CN108006921A - 一种智能恒压送风控制器装置 - Google Patents

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严安全
刘建华
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Abstract

本发明涉及通风柜控制设备技术领域，尤其涉及一种智能恒压送风控制器装置，包括恒压送风系统，所述恒压送风系统包括送风控制器、远程压力表、风压开关、送风过滤器、变频器、风机切换电路、若干台风机和若干个送风房间；所述远程压力表和风压开关均与送风控制器连接，所述送风控制器与变频器连接，所述变频器与风机切换电路连接，所述风压开关与送风过滤器连接，所述送风过滤器与若干台风机连接；本发明解决安装、调试集成化、一备一用自动切换，风机属于机械式运动易磨损，交替工作可增加使用周期；同时利用变频的方式变恒定压力送风使送风稳定，比工频满负载运行降耗效果也较为显著，在当今国家能源紧张的情况下，具有重要的意义。

Description

一种智能恒压送风控制器装置
技术领域
本发明涉及通风柜控制设备技术领域，尤其涉及一种智能恒压送风控制器装置。
背景技术
随着经济的快速发展和城市建筑的不断涌现，人们对实验室空气通风质量和送风系统可靠性的要求不断提高，加上目前能源紧缺对节能的要求，因此利用先进的电子测控技术和自动化控制技术，设计高性能、高可靠性、低成本、低能耗、以及能适用不同实验环境的恒压送风系统也就成必然趋势。
随着近年来变频调速技术的飞速进步，变频恒压送风也在其基础上慢慢发展起来，并成为一种新兴的现代化送风技术。
目前，市场上大部分的恒压送风系统工程设计都采用一台变频器只带一台送风机组的方式。比较少用一台变频器拖动多台风机运行的情况，这种方式不但投资成本较大，且功能单一。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种解决安装、调试集成化、一备一用自动切换，利用变频的方式变恒定压力送风使送风稳定的智能恒压送风控制器装置。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种智能恒压送风控制器装置，包括恒压送风系统，所述恒压送风系统包括送风控制器、远程压力表、风压开关、送风过滤器、变频器、风机切换电路、若干台风机和若干个送风房间；所述远程压力表和风压开关均与送风控制器连接，所述送风控制器与变频器连接，所述变频器与风机切换电路连接，所述风压开关与送风过滤器连接，所述送风过滤器与若干台风机连接，所述风机切换电路与若干台风机连接，所述若干台风机与若干个送风房间连接，所述若干个送风房间与远程压力表连接。
优选地，所述送风控制器包括主控制器、POWER电源电路、压力表信号采样电路、开关量隔离输入电路、EEPROM存储电路、触摸屏、 DA输出转换电路、变频器控制输出电路、开关量无源输出电路、电机控制组和实时时针电路；所述POWER电源电路和实时时针电路均与主控制器连接，所述远程压力表通过压力表信号采样电路与主控制器连接，所述开关量隔离输入电路与主控制器连接，所述主控制器分别与EEPROM存储电路和触摸屏相互连接，所述主控制器通过DA输出转换电路与变频器控制输出电路连接，所述主控制器通过开关量无源输出电路与电机控制组连接。
优选地，所述风机为两台。
优选地，所述远程压力表位于用户管网端。
优选地，所述主控制器采用C8051F410单片机。
优选地，所述POWER电源电路采用TOP221Y三端稳压芯片的高精度开关稳压电源电路。
优选地，所述压力表信号采样电路和开关量隔离输入电路均设于各个送风房间内。
优选地，所述EEPROM存储电路采用AT24C02集成芯片。
本发明具有以下有益效果：本发明所述的一种智能恒压送风控制器装置，包括恒压送风系统，所述恒压送风系统包括送风控制器、远程压力表、风压开关、送风过滤器、变频器、风机切换电路、若干台风机和若干个送风房间；所述远程压力表和风压开关均与送风控制器连接，所述送风控制器与变频器连接，所述变频器与风机切换电路连接，所述风压开关与送风过滤器连接，所述送风过滤器与若干台风机连接，所述风机切换电路与若干台风机连接，所述若干台风机与若干个送风房间连接，所述若干个送风房间与远程压力表连接；本发明采用上述结构，解决安装、调试集成化、一备一用自动切换，风机属于机械式运动易磨损，交替工作可增加使用周期；同时利用变频的方式变恒定压力送风使送风稳定，比工频满负载运行降耗效果也较为显著，在当今国家能源紧张的情况下，具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明的方框图。
图2为本发明中送风控制器的方框图。
图3为本发明中压力表信号采样电路和开关量隔离输入电的电路原理图。
图4为本发明中DA输出转换电路的电路原理图。
图5为本发明中送风控制器的增量式数字PID算法控制流程图。
图6为为本发明中送风控制器的增量式数字PID控制示意图。
图中：1送风控制器、2远程压力表、3风压开关、4送风过滤器、 5变频器、6风机切换电路、7若干台风机、8若干个送风房间、9主控制器、10POWER电源电路、11压力表信号采样电路、12开关量隔离输入电路、13EEPROM存储电路、14触摸屏、15DA输出转换电路、 16变频器控制输出电路、17开关量无源输出电路、18电机控制组、 19实时时针电路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1-图5，一种智能恒压送风控制器装置，包括恒压送风系统，所述恒压送风系统包括送风控制器1、远程压力表2、风压开关 3、送风过滤器4、变频器5、风机切换电路6、若干台风机7和若干个送风房间8；所述远程压力表2和风压开关3均与送风控制器1连接，所述送风控制器1与变频器5连接，所述变频器5与风机切换电路6连接，所述风压开关3与送风过滤器4连接，所述送风过滤器4 与若干台风机7连接，所述风机切换电路6与若干台风机7连接，所述若干台风机7与若干个送风房间8连接，所述若干个送风房间8与远程压力表2连接。其中，在本实施例中，所述风机7为两台，所述远程压力表2位于用户管网端。
在该恒压送风系统中，安装于管网的远传压力表提供风管压信号，并经过光电隔离和电压转换电路，传送给系统的中心控制器，控制器将采集到的压力数据与预设压力比较，得出偏差值，再经过PID 运算之后得出控制参数，D/A模块将控制参数转换为模拟电压输出，调节变频器的输出频率，从而控制风机转速，以保证管网压办基本恒定。当需求送风量增大时，管网压力低于预设值，变频器频率就会升高，风机转速加快，从而提升管道压力，但若达到风机额定输出功率仍无法满足用户送风要求时，该风机自动转换成工频运行装态，并变频启动下一台风机；反之，当送风量减少，则降低风机运行频率直至设定的下限运行频率，若送风量仍大于需求用风量，则减小频率直至最小，经过一定的延时，控制器重新比较压力，并计算控制输出，从而维持恒压送风。同时，在本实施例中，该可以同时控制2台风机，根据不同的场合可以采用不同的运行模式，如单风机运行、一用一补、一工一变、定时换风机等。
具体的，所述送风控制器1包括主控制器9、POWER电源电路10、压力表信号采样电路11、开关量隔离输入电路12、EEPROM存储电路 13、触摸屏14、DA输出转换电路15、变频器控制输出电路16、开关量无源输出电路17、电机控制组18和实时时针电路19；所述POWER 电源电路10和实时时针电路19均与主控制器9连接，所述远程压力表2通过压力表信号采样电路11与主控制器9连接，所述开关量隔离输入电路12与主控制器9连接，所述主控制器9分别与EEPROM存储电路13和触摸屏14相互连接，所述主控制器9通过DA输出转换电路15与变频器控制输出电路16连接，所述主控制器9通过开关量无源输出电路17与电机控制组18连接。
在本实施例中，上述送风控制器1的硬件和软件采用模块化、标准化设计。控制器主要由主板、触摸屏和电源三部分组成。原理是：通过触摸屏设定预设压力和控制器运行的各个参数，保存到EEPROM 以做掉电存储，位于用户管网端的远传压力表输出的电压或都电流信号经采样电路输化为数字量，送入MCU与预设压力比较，计算并输出模拟控制量和断电器输出状态量。其中，模拟控制量输出经过变频器控制模块电路送给变频器，用以控制变频器的输出频率；继电器输出状态量经过继电器输出电路送给继电器组，用以控制各个风机工作于工频或是变频状态。最后MCU把实际压力值、预设压力值、输出频率和各个风机的工作状态送到显示面板，以便用户进行观测和操作。
具体的，所述主控制器9采用C8051F410单片机，它是一款完全集成的混合信号片上系统型芯片，其内部集成12Bit高速ADC，和电流输出型DAC模块，同时硬件实现的SMBus和UART串行接口，能方便处理器与EEPROM通信和数据串行通出，它还支持JTAG实时仿真和跟踪，不占用片内资源全速在系统调试，方便用户开发程序。
具体的，所述POWER电源电路10采用TOP221Y三端稳压芯片的高精度开关稳压电源电路，主电路拓扑结构选用单端反激式直流变换电路，其输出采用两组直流低压电源，主回路为系统的数字电部分提供5V直流电源，副回路为系统的模拟部分提供15V直流电源。
具体的，所述压力表信号采样电路11和开关量隔离输入电路12 均设于各个送风房间8内，由送风压力传感器监测到的压力信号经过光电隔离电路进行滤波和隔离处理后，进入MUC的ADC模块，实现比例转换，转换结果为12Bit的数字量，以供MCU对其信号进行处理和计算。为了保证输入量与转换量程相称，充分发挥A/D转换器的分辩率，在对压力信号进行A/D转换之前经过光电隔离电路时，就已将外部传入的0-5V模拟电压转换为0-2V模拟电压。
参照图3，外部电压信号从IN端口接入，经过隔离和滤波电路，转换为0-2V电压，从ADC端口送入MCU，同时在模拟信号采集到MCU 系统的过程中，各种干扰信号都会随着被测量信号进入MCU控制系统，这些信号迭加在有用的被测信号上会降低测量的准确度，造成控制系统的不稳定。以上电路设计便利用线性光耦进行光电之间的相互转换，利用光作为媒介进行信号传输,在电气上使测量系统与现场信号完全隔离,从而实现了电平线性转换且不把现场的电噪声干扰引入到控制系统中。
具体的，变频器控制输出电路16MCU通过内部的电流输出型数/ 模转换模块，将计算得出的数字量转化为模拟电压输出，其输出电压经过滤波和比例转换处理后用来控制变频器的频率。同时为了保证 MCU的DAC输出电压稳定可靠，不受干扰，外部电路同样采用了光电隔电路。
具体的，所述EEPROM存储电路13采用ATMEL公司的AT24C02集成芯片，体积小，性能优，使用灵活方便，能够在系统掉电之存储数据，以便重新启动机器后读取。处理器自身集成SMBus兼容IIC接口，可以直接与AT24C02通信，此方案设计简单，工作可靠，成本低廉。
具体的，开关量无源输出电路17，电路主要通过74HC574锁存器以免状态被干扰，然后经光电隔离输出驱动继电器，以控制风机电机的工作状态和动作。
运行过程
该控制器中对变频器输出频率的调节采PID控制算法，其控制算法就是对偏差的比列、积分和微分。它是连续系统中技术成熟，应用最广泛的一种算法，特别是在工业控制中，因为控制对象的精确数学模型很建立，系统参数又经常发生变化，因此采用PID控制。
PID控制示意图见说明书附图。
在计算机中要把数据离散化数学表达式为：
其中：KP,KI和KD分别为比例系数、积分系数和微分系数；为误差。
式中离散化后可以用计算机很方便地实现，其位置式PID控制规律的数学表达式为：
式中e(j)为第j次采样的误差值；T为采样周期。
在实际应用中，一般选择增量式PID控制规律。因为增型算法与位置型算法相比，前者不需要做累加，不易产生大的累加误差，而且得出的是控制量的增量，误动作的影响比较小，更易于实现手动到自动的无冲击切换，增量式数字PID控制算式为：
参照图5，在该控制器中，执行机构采用变频器和风机，由于采用增量式数字PID控制算法，所以对于每个采样周期，控制器输出的控制量都对于上次的增加量。该图为增量式数字PID算法在整个系统中的控制流程，每次进入AD定时采集中断，压力信号便会被转化为数字量，PID控制模块便将压力信号的数字量通过算法处理得出相应的控制输出数字量，接着启动DA将数字量转换为模拟电压输出，其模拟电压输出用以控制变频器，些模块配合断电器开关输出模块和压力采集模块，通过相应的控制实现实时测量和控制，保持送风压力动态平衡。为了方便现场调试，在设计中使PID调整上升、下降和跟踪采样周期的设定值可变，可以在开机时通过触摸屏改变值，从而改变 PID参数，以适应不同场合的控制需要。
综上所述，该智能恒压送风控制器装置，通过加入PID控缈系统的响应性能有了较大的提高、控制器采样和控制精度，而且有多种保护和抗干扰功能，保证了控制器的稳定性和安全性。使用恒压送风系统，使送风量质量提高、如排风突然变化，送风量随之变化，房间里无明显的风压突变感。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种智能恒压送风控制器装置，包括恒压送风系统，其特征在于，所述恒压送风系统包括送风控制器（1）、远程压力表（2）、风压开关（3）、送风过滤器（4）、变频器（5）、风机切换电路（6）、若干台风机（7）和若干个送风房间（8）；所述远程压力表（2）和风压开关（3）均与送风控制器（1）连接，所述送风控制器（1）与变频器（5）连接，所述变频器（5）与风机切换电路（6）连接，所述风压开关（3）与送风过滤器（4）连接，所述送风过滤器（4）与若干台风机（7）连接，所述风机切换电路（6）与若干台风机（7）连接，所述若干台风机（7）与若干个送风房间（8）连接，所述若干个送风房间（8）与远程压力表（2）连接。
2.根据权利要求1所述的一种智能恒压送风控制器装置，其特征在于，所述送风控制器（1）包括主控制器（9）、POWER电源电路（10）、压力表信号采样电路（11）、开关量隔离输入电路（12）、EEPROM存储电路（13）、触摸屏（14）、DA输出转换电路（15）、变频器控制输出电路（16）、开关量无源输出电路（17）、电机控制组（18）和实时时针电路（19）；所述POWER电源电路（10）和实时时针电路（19）均与主控制器（9）连接，所述远程压力表（2）通过压力表信号采样电路（11）与主控制器（9）连接，所述开关量隔离输入电路（12）与主控制器（9）连接，所述主控制器（9）分别与EEPROM存储电路（13）和触摸屏（14）相互连接，所述主控制器（9）通过DA输出转换电路（15）与变频器控制输出电路（16）连接，所述主控制器（9）通过开关量无源输出电路（17）与电机控制组（18）连接。
3.根据权利要求1所述的一种智能恒压送风控制器装置，其特征在于，所述风机（7）为两台。
4.根据权利要求1所述的一种智能恒压送风控制器装置，其特征在于，所述远程压力表（2）位于用户管网端。
5.根据权利要求2所述的一种智能恒压送风控制器装置，其特征在于，所述主控制器（9）采用C8051F410单片机。
6.根据权利要求2所述的一种智能恒压送风控制器装置，其特征在于，所述POWER电源电路（10）采用TOP221Y三端稳压芯片的高精度开关稳压电源电路。
7.根据权利要求2所述的一种智能恒压送风控制器装置，其特征在于，所述压力表信号采样电路（11）和开关量隔离输入电路（12）均设于各个送风房间（8）内。
8.根据权利要求2所述的一种智能恒压送风控制器装置，其特征在于，所述EEPROM存储电路（13）采用AT24C02集成芯片。
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