CN101819435A

CN101819435A - 环境区域控制器

Info

Publication number: CN101819435A
Application number: CN201010149154A
Authority: CN
Inventors: 李爱国; 夏洪军; 罗堃; 郭明哲; 陈勤平
Original assignee: SHANDONG JIANKE BUILDING ENERGY SERVICE CO Ltd; Shanghai Building Science Research Institute Group Co Ltd
Current assignee: SHANDONG JIANKE BUILDING ENERGY SERVICE CO Ltd; Shanghai Building Science Research Institute Group Co Ltd
Priority date: 2010-04-16
Filing date: 2010-04-16
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2030-04-16

Abstract

本发明环境区域控制器，通过采集到的室内环境中各种信号，控制信号发送给空调风机、窗帘、灯光和新风阀等执行机构，以维持用户设定的环境参数，控制器同时拥有数字量和模拟量的输入、输出接口、RS232、RS485接口、以及与上位机进行数据交互的RJ45网络接口；控制软件加载到硬件模块上，通过数字量和模拟量的输入端口对环境区域中的环境传感器进行信号采集，至少包括温度控制模块、光控制模块和空气质量控制模块，依据采集得到的各种信号，通过温度控制模块、光控制模块和空气质量控制模块，控制信号发送给空调风机、窗帘、灯光和新风执行机构，以维持用户设定的环境参数。可根据不同的区域情况启用一部分功能，如新风量控制系统等子系统。

Description

环境区域控制器

所属技术领域

本发明环境区域控制器，通过采集得到的室内环境中各种信号，控制信号发送给空调风机、窗帘、灯光和新风阀等执行机构，以维持用户设定的环境参数。可根据不同的区域情况启用一部分功能，如光环境中的灯光和窗帘控制系统、新风量控制系统、温度控制系统等子系统。

背景技术

目前已知的环境控制器具有如下特点：1.RS485通讯方式；2.具有三条RS485总线，每条RS485总线至少可挂24个门禁控制器/一体机；3.通过三条RS485总线，可极大的扩展系统可容纳控制节点数；4.区域控制器实时采集下层控制器/一体机的监控数据可滞留数据，使得下层数据容量得到了缓冲，有利于提高系统稳定性与实时性。规格为：输入电压：DC12V、静态电流：50mA、额定电流：320mA、记录缓冲数：10000张、通讯端口：RS485端口3个，TCP/IP端口1个、环境湿度：-25～70、温度：10％～90％。

但是，RS-232接口标准出现较早，目前仍然有不少设备使用该接口标准。

发明内容

本发明目的在于提供一种环境区域控制器，可实时采集环境数据以控制信号发送给空调风机、窗帘、灯光和新风阀等执行机构。

本发明通过下述技术方案实现：一种环境区域控制器，通过软件系统与硬件的紧密结合，通过环境传感器，实时采集环境数据以控制信号发送给空调风机、窗帘、灯光和新风阀等执行机构，其中，硬件系统同时拥有数字量和模拟量的输入、输出(I/O)接口，和RJ45网络接口，与上位机进行数据交互，由于硬件系统本身具有一定的存储能力，可对其进行C语言的二次开发，同时还拥有RS232和RS485接口，可据此进行软件调试设置。该控制器体积紧凑，端子采用可插拔方式设计。

软件系统采用C语言编程，实现了数据采集和控制的综合程序，利用硬件拥有数字和模拟量I/O接口，对其进行编程，通过数字量和模拟量的输入端口对某一区域中的环境传感器进行信号采集，至少包括温度控制、光环境和空气质量信息。程序依据采集得到的各种信号，控制信号发送给空调风机、窗帘、灯光和新风阀等执行机构，以维持用户设定的环境参数。

软件系统采用模块化设计，可根据不同的区域情况启用一部分功能，如光环境中的灯光和窗帘控制系统、新风量控制系统、温度控制系统等子系统。软件系统可对季节进行自动判断，也可手动输入，该算法把一年划分为夏季，冬季和过度季三种工况，针对不同季节分别进行最优化调节，以达到光环境、热湿环境、空气质量和能源消耗的统一，保证在最小能耗的情况下空调、日光灯、百叶窗等控制终端的合理输出，既满足环境参数要求，又达到节能优化的目的。

附图说明

附图1硬件的外形结构主视图

附图2硬件的外形结构后视图

附图3硬件的外形结构俯视图

附图4数字量输入结构框图

附图5数字量输出结构框图

附图6模拟量输入结构框图

附图7模拟量输出结构框图

附图8本发明的软件流程图

附图9本发明的软件智能算法部分的主体结构图

附图10百叶窗控制单元全年工况分区示意图

附图11对百叶旋转角度进行最优化调节控制流程图

附图12光控制模块控制流程图

附图13温度控制模块控制流程图

附图14空气质量控制模块控制流程图

附图15区域控制器电路原理简图

具体实施方式

硬件系统拥有128k的永久存贮空间，拥有以太网接口，可以和外界进行网络通信，具备数字量输入16路，数字量输出8路，模拟量输入8路和模拟量输出3路，都具有光电隔离。拥有RS-232和RS-485接口，内部具有时钟，其操作温度为-40℃～+70℃。

因为同时拥有数字量和模拟量的输入和输出I/O接口，因此对于终端的环境传感器和控制模块能够进行快速方便的控制，硬件的外形如附图1硬件的外形结构主视图、附图2硬件的外形结构后视图和附图3硬件的外形结构俯视图所示。图1中，AO0～AO2是模拟量输出端子，5M是公共端，AI0～AI7是模拟量输入端子，I0～I15是数字量输入端子，4M是公共端。图2中，V1表示控制器的电源24VDC+，M表示公共端，TB，RB与TC，RC是RTD铂电阻输入端子，O0～O7是数字量输出端子。

如附图4数字量输入结构框图和附图5数字量输出结构框图所示，数字量输入(左)和输出(右)结构框图：DIXX表示数字量输入端子端号，即图1中的I0～I15；DOXX表示数字量输出端子端号，即图2中的O0～O7，VCC表示数字量输入端内部电源正，GPIO表示芯片的I/O输入管脚，GND表示外部数字量输入的公共地。KO+表示外部数字量输出的外接电源，PORT表示内部的数字量输出端，DOxx表示外部数字量输出端口，GND表示外部数字量输出的公共地。

通过数字量的输入端口对某一区域中的环境传感器进行信号采集，至少包括热湿环境，光环境和空气质量信息。程序依据采集得到的各种信号，控制信号发送给空调风机、窗帘、灯光和新风阀等执行机构，以维持用户设定的环境参数。

如附图6模拟量输入结构框图，附图7模拟量输出结构框图所示，图6中，ADREF表示内部的模拟量输入的基准，AIxx表示外部模拟量输入端口，AVCC表示内部模拟量输入部分的电源正，PORT表示内部模拟量输入端，AGND表示内部模拟量输入部分的电源地。图7中，DAREF表示内部模拟量输出的基准，AOxx表示外部模拟量输出端口，AVCC表示内部模拟量输出部分的电源正，PORT表示内部模拟量输出端，AGND表示内部模拟量输出部分的电源地。

请参阅附图8本发明的软件流程图：通过对室内CO₂浓度、室内照度、室外照度、室内有害气体浓度及其他进行采集，由主循环函数控制数据，通过运算并与设定函数进行比较，对空调、灯光、百叶窗和其他的一些执行机构进行控制。

如图8本发明的软件流程图所示，采集函数，主循环函数，智能算法部分和控制函数均放置在硬件上，通过对模拟量和数字量输入端的控制，通过采集函数对CO₂、室内照度、室外照度、室内有害气体等一系列环境参数进行采集后，进入主循环函数控制整体逻辑，把由采集函数采集的数据进行汇总，进而发送到C智能算法部分，对这些采集到的结果进行智能算法和综合分析，推导出控制结论，最后通过控制函数对硬件的模拟量和数字量的输出口对空调、百叶窗、灯光等终端执行机构发送控制信号命令，进而达到控制目的。

本发明硬件部分支持C语言的二次开发，因此软件由C编写，加载到硬件模块上，对其进行控制，本发明软件实现了室内环境综合集成控制算法：通过研究空气质量、热舒适和节能、自然通风和空调(混合通风)、遮阳和照度、人工照明和昼间采光等之间的制约关系，实现其最优控制方式，在满足环境舒适性的前提下，实现能耗最小需求。

其中，软件部分核心在于智能算法部分，C的智能算法部分详细描述如图9本发明的软件智能算法部分的主体结构图所示，智能算法部分的主体结构图为：对舒适性条件、能源消耗和用户设定值进行节能化优化，包括节能优化模块、室内环境数据采集、光控制模块、温度控制模块、空气质量控制模块，通过室内环境数据采集传输给节能优化模块，将控制指令分别传给光控制模块、温度控制模块、空气质量控制模块，光控制模块控制调光灯控制单元和百叶窗控制单元，温度控制模块控制空调总风控制单元和冷热水量控制单元，空气质量控制模块控制空调新风控制单元。

其中，节能算法部分综合了各种控制模块，进行统一计算，以满足室内环境最大舒适度为前提，根据最小能耗，得出各控制模块最优控制。

以下对节能算法模块实现的详细描述：

因为空气质量是室内舒适度和良好环境的基础，故最优先保证室内空气质量，下面主要讨论照明和空调的综合算法，以达到节能目的。

根据室内外空气焓差，即Δ_h＝h_室外-h_室内，将工作单元的百叶工况分为3个区：夏季工况区、过度季工况区和冬季工况区。如图10百叶窗控制单元全年工况分区示意图所示：

当焓差Δ_h＝h_室外-h_室内＞0时，系统运行在夏季工况区。此时太阳能增益Q_sol对温度T_i具有很强的影响，Q_sol越大，T_i越高。因此，我们应在满足工作面照度的情况下，尽可能减少百叶的旋转角度以减少太阳辐射对工作单元的影响。当焓差Δ_h＝h_室外-h_室内＜0时，系统运行在冬季工况区。此时，应尽可能大的打开百叶，以最大限度的引入天然光和太阳能，以增加工作面照度且减少空调负荷。当室内外空气焓差值相差不多时，则系统处于过渡季工况，在满足正常工作照度情况下，用户可以按需对百叶系统进行手动调节。

以下例子针对夏季工况，如附图11对百叶旋转角度进行最优化调节控制流程图所示，在保证夏季舒适度性能指标的情况下，对百叶旋转角度进行最优化调节控制，以达到光热环境的统一，最终实现节能的目的。

窗户日射得热形成的冷负荷以及照明负荷都可以计算得到。

设定室内照度为300Lux。

可以通过设定的照度值算出每小时所需照明耗电量E300(不采自然光的情况下电灯照明需要的耗电量)，日射得热逐时值Q可以通过查阅相关系数后计算得到。

某时刻：计算出日射得热逐时值的两个极限，Q_min：百叶窗全部合上的日射得热；Q_max，百叶窗全部开启的日射得热。有以下几种情况：

情况1：E300＜Q_min，窗帘关闭，优先考虑减少空调负荷；

情况2：E300＞Q_min，窗帘开启，优先采自然光；

情况3：Q_min＜E300＜Q_max，控制流程如下图所示：

增加百叶最大角至小于最大眩光角，照明耗电量大于E300时调节室内照度为300，当E300≥Q300/CPO时保持百叶窗状态，否则，关闭百叶窗改为人工照明；若非照明耗电量大于E300时，保持百叶最大角，打开部分照明，使室内照度为300，室内太阳得热为Q_MAX，此时E300≥Q_MAX/COP时，保持百叶窗状态，否则百时窗关闭改为人工照明。

光控制模块

如图12光控制模块控制流程图所示，光控制模块采用模糊算法，对自然采光进行约束，通过室外照度、窗户参数、太阳高度角、太阳方位角等参数，通过模糊算法计算百叶最大角，进而对窗帘角度进行调节，并且百叶窗和灯的控制均采用自适应的模糊控制算法，在不产生眩光，保持室内最小能耗的情况下，达到室内照度的设定值。

温度控制模块

如图13温度控制模块控制流程图所示，温度控制模块是根据室内温度设定值对空调总风量或冷热水量进行控制，采用了自适应的模糊控制算法，控制对象可为总风变频器或冷热水阀门，以便达到室内温度设定标准。

空气质量控制模块

如图14空气质量控制模块控制流程图所示，空气质量控制模块是通过对采集到的室内CO₂气体浓度和总挥发性有机物TVOC浓度进行检测，超过室内允许的设定值或称为临界值，则进行空调新风变频器或新风阀的控制，其控制部分也是采用自适应的模糊控制算法，通过配置标准和给定的CO₂浓度和TVOC浓度，进行模糊控制，以便能让室内空气质量与给定设定值非常接近的程度，达到室内空气质量设定标准。

针对上述各控制模块，给出如图15区域控制器电路原理简图。

Claims

1.一种环境区域控制器，通过环境传感器，实时采集室内环境数据以控制信号发送给包括空调风机、窗帘、灯光和新风阀执行机构，其特征在于：

控制器同时拥有数字量和模拟量的输入、输出接口、RS232、RS485接口、以及与上位机进行数据交互的RJ45网络接口；

控制软件加载到硬件模块上，通过数字量和模拟量的输入端口对环境区域中的环境传感器进行信号采集，至少包括温度控制模块、光控制模块和空气质量控制模块，依据采集得到的各种信号，通过温度控制模块、光控制模块和空气质量控制模块，控制信号发送给空调风机、窗帘、灯光和新风执行机构，以维持用户设定的环境参数。

2.根据权利要求1所述的环境区域控制器，其特征在于，所述控制器有128k的永久存贮空间，数字量输入16路，数字量输出8路，模拟量输入8路和模拟量输出3路，各接口都具有光电隔离，其操作温度为-40℃～+70℃。

3.根据权利要求1或2所述的环境区域控制器，其特征在于，所述的接口为插拔结构。

4.根据权利要求1所述的环境区域控制器，其特征在于，所述的窗帘为百叶窗，通过环境传感器对室内CO₂浓度、室内照度、室外照度、室内有害气体浓度及其他进行采集，由主循环函数控制数据，通过运算并与设定函数进行比较，对空调、灯光、百叶窗和其他执行机构进行控制，其中，采集函数，主循环函数，智能算法部分和控制函数均放置在硬件上，对模拟量和数字量输入端控制，通过采集函数对CO₂、室内照度、室外照度、室内有害气体进行采集，主循环函数通过控制整体逻辑，把由采集函数采集的数据进行汇总，进而发送到C智能算法部分，对这些采集到的结果进行智能算法和综合分析，推导出控制结论，最后通过控制函数到硬件的模拟量和数字量的输出口对空调，百叶窗，灯光终端执行机构发送控制信号命令，完成室内环境控制。

5.根据权利要求4所述的环境区域控制器，其特征在于，所述智能算法部分的主体结构为：对舒适性条件、能源消耗和用户设定值进行节能优化，包括节能优化模块、室内环境数据采集、光控制模块、温度控制模块、空气质量控制模块，通过室内环境数据采集传输给节能优化模块，将控制指令分别传给光控制模块、温度控制模块、空气质量控制模块，光控制模块控制调光灯控制单元和百叶窗控制单元，温度控制模块控制空调总风控制单元和冷热水量控制单元，空气质量控制模块控制空调新风控制单元。

6.根据权利要求4所述的环境区域控制器，其特征在于，在最优先保证室内空气质量前题条件下，所述智能算法部分中包括节能算法模块。

7.根据权利要求6所述的环境区域控制器，其特征在于，根据室内外空气焓差，即Δ_h＝h_室外-h_室内，将百叶窗控制单元分为3个工况区：夏季工况区、过度季工况区和冬季工况区，以实现照明和空调控制，其中，

当焓差Δ_h＝h_室外-h_室内＞0时，系统运行在夏季工况区，此时太阳能增益Q_sol对温度T_i具有很强的影响，Q_sol越大，T_i越高，在满足工作面照度的情况下，减少百叶的旋转角度以减少太阳辐射对工作单元的影响；

当焓差Δ_h＝h_室外-h_室内＜0时，系统运行在冬季工况区，此时大开百叶窗，以最大限度的引入天然光和太阳能，以增加工作面照度且减少空调负荷；

当室内外空气焓差值相差不多时，则系统处于过渡季工况。

8.针对权利要求7所述的环境区域控制器中百叶窗的控制方法，在夏季工况情况下，对百叶旋转角度进行最优化调节控制，其中，窗户日射得热形成的冷负荷以及照明负荷都通过手册查询或计算得到，其特征在于，设定室内照度为300Lux，通过设定的室内照度算出不采自然光的情况下每小时所需照明耗电量E300，日射得热逐时值Q通过查阅相关系数后计算得到，

某时刻：计算出日射得热逐时值的两个极限，Q_min为百叶窗全部合上的日射得热；Q_max为百叶窗全部开启的日射得热，有以下几种情况：

情况1：E300＜Q_min，窗帘关闭，优先考虑减少空调负荷；

情况2：E300＞Q_min，窗帘开启，优先采自然光；

情况3：Q_min＜E300＜Q_max，增加百叶最大角至小于最大眩光角，照明耗电量大于E300时调节室内照度为300，当E300≥Q300/CPO时保持百叶窗状态，否则，关闭百叶窗改为人工照明；若非照明耗电量大于E300时，保持百叶最大角，打开部分照明，使室内照度为300，室内太阳得热为Q_MAX，此时E300≥Q_MAX/COP时，保持百叶窗状态，否则百时窗关闭改为人工照明。