CN200969052Y - 中央空调环境监控节能装置 - Google Patents

Abstract

中央空调环境监控节能装置，包含带有电源的控制电路，控制电路设有连接中央空调检测点温度传感器的温度输入接口、控制变频器输出接口和变频器反馈输入接口，该控制电路包含单片机，温度输入接口输入的温度传感信号输入单片机；单片机输出的变频器控制信号输到控制变频器输出接口，变频器反馈输入接口输入的变频器反馈信号输入到单片机。本实用新型由于采用单片机控制电路，能够实现对各传感器信号的分析处理，根据设定值产生反馈控制信号，使各个变频器按控制软件中的节能控制算法，将中央空调系统中的冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔风机工作在最佳节能状态，实现变流量、变风量的工作方式，达到节能、改善控制效果、提高设备使用寿命的目的。

Description

中央空调环境监控节能装置

技术领域：

本实用新型涉及一种中央空调的环境监控节能装置。

背景技术：

中央空调通常包括空调主机、冷冻水系统、冷却水系统和冷却塔风机系统等，由于设计时，中央空调必须按天气最热、负荷最大的情况设计，再乘以0～20％的安全系数，而实际上，绝大部分时间，空调是不会运行在满负荷状态下，据相关部门统计，中央空调系统有90％的时间是运行于75％负荷以下的。目前的情况是：大多数中央空调系统都采用定流量、定风量系统，即只要启动空调主机，冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机等都在50Hz工频状态下运行，往往出现风量、水量过大的情况，造成能量的浪费。可见，目前的中央空调系统存在较大的富余，所以节能的潜力较大。中国实用新型专利CN2331900Y公开了一种空调水泵变频节能控制装置，其在冷冻水进、出口和冷却水进、出口分别设置温度传感器，利用冷冻水进、出口和冷却水进、出口的温差值与设定温差值进行比较，来控制水泵的运行频率。这种结构可以根据情况调整水泵电机的转速，起到一定的节能作用，但是，中央空调的运行情况，其影响因素是多方面的，空调系统是一个非线性、时变性强的系统，简单的温差调节不能达到良好的效果。

实用新型内容：

本实用新型的目的就是提供一种中央空调环境监控节能装置，通过对中央空调各部分的有效检测与控制，达到节能、改善控制效果、提高设备使用寿命的目的。

为实现上述目的，本实用新型中央空调环境监控节能装置，包含带有电源的控制电路，控制电路设有至少一路连接中央空调检测点温度传感器的温度输入接口，至少一路控制变频器输出接口，所述控制电路还设有至少一路变频器反馈输入接口，该控制电路包含单片机，控制电路至少一路温度输入接口输入的温度传感信号分别输入单片机；控制电路至少一路控制变频器输出接口，其每一路控制变频器输出接口包括一路连接相应变频器状态控制端子的控制变频器状态输出接口和一路连接相应变频器转速控制端子的控制变频器转速输出接口，单片机输出至单片机数据总线的变频器状态控制信号依次经单片机分时选通的数据锁存、光耦隔离、继电器，输到至少一路控制变频器状态输出接口，单片机输出至单片机数据总线的变频器转速控制信号依次经单片机分时选通的D/A数模转换、电压/电流转换，输到至少一路控制变频器转速输出接口；控制电路至少一路变频器反馈输入接口，其每一路变频器反馈输入接口包括一路连接相应变频器状态输出端子的变频器状态反馈输入接口和一路连接变频器转速输出端子的变频器转速反馈输入接口，至少一路变频器状态反馈输入接口输入的变频器状态反馈信号依次经阻容滤波、光耦隔离、单片机分时选通的数据锁存，输入到单片机的数据总线，至少一路变频器转速反馈输入接口输入的变频器转速反馈信号依次经阻容滤波、单片机分时选通的A/D模数转换，输入到单片机的数据总线；所述电源输出光耦隔离输入电路和输出电路所需的彼此独立直流电源。

作为本实用新型的进一步改进，所述控制电路还设有至少一路连接中央空调检测点压力传感器的压力输入接口，该至少一路压力输入接口输入的压力传感信号输入单片机。

作为本实用新型的更进一步改进，控制电路设有连接键盘的键盘输入接口，设有汉字显示模块；控制电路连接为单片机提供时钟信号的时钟电路，连接为单片机读取IC卡信息的IC卡电路。

作为本实用新型的再进一步改进，控制电路设有RS232通讯接口和RS485通讯接口，通过通讯接口，本实用新型可以与监控终端连接，而监控终端可以设有网络接口，通过网络接口，本实用新型可以与远程监控设备进行通信，向远程监控设备提供数据信息以供分析，或者从远程监控设备接收控制参数。

在一个优选实施方案中，上述控制电路的至少一路温度输入接口设有五路，分别与中央空调冷冻水进水口和出水口、冷却水进水口和出水口以及室外检测点的温度传感器相连接。上述控制电路的至少一路控制变频器状态输出接口、至少一路控制变频器转速输出接口、至少一路变频器状态反馈输入接口、至少一路变频器转速反馈输入接口均设有十六路，分别与中央空调的六路冷冻水泵、六路冷却水泵、四路冷却塔风机的相应变频器状态控制端子、变频器转速控制端子、变频器状态输出端子、变频器转速输出端子相连接。上述控制电路的至少一路压力输入接口设有四路，分别与中央空调冷冻水进水口和出水口、冷却水进水口和出水口检测点的压力传感器相连接。

本实用新型由于采用单片机控制电路，通过编制控制软件，能够实现对各传感器信号的分析处理，根据设定值产生反馈控制信号，分别控制中央空调系统中的冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔风机的变频器工作，使之按控制软件中的节能控制算法，将冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔风机工作在最佳节能状态，实现变流量、变风量的工作方式，以此达到节能降耗，延长设备使用寿命的目的。

附图说明：

图1是本实用新型实施例的系统结构示意图；

图2是本实用新型实施例数字温度传感信号输入电路结构框图；

图3是本实用新型实施例变频器状态控制信号输出电路结构框图；

图4是本实用新型实施例变频器转速控制信号输出电路结构框图；

图5是本实用新型实施例变频器状态反馈信号输入电路结构框图；

图6是本实用新型实施例变频器转速反馈信号输入电路结构框图；

图7是本实用新型实施例键盘数据信号输入电路结构框图；

图8是本实用新型实施例显示数据信号输出电路结构框图；

图9是本实用新型实施例输出口扩展电路原理图；

具体实施方式：

以下结合附图详述本实用新型实施例的结构细节：

如图1所示，为实施例的系统结构示意图，包含带有电源的控制电路，该控制电路设有五路温度输入接口，分别连接中央空调温度检测点的温度传感器，中央空调温度检测点设置在冷冻水进水口和出水口、冷却水进水口和出水口以及室外。控制电路还设有十六路控制变频器输出接口和十六路变频器反馈输入接口，十六路变频器，指中央空调的六路冷冻水泵、六路冷却水泵、四路冷却塔风机的变频器。十六路控制变频器输出接口，其每一路包括一路控制变频器状态输出接口和一路控制变频器转速输出接口，每一路控制变频器状态输出接口连接相应变频器状态控制端子，每一路控制变频器转速输出接口连接相应变频器转速控制端子；十六路变频器反馈输入接口，其每一路包括一路变频器状态反馈输入接口和一路变频器转速反馈输入接口，每一路变频器状态反馈输入接口连接相应变频器状态输出端子，每一路变频器转速反馈输入接口连接相应变频器转速输出端子。

控制电路包含单片机，如图2所示，为实施例数字温度传感信号输入电路结构框图，本实施例的温度传感器选用美国公司的数字温度计DS18B20，五只数字温度计DS18B20输出的数字温度信号，分别经控制电路的五路温度输入接口输入八路开关，八路开关经单片机分时选通，分时将一路数字温度信号输入单片机的一条输入/输出I/O口线。采用单片机分时选通的八路开关，使单片机软件无需考虑数字温度计DS18B20的机身码，方便数字温度计的更换。单片机根据检测的冷冻水及冷却水进、出水口的温度差，由编制的控制软件控制变频器运行，达到最佳节能控制，根据环境温度可修正软件算法的最大功率点、最小功率点，以满足不同季节以及一天不同时段的节能要求。

控制电路还可以设有四路压力输入接口，分别连接中央空调水压检测点的压力传感器，中央空调水压检测点设置在冷冻水进水口和出水口、冷却水进水口和出水口。四只压力传感器输出的压力传感信号，分别经四路压力输入接口输入单片机。

如图3所示，为实施例变频器状态控制信号输出电路结构框图，单片机输出的变频器状态控制信号经单片机数据总线送至数据锁存器，经单片机控制分时送至对应光耦隔离，经放大驱动对应继电器，再由十六路控制变频器状态输出接口分别输出，控制十六路变频器的启动和停止。为提高可靠性，变频器状态控制信号的输出全部采用光耦隔离。

如图4所示，为实施例变频器转速控制信号输出电路结构框图，经单片机节能控制算法输出的变频器转速控制信号由单片机数据总线送至单片机分时选通的D/A数模转换，经每一路电压/电流转换，输出4-20毫安的直流电流信号，由十六路控制变频器转速输出接口分别输出，控制十六路变频器的转速，即运转的快慢。

如图5所示，为实施例变频器状态反馈信号输入电路结构框图，为提高可靠性，变频器状态反馈信号的输入全部采用光耦隔离。十六路变频器状态反馈输入接口输入的变频器状态反馈信号依次经阻容滤波、光耦隔离、单片机分时选通的数据锁存，输入到单片机的数据总线，十六路变频器状态反馈信号经单片机分时分二次读入。

如图6所示，为实施例变频器转速反馈信号输入电路结构框图，十六路变频器转速反馈输入接口输入的变频器转速反馈信号依次经阻容滤波、单片机分时选通的A/D模数转换，输入到单片机的数据总线，十六路变频器转速反馈信号由单片机分时分二次读入。十六路变频器转速反馈信号是变频器的运行频率信号，输入单片机后，该信号构成电机转数闭环控制系统并参与节能效果运算。

如图1所示，控制电路设有连接键盘的键盘输入接口，设有汉字显示模块。如图7所示，为实施例键盘数据信号输入电路结构框图，键盘输入接口输入的键盘数据经单片机分时选通的数据锁存输入至单片机的数据总线；如图8所示，为实施例显示数据信号输出电路结构框图，单片机输出至单片机数据总线的显示数据信号经单片机分时选通的数据锁存输入至汉字显示模块。本实施例的汉字显示模块采用汉字液晶显示，汉字液晶显示作为人机交互的界面，实现中央空调检测点的温度、温差显示，运行状态的显示、参数设定的显示等功能，本实施例采用带汉字字库的液晶显示模块，简化了设计电路。键盘输入实现显示屏的换屏，参数的设定等功能。

如图1所示，控制电路连接为单片机提供时钟信号的时钟电路，连接为单片机读取IC卡信息的IC卡电路。实事时钟电路为本实施例提供了一个准确的时钟，以便可以按每日不同时段，进行智能控制，如每日上班前的准备控制，同时作为节能计算的时间标准。IC卡电路作为用户确认以及用户帐户资金的充值，不是确认客户或客户资金不足，均不能实现节能运行模式。

如图1所示，控制电路设有通讯接口，包括RS232通讯接口和RS485通讯接口，RS232通讯接口经RS232接口芯片连接单片机的一个串口，RS485通讯接口经RS485接口芯片、光耦隔离，连接单片机的另一个串口。本实施例设有RS232通讯接口和RS485通讯接口，可以实现与上位机的通讯，同时与终端设备的通讯，还可以实现多机组网。

为隔离光耦隔离输入电路和输出电路的直流电源，本实施例的电源输出三路彼此独立的直流电源，分别是+5V、S+5V和S+12V。+5V是单片机电路的电源，S+5V是RS485通讯接口电路的电源，S+12V是变频器电路的电源。

为解决单片机的输入/输出I/O口线不足的问题，设有输出口扩展电路，本实施例的输出口扩展电路设置在单片机的输入/输出I/O口线和数据锁存、D/A数模转换、A/D模数转换、多路开关的电路选通端之间。如图9所示，单片机U1的输出口扩展电路由两片74LS138译码器U3、U4构成，其输出口线/CS1至/CS16分别和上述数据锁存、D/A数模转换、A/D模数转换、多路开关等电路的电路选通端连接。通过编制的软件，单片机分时选通相应的电路，实现数据信号传输的分时控制。

本实施例在实际工作时，通过单片机存储器内的控制软件，能够实现对各传感器信号的分析处理，根据设定值产生反馈控制信号，以分别控制空调的冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机系统的变频器工作，其状态和设定值可以在汉字液晶显示屏上观察和设置，如果连接有上位机数据分析中心，则还可定时记录相关数据，以便采用电脑程序自动分析或者人工分析干预，进一步提高节能效率。

本实用新型可实现对中央空调的整体控制，其各部分工作过程如下：

1.冷冻水环路：

根据冷冻环路特性先确定一个冷冻水最小运行频率，保证系统安全运行。当环境温度、空调负荷发生变化时，冷冻水供回水，即进、出水口温度传感器以及室外温度传感器将检测到的这些参数送至控制电路，控制电路依据所采集的实时数据及系统的历史运行数据，实时计算出空调负荷所需的制冷量，以及冷冻水供回水温度、温差的最佳值，拿这些值与目前运行参数进行比较，并以此调节变频器输出频率，控制冷冻水泵的转速，改变其流量，使冷冻水系统的供回水温度、温差和流量运行在控制电路给出的最优值。

2.冷却水环路：

根据冷却系统特性先确定一个冷却水泵最小运行频率、冷却水进水最高、最低温度，保证系统安全运行。当环境温度、空调负荷发生变化时，中央空调主机的负荷将随之变化，主机冷凝器的最佳冷凝温度也随之变化。控制电路依据所采集的实时数据及系统的历史运行数据，计算出主机冷凝器的最佳冷凝温度及冷却水最佳进水口温度，并以此温度与实际运行温度进行比较，进而调节冷却水泵变频器的输出频率，控制冷却水泵的运转，动态调节冷却水的流量，使冷却水的进水口温度逼近模糊控制软件给出的最优值，从而保证中央空调主机随时处于最佳转换效率下运行。由于冷却水系统采用最佳转换效率控制，保证了中央空调主机在满负荷和部份负荷的情况下，均处于最佳工作状态，始终保持最佳的能源利用率，从而降低空调主机的能量消耗，同时因冷却水泵经常在低于额定负荷下运行，也最大限度地节约了冷却水泵的能量消耗。

3.冷却塔风机控制系统：

根据冷却塔系统特性先确定一个风机最小运行频率，保证系统安全运行。当环境温度、空调负荷发生变化时，室外温度传感器和冷却水进水口温度传感器的温度传感信号送至冷却塔风机控制系统，该子系统根据所采集的实时数据以及历史数据，计算出符合主机工况需要的冷却水进水温度值，并以此调节变频器输出频率，控制风机转速，获得良好的节能效果。

同时，在与上位机连网的情况下，本实用新型除了可以实现全自动控制，定时开关机，空调主机，水泵，风机协调工作，还可以实现远程控制。此时，可以为空调系统建立数据库，通过远端的数据分析中心，分析实时数据与历史数据，不断完善和改进程序，并给出运行指导，使负荷模拟得更准确，节电效果更好。

本实用新型与现有技术相比具有下列优点：

1.由于本实用新型设置了室外温度传感器，一方面可以实现对风机系统的变频控制，实现节能，并提供更舒适的环境，另一方面，可以更有效地控制冷冻水泵和冷却水泵的运行，提高节能效果。

2.本实用新型在冷却水环路中，通过在冷却水进水口设置一个温度传感器，利用冷却水环路的特性和室外温度情况的历史数据以及空调主机的负荷情况，分析冷却水进水的最佳温度值，来控制调整冷却水泵的运行负荷，与采用单一温差法控制冷却水泵相比，效果更好。

3.本实用新型可以连接电脑终端，并通过电脑终端与网络连接，所以，可以实现远程控制。由此，可以实现由控制软件、监视软件和空调系统数据库组成功能强大的软件控制系统，并在程序运行中，不断完善其数据库系统，进而分析、修正运行参数，达到最优控制效果以及能量节省。

Claims (10)

1、中央空调环境监控节能装置，包含带有电源的控制电路，控制电路设有至少一路连接中央空调检测点温度传感器的温度输入接口，至少一路控制变频器输出接口，其特征在于：所述控制电路还设有至少一路变频器反馈输入接口，该控制电路包含单片机，控制电路至少一路温度输入接口输入的温度传感信号分别输入单片机；控制电路至少一路控制变频器输出接口，其每一路控制变频器输出接口包括一路连接相应变频器状态控制端子的控制变频器状态输出接口和一路连接相应变频器转速控制端子的控制变频器转速输出接口，单片机输出至单片机数据总线的变频器状态控制信号依次经单片机分时选通的数据锁存、光耦隔离、继电器，输到至少一路控制变频器状态输出接口，单片机输出至单片机数据总线的变频器转速控制信号依次经单片机分时选通的D/A数模转换、电压/电流转换，输到至少一路控制变频器转速输出接口；控制电路至少一路变频器反馈输入接口，其每一路变频器反馈输入接口包括一路连接相应变频器状态输出端子的变频器状态反馈输入接口和一路连接变频器转速输出端子的变频器转速反馈输入接口，至少一路变频器状态反馈输入接口输入的变频器状态反馈信号依次经阻容滤波、光耦隔离、单片机分时选通的数据锁存，输入到单片机的数据总线，至少一路变频器转速反馈输入接口输入的变频器转速反馈信号依次经阻容滤波、单片机分时选通的A/D模数转换，输入到单片机的数据总线；所述电源输出光耦隔离输入电路和输出电路所需的彼此独立直流电源。

2、根据权利要求1所述的节能装置，其特征在于：所述控制电路的至少一路温度输入接口经单片机分时选通的多路开关连接单片机的一条输入/输出I/O口线。

3、根据权利要求2所述的节能装置，其特征在于：所述控制电路的至少一路温度输入接口设有与中央空调冷冻水进水口和出水口、冷却水进水口和出水口以及室外检测点温度传感器相连接的五路。

4、根据权利要求1所述的节能装置，其特征在于：所述控制电路的至少一路控制变频器状态输出接口、至少一路控制变频器转速输出接口、至少一路变频器状态反馈输入接口、至少一路变频器转速反馈输入接口均设有与中央空调的六路冷冻水泵、六路冷却水泵、四路冷却塔风机的相应变频器状态控制端子、变频器转速控制端子、变频器状态输出端子、变频器转速输出端子相连接的十六路。

5、根据权利要求1所述的节能装置，其特征在于：所述控制电路设有连接键盘的键盘输入接口，键盘输入接口输入的键盘数据经单片机分时选通的数据锁存输入至单片机的数据总线；所述控制电路设有汉字显示模块，单片机输出至单片机数据总线的显示数据信号经单片机分时选通的数据锁存输入至汉字显示模块。

6、根据权利要求1所述的节能装置，其特征在于：所述控制电路连接为单片机提供时钟信号的时钟电路，连接为单片机读取IC卡信息的IC卡电路。

7、根据权利要求1所述的节能装置，其特征在于：所述控制电路设有RS232通讯接口和RS485通讯接口，RS232通讯接口经RS232接口芯片连接单片机的一个串口，RS485通讯接口经RS485接口芯片、光耦隔离，连接单片机的另一个串口。

8、根据权利要求1所述的节能装置，其特征在于：所述控制电路设有至少一路连接中央空调检测点压力传感器的压力输入接口，该至少一路压力输入接口输入的压力传感信号分别输入单片机。

9、根据权利要求8所述的节能装置，其特征在于：所述控制电路的至少一路压力输入接口设有与中央空调冷冻水进水口和出水口、冷却水进水口和出水口检测点压力传感器相连接的四路。

10、根据权利要求1至9任一项所述的节能装置，其特征在于：所述单片机的输入/输出I/O口线接有输出口扩展电路，该输出口扩展电路的输出口线和数据锁存、D/A数模转换、A/D模数转换、多路开关的电路选通端连接。

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