基于PLC和UT55A的空調(diào)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)

鄒偉，邵偉恒，吳上泉

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610)

基于PLC和UT55A的空調(diào)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)

鄒偉，邵偉恒，吳上泉

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610)

針對(duì)傳統(tǒng)的空調(diào)性能測(cè)試系統(tǒng)(焓差室)測(cè)試變量多樣性、編程的繁瑣性、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控的不便性及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性等問(wèn)題，提出了基于PLC和UT55A的空調(diào)性能測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)以LabVIEW為管理控制中心，以PLC作為輔助管理控制器，用MX100和WT330作為數(shù)據(jù)采集器，同時(shí)采用UT55A對(duì)室內(nèi)室外溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)控制。通過(guò)典型的三層網(wǎng)絡(luò)將所有設(shè)備有機(jī)結(jié)合到一起，完成了集中管理與分散控制的功能。系統(tǒng)在滿足GB/T 7725的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了集中高效的變量管控，友好直觀的界面操作，快速穩(wěn)定的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程的系統(tǒng)監(jiān)控等目的。

空調(diào)；焓差室；LabVIEW；UT55A；PLC

0 引 言

GB/T 7725-2004對(duì)房間型空氣調(diào)節(jié)器的測(cè)試給出兩種方法：即空氣焓差法和房間型量熱計(jì)法[1-3]。由于焓差法投資小、反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，焓差法逐漸成為空調(diào)性能測(cè)試的主流方法。

隨著近年來(lái)自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)融合的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成為了空調(diào)器性能檢測(cè)行業(yè)追求的新目標(biāo)[4]。

目前，對(duì)焓差法空調(diào)性能測(cè)試的研究中：吳姮、胡卓煥等人[5]采用VB開(kāi)發(fā)工具，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的編程實(shí)現(xiàn)了測(cè)試平臺(tái)的研究與設(shè)計(jì)，但是系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，不能針對(duì)性設(shè)計(jì)。陳進(jìn)、劉仕杰等[6]提出了基于力控的焓差室空調(diào)性能測(cè)試檢測(cè)系統(tǒng)，其監(jiān)控界面用按鈕替代風(fēng)機(jī)、加熱加濕器等實(shí)物不夠直觀。王玉葉[7]設(shè)計(jì)的中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)，在采集的信息方面，對(duì)于復(fù)雜的空調(diào)性能測(cè)試要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。為了改善空調(diào)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)監(jiān)控性能，解決系統(tǒng)變量多樣性、編程的繁瑣性、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控的不便性及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性等問(wèn)題，提出了基于PLC和UT55A的空調(diào)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)通過(guò)三層網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，將LabVIEW，可編程控制器PLC，智能儀表UT55A，數(shù)據(jù)采集器MX100和功率計(jì)WT330等測(cè)量測(cè)試監(jiān)控部件有機(jī)的結(jié)合到一起，實(shí)現(xiàn)了集中高效的變量管控，友好直觀的界面操作，快速穩(wěn)定的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程的系統(tǒng)監(jiān)控等目的。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)性能的好壞是確?？照{(diào)器檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。為了確保焓差室溫濕度管理系統(tǒng)高效、安全、可靠運(yùn)行，本文采用三級(jí)計(jì)算機(jī)管控網(wǎng)絡(luò)[8-9]，包括PC機(jī)管理網(wǎng)絡(luò)，PLC控制網(wǎng)絡(luò)和UT55A采集控制網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)三層網(wǎng)絡(luò)的合理配置，可以更加容易實(shí)現(xiàn)集中管理分散控制的思想[10]，用于完成對(duì)焓差室溫濕度控制系統(tǒng)的全面管理與控制。系統(tǒng)的整體概述圖如圖1所示。

三層網(wǎng)絡(luò)控制中，每一級(jí)不僅要完成各自的控制采集任務(wù)，而且每一層網(wǎng)絡(luò)之間還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，這樣就組成一個(gè)綜合的監(jiān)視控制網(wǎng)絡(luò)。上位機(jī)PC管理網(wǎng)絡(luò)是系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)的核心，主要通過(guò)LabVIEW對(duì)采集回來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)試驗(yàn)工況進(jìn)行設(shè)定，監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)以及報(bào)警等功能。

PLC控制網(wǎng)絡(luò)通過(guò)RS485總線接受PC機(jī)發(fā)送的命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)室外冷機(jī)、加熱器、加濕器和風(fēng)機(jī)等外圍設(shè)備的自動(dòng)控制與保護(hù)功能。UT55A采集控制網(wǎng)絡(luò)主要完成對(duì)實(shí)際工況參數(shù)的采集以及控制，完成相應(yīng)的溫濕度控制目標(biāo)。

1.1 數(shù)據(jù)通訊

在本系統(tǒng)所涉及的三層網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)通訊協(xié)議主要包括以下三種：PC與MX100的以太網(wǎng)通訊協(xié)議、PC與PLC的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊協(xié)議(RS232)以及PC與UT55A的一對(duì)多總線通訊協(xié)議(RS485)。

本系統(tǒng)通過(guò)Nport對(duì)串口設(shè)備進(jìn)行管理，將串口通訊方式轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)的形式，這樣不僅可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)，同時(shí)也方便對(duì)多個(gè)串口進(jìn)行管理。本文三種通訊方式對(duì)于上位機(jī)PC而言，需要調(diào)用LabVIEW中虛擬儀器軟件架構(gòu)VISA模塊實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的通訊[11]。對(duì)于第一種以太網(wǎng)通訊方式，需要設(shè)置好電腦的IP地址，配置LabVIEW中MX100的通訊模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和判斷功能。對(duì)于第二種和第三種通訊方式，需要配置Nport的端口號(hào)，在計(jì)算機(jī)設(shè)備中形成虛擬串口號(hào)，配置好通訊參數(shù)，就可以通過(guò)LabVIEW進(jìn)行通訊程序設(shè)計(jì)，兩者在通訊上的區(qū)別只是通訊的協(xié)議不同。圖2給出了LabVIEW與PLC點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊程序。

圖1 系統(tǒng)的整體概述圖

1.2 PLC程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的可靠性是至關(guān)重要的，PLC作為外圍輔助控制的核心，對(duì)系統(tǒng)的控制要遵循一定的原則。焓差室的控制PLC必須遵循以下原則[12]：

(1)焓差室室內(nèi)室外側(cè)，各種電機(jī)要防止頻繁啟停，啟動(dòng)和制動(dòng)要有合適的時(shí)間間隔。

(2)焓差室的壓縮機(jī)是要在循環(huán)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后才能啟動(dòng)的，在停機(jī)時(shí)也要先停壓縮機(jī)，延時(shí)一定時(shí)間在關(guān)循環(huán)風(fēng)機(jī)。

(3)加熱器、加濕器和風(fēng)量測(cè)量裝置等各種設(shè)備啟動(dòng)前要先確認(rèn)故障信號(hào)沒(méi)有動(dòng)作。

圖2 LabVIEW與PLC點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊程序

(4)在非法關(guān)機(jī)再啟動(dòng)的情況下要注意PLC狀態(tài)變量的復(fù)位操作。

(5)室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)要實(shí)現(xiàn)單獨(dú)可控控制，集體可控的功能。這樣方便單獨(dú)進(jìn)行的室內(nèi)室外實(shí)驗(yàn)。

(6)壓縮機(jī)首次啟停與第二次啟停之間要保持較長(zhǎng)的時(shí)間間隔，以保護(hù)壓縮機(jī)。

本文根據(jù)以上焓差室溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，編寫了PLC控制程序。給出PLC室內(nèi)外總體控制程序流程圖如圖3所示。

圖3 PLC控制流程圖

1.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)庫(kù)是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)最方便也是最快捷的方式，LabSQL工具包是LabVIEW公司推出的免費(fèi)數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)工具，通過(guò)他開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)不但節(jié)省時(shí)間而且降低開(kāi)發(fā)成本。數(shù)據(jù)庫(kù)可以采用Microsoft Access數(shù)據(jù)庫(kù)。這種數(shù)據(jù)庫(kù)支持面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言，可以引用多種DAO對(duì)象和Activex組件。這樣可以大大節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間，使得應(yīng)用LabVIEW開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序更加簡(jiǎn)便[13]。

LabVIEW使用數(shù)據(jù)庫(kù)LabSQL工具包包括以下幾個(gè)步驟：首先是創(chuàng)建ADO的連接，打開(kāi)數(shù)據(jù)源，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作以及關(guān)閉數(shù)據(jù)庫(kù)連接。通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)保存和查詢功能，可以查詢和保存每次進(jìn)行測(cè)試的相關(guān)曲線以及故障報(bào)警信息的歷史記錄。

1.4 UT55A參數(shù)設(shè)置

為了保證焓差室溫度、風(fēng)量和濕度控制的精確度和可靠性，本系統(tǒng)采用橫河先進(jìn)的控制器UT55A作為系統(tǒng)的控制器。UT55A內(nèi)部帶有模糊推理PID控制、輸入輸出十段線性化矯正、系統(tǒng)參數(shù)自整定以及簡(jiǎn)單梯形圖編程等功能。圖4給出了系統(tǒng)控制原理圖。

圖4 系統(tǒng)控制原理圖

UT55A具有多種控制模式可供選擇，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇合適和控制模式至關(guān)重要。對(duì)于室外側(cè)，考慮到低溫時(shí)濕球溫度的不準(zhǔn)確帶來(lái)測(cè)量誤差，因此需要選擇切換控制方案，而室內(nèi)側(cè)只需選擇單回路控制方案。切換控制方案的參數(shù)設(shè)置流程圖如圖5所示。

圖5 切換控制方案參數(shù)設(shè)置流程圖

2 系統(tǒng)測(cè)試

圖6給出了系統(tǒng)的監(jiān)控界面設(shè)計(jì)圖。該圖可以直觀反映出系統(tǒng)的架構(gòu)和原理。其目的就是希望測(cè)試員直觀的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行把握，更加友好的實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。

系統(tǒng)功能的測(cè)試是保證空調(diào)性能測(cè)試系統(tǒng)質(zhì)量、準(zhǔn)確度和可靠性的關(guān)鍵步驟?？照{(diào)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)室除了計(jì)量傳感器以外。還需要通過(guò)專用的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的制冷量進(jìn)行測(cè)試，用以標(biāo)定漏熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)室制熱量漏熱系數(shù)標(biāo)定需要用電加熱的方式進(jìn)行。通常而言，制冷量的關(guān)鍵決定因素為濕球溫度，而制熱量的關(guān)鍵因素為干球溫度，因此需要對(duì)鉑電阻精確計(jì)量，否則會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)試結(jié)果[14]。

圖6 系統(tǒng)的監(jiān)控界面設(shè)計(jì)圖

焓差室系統(tǒng)的標(biāo)定比較復(fù)雜，下面僅以窗機(jī)的額定制冷測(cè)試為例進(jìn)行說(shuō)明。標(biāo)準(zhǔn)窗機(jī)的能力為2 889 W，功率為1 582.0 W，噴嘴大小選擇直徑為110 mm。額定制冷測(cè)試工況[15]：干球34.9 ℃，室外濕球?yàn)?4 ℃，室內(nèi)干球?yàn)?7 ℃，室內(nèi)濕球?yàn)?9 ℃，出風(fēng)靜壓為0 Pa。表1給出了標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的額定制冷測(cè)試結(jié)果表。

表1 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的額定制冷測(cè)試結(jié)果表

從表1中我們可以看出，在系統(tǒng)漏熱量為4%的情況下，本文所設(shè)計(jì)的空調(diào)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)室和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)數(shù)據(jù)對(duì)比起來(lái)相差不大，其中制冷量相差2 889-2 884=5(W)，功率相差1 582-1 574=8(W)。制冷量和功率的誤差在允許范圍。從表中也可以看出，室內(nèi)外干濕球溫度基本滿足標(biāo)準(zhǔn)中的控制要求[15]。

3 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以空調(diào)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)室為核心，將LabVIEW、PLC、UT55A、MX100、Nport和WT330有機(jī)的結(jié)合到一起，組成了一個(gè)三層網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)測(cè)試兩個(gè)方面分析了空調(diào)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的過(guò)程。最后，通過(guò)測(cè)試、標(biāo)定、計(jì)量和校準(zhǔn)來(lái)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的精度進(jìn)行了驗(yàn)證。基于PLC和UT55A的空調(diào)器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)室減輕了測(cè)試人員的工作負(fù)擔(dān)，測(cè)量準(zhǔn)確，各個(gè)變量管控運(yùn)行可靠，組態(tài)界面直觀友好，實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控流暢，具有很高的實(shí)用性和推廣價(jià)值。

[1] 王志遠(yuǎn), 徐志亮. 焓差法試驗(yàn)室制冷系統(tǒng)的控制策略[J]. 制冷技術(shù), 2008,36(8):70-75.

[2] 李士龍. 焓差法空調(diào)器試驗(yàn)室設(shè)計(jì)[J]. 電機(jī)電器技術(shù), 1996,48(4):4-7.

[3] 李雄林, 曾小林, 王偉, 等. 焓差法空調(diào)器性能測(cè)試平臺(tái)的研制[J]. 流體機(jī)械, 2007, 35(1):69-73.

[4] 吳筱駿, 姜周曙, 王劍, 等. 焓差試驗(yàn)臺(tái)遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J]. 機(jī)電工程, 2009, 26(6):61-64.

[5] 吳姮, 胡卓煥, 余敏, 等. 焓差室空調(diào)性能測(cè)試臺(tái)的研究與設(shè)計(jì)[J]. 測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào), 2011, 25(3):239-244.

[6] 陳進(jìn), 劉仕杰, 李橋, 等. 基于力控的焓差室空調(diào)器性能測(cè)試監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2014, 22(4):1079-1082.

[7] 王玉葉. 關(guān)于基于組態(tài)的中央空調(diào)教學(xué)模型監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 滁州學(xué)院學(xué)報(bào), 2010, 12(2):26-28.

[8] 趙佰亭, 杭柏林, 申洪雷. 配料系統(tǒng)三級(jí)計(jì)算機(jī)管理控制與實(shí)現(xiàn)[J]. 自動(dòng)化博覽, 2004,22(21):80-82.

[9] 顧海勤, 楊奕, 全毅. PLC與智能儀表在熱泵遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表, 2013,34(11):39-42.

[10] 吳明亮, 魏莉莉, 余淑榮, 等. 基于PLC的工業(yè)鍋爐的DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2010, 10(23):5744-5747.

[11] 董翰川, 郭勇, 李文杰. LabVIEW串口通訊在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用[J]. 微型計(jì)算機(jī)與應(yīng)用, 2011,30(23):63-65.

[12] 胡洪, 燕欣波, 宋倩倩, 等. PLC在制冷與空調(diào)測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 制冷與空調(diào), 2010, 24(3):73-76.

[13] 楊樂(lè)平. LabVIEW高級(jí)程序設(shè)計(jì)[M]. 清華大學(xué)出版社, 2003.

[14] 袁明春, 羅建. 影響焓差實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)精度的原因分析[J]. 計(jì)量與測(cè)試技術(shù). 2013,40(9):22-23.

[15] 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB/T 7725-2004. 房間空氣調(diào)節(jié)器[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2004.

The Design of an Air Conditioning Performance Test Laboratory Based on PLC and UT55A

Zou Wei, Shao Weiheng, Wu Shangquan

(No.5 Electric Research Institute of the Ministry of Industry and Information Technology, Guangzhou Guangdong 510610, China)

In view of problems with traditional air conditioning performance test systems (enthalpy difference room) such as diversity of test variables, tediousness of programming, inconvenience of real-time data monitoring and complexity of system design, this paper presents an air conditioning performance test system based on PLC and UT55A. The system uses LabVIEW as its supervisory control center, PLC as supplementary supervisory controller and MX100 and WT330 as data collector. Furthermore, UT55A is used for real-time measurement and control of indoor and outdoor temperature and humidity. According to a typical three-layer network, the system combines organically all the devices to perform the function of centralized management and decentralized control. On the basis of meeting GB/T 7725, the system can achieve such goals as centralized highly efficient variable control, friendly and intuitive interface operation, fast and stable system development as well as real-time remote system monitoring.

air conditioning; enthalpy difference room; LabVIEW; UT55A; PLC

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.06.029

TB657.4

A

1000-3886(2016)06-0093-04

鄒偉(1986-)，男，湖南永州人，助理工程師，碩士，從事制冷器具質(zhì)量檢測(cè)與電子電氣產(chǎn)品可靠性及自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)的研究。 邵偉恒(1989-)，男，河北圍場(chǎng)縣人，助理工程師，碩士，從事電子電器產(chǎn)品可靠性及自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)的研究。 吳上泉(1989-)，男，湖南衡陽(yáng)人，助理工程師，碩士，從事電動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)控制與電子電氣產(chǎn)品可靠性及自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)的研究。

定稿日期: 2016-05-30