图。

具体实施方式

参见图9，本实施例由一LonWorks通信控制模块1和一以单片机为核心的控制模块2连接构成，其中所述的LonWorks通信控制模块1由神经元芯片1-1和时钟电路1-2连接构成，所述的控制模块2由主控单元2-6及其外围的多路模拟信号分时采样处理单元2-1、多路数字信号输入单元2-2、串行接口单元2-3、多路模拟信号输出单元2-4和继电器驱动单元2-5组成。以下参照图1～8，分别叙述各单元电路的组成和工作原理。图1～8的同名端相连。

参见图1和图2，构成LonWorks通信控制模块1的神经元芯片1-1为日本东芝公司生产的TMPN3150芯片，时钟电路1-2为时钟/日历芯片PCF8563(U10)；所述的时钟/日历芯片U10的串行时钟输入口(SCL)和串行数据I/O口(SDA)分别与神经元芯片M1的两根双向数据线连接构成I²C通信方式，为神经元芯片提供时钟信号。

下述图3～8组成所述以单片机为核心的控制模块2的电路原理，其中：

图3为主控单元2-6，该单元由增强型51系列单片机U1(89C52)和常规的外围振荡电路构成。

图4为多路模拟信号输出单元2-4，该单元由串行DAC芯片(TLC5628)U6和两个运输放大器(LM324)U4、U5组成。串行DAC芯片U6的串行接口时针端CLK、串行接口数字输入端DATA和串行接口装载控制端LOAD分别与主控单元2-6中的单片机U1的I/O口连接，两芯片以串行通信方式实现信息交换；由DAC芯片U6的8个输出引脚A～B输出8路经D/A转换后的信号，分别经运算放大器U4、U5和三极管Q1～Q8放大后由AO1～AO8端输出模拟信号，实现对现场设备的调节控制。当采用交流电源的送风风机时，在模拟信号输出端(AO1～AO8)外接固态调压器模块，同样可实现送风风机的调速控制。

图5为继电器驱动单元2-5，该单元是由达林顿电子开关模块(2003)U2和线圈串联在其输出端的继电器S1～S6组成。为了避免单片机U1在上电的一瞬间由其I/O口输出高电平脉冲而导致继电器S1～S6的误动作，在U2的每以路输入与单片机U1的端口P2之间增设反相施密特触发器(40106)U3，消除单片机U1上电时的影响。单片机U1输出的控制信号经U3反相、U2放大后通过继电器S1～S6分别控制需要开关控制的设备。

图6为多路模拟信号分时采样处理单元2-1，该单元由多路模拟信号采样电路、分时采样控制电路和A/D转换器依次连接组成，可提供8路模拟信号输入。其中所述的多路模拟信号采样电路由16只电阻Ri1～Ri8和Rj1～Rj8两两串联组成8路，每一路的两电阻的连接结点为分压点；所述的分时采样控制电路由八选一模拟开关(4051)U8连接构成，U8的地址控制端A、B、C分别接在单片机U1的三个I/O端口(P1.0、P1.1、P1.2)上，U8中8个开关单元的输入端(X0～X8)分别与多路模拟信号采样电路中的一个分压点连接，U8的输出端与A/D转换器(MCP3221)U7的输入端连接；所述的A/D转换器U7的输出端接在单片机U1的P1.3和P1.4端口上。工作时，由单片机U1控制八选一模拟开关U8选通，将外部模拟信号进行A/D转换后送入单片机U1，经单片机U1处理后控制所述的继电器驱动单元2-5和多路模拟信号输出单元2-4。为了保证A/D转换器U7的稳定工作，进一步提高A/D转换精度，本实施例中A/D转换器U7配有专用精密稳压源MCP1541。

图7为多路数字信号输入单元2-2，该单元由光电耦合器Ud1～Ud8和分别串接在光电耦合器Ud1～Ud8输入端的电阻Rd1～Rd8组成，可提供8路开关信号输入。外部开关信号经光电耦合器隔离后的8路信号直接送入单片机U1的P0端口，实现具有开关量特征的信号检测。

图8为串行通信接口单元2-3，该单元由RS收发器(MAX485)U9和输出端接于RS收发器的RE和DE口上的反相器组成，其中所述的反相器由三极管Qn以及设在Q21集电极上的电阻Rn构成。所述RS收发器U9的RO口直接与主控单元中的单片机U1的一I/O口连接，RE和DE口通过反相器与主控单元中的单片机U1的一I/O口连接，A口和B口与外部的操作与显示单元中数据线连接，用于实现单片机U1与外部操作与显示单元之间的信息交换，以提升信号的传送距离和增强选择操作与显示单元的灵活性。

本实用新型所述控制器为现有各种中央空调末端设备的通用控制装置，可控制风机盘管、送风风机以及水阀等。根据控制需要，其多路模拟信号分时采样处理单元2-1可外接温度、湿度以及热释电红外线等输出模拟信号的传感器，其多路数字信号输入单元2-2可接入外部设备故障，如过滤器堵塞、风机故障以及风机运行状态和风机手/自切换控制状态等开关信号，对所控制的终端设备进行管理、控制，既可满足人体的舒适度要求，也可节约电能。

以下结合附图简要介绍采用本实用新型所述的控制器控制常用的两种中央空调末端设备的方法和控制过程。

1、风机盘管的控制

参见图10并结合图9，本实用新型所述控制器DDC用于风机盘管系统控制时，对仅进行温度控制的风机盘管系统，将风机盘管按图10的方式与控制器连接。室内温度目标值由上位的远端管理器通过LonWorks通信控制模块1统一设定，不接受与串行接口单元2-3相连的外部操作与显示单元的修改。风机盘管可由上位于的远端管理器或外部操作与显示单元进行启停控制，控制器DDC收到启停信号后，输出控制信号，实现风机和盘管水阀启停控制；风机盘管系统启动后，按反馈控制原理，控制器读入室内温度参数，根据实际检测温度与设定温度之差，按PI调节算法经运算后，输出风机转速调节信号，经固态调压器自动调节风机转速。如果检测室内温度处于设定的温度范围，关闭盘管水阀，否则保持盘管水阀开启状态。风机盘管运行过程中，控制器DDC读入热释电红外线传感器信号，如果在预先设定的时间区段内，未发行室内有人，则自动停止风机盘管系统运行；为实现新风系统最小新风量运行，在风机盘管系统增加室内空气品质(例如CO₂浓度)检测，并将室内空气品质信息通过LonWorks总线传输给新风系统控制器，为新风系统运行提供控制依据。运行过程中，外部操作与显示单元显示室内温度数字和盘管系统运行状态。

运行过程中，风机盘管所在的室内空气参数和状态、设定参数、风机运行参数和状态、水阀状态参数由控制器的LonWorks通信控制模块1上传到中央空调管理器，实现中央空调管理器和末端设备信息共享，由中央空调管理器完成信息处理，实现系统的管理与优化运行。

按上述模式运行的风机盘管系统，有效地避免了室内温度设定不合理和室内无人时长期开启末端空调设备造成的浪费能源的现象；自动调节送风机转速的控制，无需用户手动调节送风机转速，提高了舒适性，这种控制模式具有明显的节能效果。

考虑实际应用需求，对有特殊要求的房间，控制器DDC提供授权温度设定功能，其风机盘管系统经授权后可以恢复传统的控制方式。

对有湿度控制要求的风机盘管系统，可以增加室内空气湿度检测，将室内空气湿度传感器信号由AI接入，加湿控制可由模拟输出单元的AO输出，由控制器DDC按加湿设备控制要求，经PI运算后输出调节信号。

2、送风机(新风风机)的控制

传统的“空气、水”空调系统中的新风系统是根据将在室内功能要求，以满足室内空气品质要求为目的设计新风系统的新风量，并在运行过程中保持不变。但实际运行中，室内空气品质是变化的，设计的最小新风量往往超出实际需求的新风量，按设计新风量送风将导致盘管系统处理的湿热负荷上升，增加能耗。另一方面，由于气候的变化和室内设定温度的提高，使利用室外空气的可能性增加，特别是对需要在过渡季节运行的空调系统，在适当的条件下，可以采用最大新风运行，本实用新型在新风系统设置最小新风量模式和最大新风量模式实现新风系统运行节能。

为实现新风系统最小新风量运行，在风机盘管系统增加室内空气品质(例如CO₂浓度)检测，并将室内空气品质信息通过LonWorks总线传输给新风系统控制器，新风系统控制器对来自盘管控制器的室内空气品质信息，进行加权平均处理，计算出需要的新风送风量，按此目标输出新风机转速调节信号，实现新风系统最小新风量运行。

为实现新风系统最大新风量运行，设计新风系统时，送风机按最大送风量选择，新风系统控制器先根据送风参数计算设定的焓值，然后读入室外空气温、湿度传感器信号，并计算室外空气焓值，如果室外空气焓值低于设定的焓值，则关闭新风系统水阀，并使新风机运行于最大转速，进入最大新风量模式，充分利用室外空气减小空调系统运行能耗。这种发生具有实时性特征。

具体应用时，将送风机及系统中其它设备按图11的方式与控制器DDC连接。送风参数目标值由上位的远端管理器通过LonWorks通信控制模块1统一设定，并与盘管系统相适应，新风系统可由现场配电箱或远端管理器进行启停控制。新风系统启动后，按反馈控制原理，新风系统控制器DDC读入送风温、湿度(有湿度控制功能时)参数，并与设定参数相比较，经PI运算后，得出需要的调节量，由多路模拟信号输出单元2-4输出新风系统水阀、加湿阀(有加湿功能时)调节信号，使送风参数满足设定要求。控制器根据来自盘管控制器的室内空气品质信息，进行加权平均处理，计算出需要的新风送风量，按此目标输出新风机转速调节信号，通过调速器(例如固态调压器)调节新风机转速，使送风机按满足室内空气品质得最小新风量运行。运行过程中，控制器实时读入室外空气温、湿度传感器信号，并计算室外空气焓值，如果室外空气焓值低于设定的焓值，则关闭新风系统水阀，并使新风机运行于最大转速，进入最大新风量模式；如果室外空气焓值高于设定的焓值，控制器输出相应信号，自动恢复到最小新风量运行模式。

运行过程中，新风系统的送风参数、设定参数、风机运行参数和状态、水阀状态参数、过滤器压差等信号由控制器DDC的LonWorks通信控制模块1上传到中央空调管理器，实现中央空调管理器和末端设备信息共享，由管理器完成信息处理，实现系统的管理与优化运行。

Claims (2)

1、一种中央空调末端设备控制器，其特征是该控制器由一LonWorks通信控制模块(1)和一以单片机为核心的控制模块(2)连接构成，其中

所述的LonWorks通信控制模块(1)由神经元芯片(M1)与时钟/日历芯片(10)连接构成，其中时钟/日历芯片(U10)的串行时针输入口和串行数据I/O口分别与神经元芯片(M1)的两根双向数据线连接构成I²C通信方式，为神经元芯片(M1)提供时钟信号；神经元芯片(M1)的三根控制信号线和一根双向数据线分别与所述的控制模块(2)中单片机(U1)的一I/O口连接构成I²C通信方式，与上位集中管理器进行信息交换；

所述的控制模块(2)包括以下单元电路：

一主控单元(2-6)，该单元由51或52系列单片机(U1)和外围的振荡电路构成；一多路模拟信号输出单元(2-4)，该单元由串行DAC芯片(U6)和驱动电路(U4、U5和Q1～Q8)组成，串行DAC芯片(U6)的DAC更新锁存控制端与主控单元(2-6)中的单片机(U1)的WR口连接，串行DAC芯片(U6)的串行接口时针端、串行接口数字输入端和串行接口装载控制端分别与主控单元(2-6)中的单片机(U1)的I/O口连接；

一继电器驱动单元(2-5)，该单元由多路电子开关(U2)和串联在电子开关主回路中的继电器(S1～S6)线圈组成，其中每一路电子开关的输入端都接在主控单元(2-6)中的单片机(U1)的一I/O口上；

一多路模拟信号采样电路或者一多路模拟信号分时采样处理单元(2-1)；所述的多路模拟信号采样电路的每一路均为一串连电阻构成的分压电路，每一分压电路的分压点均与主控单元(2-6)中的单片机(U1)的一具有A/D转换功能的I/O口连接；所述的多路分时采样处理单元(2-1)由多路模拟信号采样电路、分时采样控制电路和A/D转换器依次连接组成，其中所述的分时采样控制电路由一多选一模拟开关(U8)连接构成，构成该电路的每一模拟开关的信号输入端分别接在多路模拟信号采样电路的分压点上，选择控制端分别接在主控单元(2-6)的单片机(U1)的一I/O口上，由单片机(U1)控制多选一模拟开关(U8)选通；所述的A/D转换器的输入端与多选一模拟开关的输出端连接，输出端与单片机的一I/O口连接；

一多路数字信号输入单元(2-2)，该单元的每一路由一个光电耦合器和串接在其输入端上的限流电阻构成。

2、根据权利要求1所述的一种中央空调末端设备控制器，其特征是所述的控制模块(2)还包括一串行通信接口单元(2-3)，该单元由RS收发器和输出端接于RS收发器(U9)的RE和DE口上的反相器(Qn)组成；所述RS收发器(U9)的RO口直接与主控单元(2-6)中的单片机(U1)的一I/O口连接，RE和DE口通过反相器(Qn)与主控单元(2-6)中的单片机(U1)的一I/O口连接，A口和B口与外部的操作与显示单元连接。

Images