介紹了一套新型溫濕度自動(dòng)控制系統的原理、系統組成及軟硬件設計。
1.引言
溫濕度集散控制技術(shù)是最常見(jiàn)也最為廣泛應用的一門(mén)實(shí)用技術(shù),這種技術(shù)利用溫濕度傳感器采集信號,然后將模擬信號進(jìn)行A/D變換,傳送給控制器進(jìn)行處理、運算,最后將運算結果上傳給中心計算機并控制驅動(dòng)設備進(jìn)行自動(dòng)控溫控濕,以達到最終控溫控濕精度的要求。目前,由于我國經(jīng)濟基礎薄弱,在控溫控濕方面投入較少,因而采用進(jìn)口高檔控制系統有困難,由此,開(kāi)發(fā)一套新型實(shí)用的溫濕度控制系統,將具有推廣價(jià)值。
本人設計了一套倉庫溫濕度集散控制系統,它運用了單片機技術(shù)和大量的先進(jìn)工藝和芯片,具有造價(jià)低、性能穩定、控制精度高等特點(diǎn),可獨立控制也可聯(lián)網(wǎng)運行,若配合PC機使用將成為一套集數據采集、控制和存儲為一體的高性能的控制系統。它可嵌套目前較流行的高中低三種控制算法,即脈寬調制、比例積分微分調節和模糊算法,以適應不同環(huán)境和控制精度的要求。其中,模糊算法用于一些小型的、要求比較高、變量較多的空調房間,必要時(shí)還可增加幾種輔助傳感器,此處不再詳述。
一九九八年,應某軍用藥材倉庫的要求,為其設計制造安裝了這樣一套完整的溫濕度集散控制系統,本文將根據這一實(shí)例對該系統的控制原理和系統組成進(jìn)行詳細的介紹。
2系統的組成和工作原理
2.1總體框圖
圖1所示是該系統的總體框圖。設計時(shí)考慮到經(jīng)費和控制精度等多種因素,減少了監測控制點(diǎn)數,在網(wǎng)絡(luò )接口上采用RS-422總線(xiàn)結構,有利于日后增加監控點(diǎn)。在測控點(diǎn)分布上,設計時(shí)考慮到在封閉/半封閉庫房空間內,若隨機各點(diǎn)的溫濕度最大差值不超過(guò)2%,即可完全滿(mǎn)足測控精度的要求。因此,需在每500平方米、高6米的庫房范圍內的中心點(diǎn)放置一枚溫濕度探頭。降溫除濕設備的選擇可根據庫容大小選定,原則上與庫房?jì)鹊臏貪穸忍筋^數量、面積大小匹配。一般地,每1500平方米、高6米的庫房?jì)冗x用一臺50千瓦冷凍空調機組進(jìn)行降溫除濕(可在半小時(shí)內降溫除濕30%),即可嚴格控制庫房?jì)鹊臏貪穸仍谝幎ǚ秶畠取?/p>
系統的整個(gè)控制功能核心是由前臺控制器完成的,其系統的控制框圖如圖2所示,整個(gè)系統基本上是控制時(shí)間、溫度、濕度的閉環(huán)系統。
2.2傳感器
本系統的傳感器采用了菲利浦和DALLAS公司的DS1820半導體溫濕度傳感器。DS18B20是一種采用I2C總線(xiàn)結構的半導體溫度傳感器,該傳感器傳送的是數字信號,在-55~125℃內測量誤差為0.25℃,完全可滿(mǎn)足一個(gè)倉庫控溫精度的要求,其不加驅動(dòng),可傳送距離為100米,與目前常用的pt電阻和熱敏電阻相比,具有價(jià)格低、一致性好、可互換、使用簡(jiǎn)單、無(wú)需進(jìn)行信號放大和線(xiàn)性化校正等優(yōu)點(diǎn)。DS18B20與MCS51的接口見(jiàn)圖3。
濕度探頭采用菲利浦高分子濕敏膜,信號經(jīng)放大輸出為0~10mA電流。
2.3 前臺控制器
前臺控制器是整套系統的核心,因此要考慮到它的穩定性、可靠性和維護的方便性。我們都知道,一個(gè)系統的穩定性和可靠性是各個(gè)小系統的穩定性決定的,在一個(gè)串級的系統中,隨著(zhù)串級元素增加,系統出錯概率就越大。即:
P(A)=P(A1,A2,A3)=P(A1)P(A2)P(A3)
因此,目前國外控制器多采用DSP和I2C器件,以減少系統的器件數量和體積;但由于DSP器件開(kāi)發(fā)費用比較昂貴,所以在這種通用型、低造價(jià)的系統中運用這種器件是得不償失的。但若運用一些低價(jià)格的I2C或SPI總線(xiàn)器件,卻可節約MPU寶貴的口線(xiàn),省去擴展I/O口電路,減少PCB板體積,降低出錯率。因此,在設計時(shí)本人大量運用了SPI總線(xiàn)接口芯片,如XICOR公司的X25045、力源公司的PS7219和TI公司的TLC1543。
其中,X25045是定時(shí)器看門(mén)狗電路。該芯片具有可編程定時(shí)器和4096BIT的E2PROM,采用SPI總線(xiàn)結構,其中SI(串行數據輸入)、SO(串行數據輸出)、CLK(串行脈沖)可與其它信號混用。定時(shí)器看門(mén)狗的作用是保證在設定的時(shí)間內,若系統程序走死,不能定時(shí)訪(fǎng)問(wèn)X25045的/CS片選,X25045將能把MPU和系統進(jìn)行復位。X25045與MCS51的接口如圖4所示。
其次,為了便于維護和提高通訊可靠性,我們在RS-422通信電路上采用了TI公司的75LSB184,采用屏蔽雙絞線(xiàn)連接,有效提高傳輸質(zhì)量。由于該芯片具有防雷擊功能,并具有過(guò)流保護,可帶電插撥,即我們通常所說(shuō)的熱插撥,方便了控制器的更換。
接著(zhù),為了減少數碼顯示驅動(dòng)電路,降低成本,在顯示上采用了武漢力源公司的PS7219芯片,該芯片的控制芯片使用簡(jiǎn)單、功能多樣化、多級灰度調節、外圍電路精簡(jiǎn)可靠、譯碼與功率驅動(dòng)于一體。它具有采用簡(jiǎn)單的三線(xiàn)SPI接口、內部自帶時(shí)鐘電路、無(wú)需任何外圍元件、顯示功能多樣化等特點(diǎn)。每片PS7219最多可同時(shí)驅動(dòng)8位8段共陰級LED。當使用多于8位LED時(shí),只需將N片級聯(lián),便可輕松實(shí)現N×8位LED顯示。
最后,該控制器還采用了DS12887時(shí)鐘芯片,該芯片即為MC146818自帶電池晶振的替換型號,其使用方法完全相同,還有TI公司的TLC1543串行10通道10位AD,此處不再詳細介紹??傊?,該系統可分為AD轉換、數據處理、顯示鍵盤(pán)、多機通信、輸入輸出控制五個(gè)模塊。
2.4后臺計算機
計算機作為存儲歷史數據,實(shí)時(shí)顯示當前系統狀態(tài)圖形、參數的后臺設備,還要能滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )工作站的要求,能24小時(shí)不間斷工作。因此,設計時(shí)選用了臺灣研華586工控機,P166CPU,32M內存、4.3G硬盤(pán)和一塊D-LINK10M-100M自適應網(wǎng)卡。
2.5驅動(dòng)器
由于該庫房采用了2臺50千瓦冷凍空調機機組進(jìn)行庫房的降溫除濕,因此,其驅動(dòng)不能用控制口直接驅動(dòng),中間要經(jīng)過(guò)可控硅,中間交流接觸器,過(guò)流保護器和斷相保護器,才能控制空調機組,此處不詳細介紹整個(gè)強電驅動(dòng)電路,僅介紹其中帶過(guò)零觸發(fā)的雙向晶閘管觸發(fā)電路,電路見(jiàn)圖4?!?/p>
由于該庫房采用了2臺50千瓦冷凍空調機機組進(jìn)行庫房的降溫除濕,因此,其驅動(dòng)不能用控制口直接驅動(dòng),中間要經(jīng)過(guò)可控硅,中間交流MOC3081的輸出端額定電壓是600V,最大重復浪涌電流為1A,輸出輸入隔離電壓大于7500V,輸入控制電流為15mA。由圖6可見(jiàn),當MOC3081的輸入端有15mA的電流時(shí),在MOC3081輸出端6、4腳之間的電壓稍過(guò)零時(shí),內部雙向晶閘管導通,觸發(fā)外部雙向晶閘管KS導通。當MOC3081的輸入端為高電平時(shí) ,也有500μA的電流,加入R3可以消除這個(gè)電流對外部雙向晶閘管的影響。R1是MOC3061的限流電阻,用于限制流經(jīng)MOC3061輸出端的電流不超過(guò)1A。MOC3081過(guò)零檢測的電壓值為20V,所以,R1取稍大于20Ω。如果負載是感性負載,這時(shí)流經(jīng)MOC3081輸出端的電流會(huì )增加,所以R1還需要加大。當負載的功率因素小于0.5時(shí),R1取最大值。最大值由下式計算:
取300Ω。在其它情況下可以取27Ω~330Ω。當R1取的較大時(shí),對最小觸發(fā)電壓會(huì )有影響。最小觸發(fā)電壓VT由下式計算:
其中,IGT為晶閘管KS門(mén)極觸發(fā)電流;VGT為晶閘管KS門(mén)極觸發(fā)電壓;VTM為MOC3081輸出晶閘管的導通壓降,一般取約等于3V。
與雙向晶閘管KS并聯(lián)的RC回路用于降低雙向晶閘管所受的沖擊電壓,保護KS及MOC3081。
3系統的應用軟件
3.1控制算法
在一套控制系統中,選擇有效的控制算法并建立正確的數學(xué)模型,決定著(zhù)系統的穩定性和控制精度。因此,經(jīng)過(guò)大量的論證,對上 述藥材倉庫提出的,保證庫房溫濕度嚴格控制在溫度低于30℃,相對濕度低于70%的要求,選擇了以下兩種控制模式:
第一種控制模式:當庫內相對濕度高于70%時(shí)進(jìn)行庫內庫外通風(fēng)。這種方式是利用庫內外濕度差進(jìn)行空氣的交換,以達到庫內降溫除濕的要求。它的優(yōu)點(diǎn)是高效、節能、減少了電力消耗、節省資金。但這種方式受到嚴格的限制。首先,庫外的相對濕度要低于庫內的,它們之間的差要大于5%,這樣才能有效保證及時(shí)地進(jìn)行庫內的除濕。其次,庫內庫外的溫差要小于2℃,這是因為,如果在庫外溫度遠高于庫內溫度時(shí)進(jìn)行通風(fēng),熱空氣進(jìn)入庫區后遇上冷空氣就會(huì )造成藥品、器材表面結露的現象,反而會(huì )影響藥品和器材的質(zhì)量。反之,如果在庫內溫度遠高于庫外溫度時(shí)進(jìn)行通風(fēng),冷空氣進(jìn)入庫內后也會(huì )在藥品器材表面結露。最后,庫外溫度不能超過(guò)28℃。這是因為,如果庫外溫度超過(guò)28℃時(shí)進(jìn)行通風(fēng),很可能將密閉的庫溫升高,從而超過(guò)溫度上限30℃。
第二種控制模式:當溫度高于30℃或濕度高于70%但不滿(mǎn)足第一種情況時(shí),只有打開(kāi)壓縮機進(jìn)行庫內降溫除濕。
在控制算法上,控制精度要求在一個(gè)區域內(如圖5所示),因此選擇了一個(gè)相對較簡(jiǎn)單的控制算法即脈寬調制。脈寬調制是將檢測的值與閥值相比較,之間的差距越大,脈沖的寬度就越長(cháng),而脈沖的寬度就是驅動(dòng)設備的工作時(shí)間。但由于壓縮機不能頻繁地啟動(dòng),一般啟動(dòng)間隔為30分鐘,這時(shí)就出現了矛盾,如果控制曲線(xiàn)出現震蕩,溫濕度頻繁超標,而讓壓縮機頻繁啟動(dòng),將會(huì )損壞設備。而如果讓壓縮機每次工作很長(cháng)時(shí)間,令庫內溫濕度降得很低,使壓縮機不會(huì )頻繁啟動(dòng),又不利于節能。因此,從保護設備的角度出發(fā),同時(shí)又不至于讓壓縮機每次工作過(guò)長(cháng)時(shí)間,這里加入了自適應算法,這種算法能自動(dòng)記錄不同時(shí)期庫內溫濕度的上升曲線(xiàn),計算出壓縮機每次須工作多長(cháng)時(shí)間,使壓縮機既不會(huì )頻繁啟動(dòng),控制曲線(xiàn)振蕩又最小,從而達到節能的目的。具體程序清單就不一一列出了。
3.2前臺控制器主程序框圖
前臺控制器主要完成溫濕度數據采集,運算處理顯示與驅動(dòng)相應設備,與PC機交換數據等功能,其程序框圖見(jiàn)圖6、圖7。
主程序框圖如圖6所示。
3.3PC機程序
PC程序采用VB程序,可顯示當前各監控點(diǎn)數據,并動(dòng)態(tài)顯示當前各設備工作狀態(tài)。如風(fēng)機是否在轉動(dòng),風(fēng)門(mén)是否在打開(kāi)等。該程序工作在WINOOWs95平臺上,處理事件響應為打印報表顯示、設備狀態(tài)、溫度濕度、上傳下傳數據、定時(shí)存儲等。
4系統運行結果
該系統自開(kāi)發(fā)成功以來(lái)已正常運行近兩年,有效地對某軍用藥材倉庫2400平方米密閉藥品倉庫的溫濕度實(shí)施24小時(shí)不間斷智能化監控,改善了藥材存儲環(huán)境,有效地減少了因環(huán)境因素造成的藥材霉變、結塊、潮解等損失,極大地降低了藥材的存儲損耗。減輕了保管人員的勞動(dòng)強度,提高了后方倉庫藥材保障能力。該系統使該倉庫的溫濕度始終保持在三七線(xiàn)(即溫度低于30度、濕度低于70%)以?xún)取?/p>
5結束語(yǔ)
該系統設計集溫濕度信號采集處理計算機軟硬件、調溫調濕技術(shù)于一體,實(shí)現了庫房溫濕度的遠距離監測控制和定點(diǎn)報警,使溫濕度調控更趨科學(xué),從而為藥材儲備提供了一個(gè)良好的環(huán)境。該項目已獲得軍隊科技進(jìn)步獎,在全軍后勤倉庫進(jìn)行推廣應用?! ≡撓到y不僅應用于倉庫控制系統,它還先后被應用于江蘇省農科所300平方米的13間小型人工氣候溫房控制和南京土壤研究所的人工氣候箱等多個(gè)項目,都取得了良好的效果。實(shí)踐證明該系統具有投資少,能耗低,操作簡(jiǎn)單,使用安全方便等特點(diǎn),可以大規模推廣使用。