（通信与信息系统专业论文）客车单元式空调机组闭环测控系统的研究与实现.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着铁路空调客车的普及，客车单元式空调机组的维修工作日益受到有 关部门的重视。为了保证空调机组的检修水平，铁道部在客车空调三机检 修及运用管理规程中对检修提出了一系列要求，其中特别指出空调机组大 修时应进行性能试验。本论文所研究和设计的客车单元式空调机组闭环测控 系统就是为客车单元式空调机组做制冷量测试试验的专用设备。 我国铁路空调客车普遍采用车顶单元式空调机组，本论文以t b t 2 4 2 3 9 3 铁道客车车顶单元式空调机组试验方法以及其它相关标准为设计依据， 完成了空调机组闭环测控系统的结构设计、计算机测试系统硬件设计以及测 试软件的开发等工作。论文先对计算机控制模型进行了研究，对传统计算机 控制方法和新型过程控制系统进行了分析比较，然后对模糊控制系统的原理 和模糊控制器的一般设计方法进行了学习，最后进行了空调机组测控系统控 制模型和其他部分的设计。论文从测控系统设计的一般模式出发，对试验台 的计算机测试系统进行了总体设计，对硬件进行选型，并从硬件方面采取了 多项措施来增强系统的抗干扰能力。采用v i s u a lb a s i c 结合c + + 语言进行测 试软件开发，采用并行工作方式使工况调节与数据采集、显示及输出均可并 行进行，并能保存历史数据，操作界面友好，提高了测试的自动化水平，节 省了人力，减轻了劳动强度，提高了劳动生产率。 关键词：客车；单元式空调机组：测控系统 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i 也t h ea i rc o n d i t i o n i n go ft h er a i l w a yp a s s e n g e rc a l u n i v e r s a la p p l i c a t i o n , t h er e p a i rw o r ko ft h ea i rc o n d i t i o n i n gu n i ti nt h ep a s s e n g e rc a l h a sa l r e a d y r e c e i v e di n c r e a s i n ga t t e n t i o n s t oe n s u r et h er e p a i r i n gq u a l i t y ，t h er a i l w a y d e p a r t m e n th a sp u tf o r w a r da s e r i e so fr e q u e s t sa n dp o i n t e dt h a tt h ea i r c o n d i t i o n u n i tm u s tu n d e r t a k ep e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t s ，w h e nt h ev e h i c l e sa r eu n d e r o v e r h a u l t h es t u d ya n dd e s i g no ft h em e a s u r e m e ma n dc o n t r o ls y s t e mo ft h ea i r c o n d i t i o n i n gu n i ta r ep r o v i d e di nt h i sp a p e r i ti sas p e c i a ld e v i c e ，w h i c hi su s e dt o e a r l yo u tp e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t sa n ds e r et h eu n i t a i r - c o n d i t i o n so ft h e p a s s e n g e rc a r a i rc o n d i t i o n i n gu n i t sa r ew i d e l yu s e di nt h er a i l w a yp a s s e n g e rc a ri nc h i n a b a s e do nt h ed e s i g ng i s t ，s u c ha st h em e t h o do fu n i ta i r c o n d i t i o ne x p e r i m e n t a t i o n i nr a i l w a yt r a i n s ( t b t 2 4 2 3 - - 9 3 ) ，a n do t h e rc o r r e l a t i v es t a n d a r d s ，t h es t r u c t u r e d e s i g n , h a r d w a r ed e s i g no fc o m p u t e rt e s t i n gs y s t e ma n ds o f t w a r ee x p l o i t a t i o no f t h em e a s u r e m e ma n dc o n t r o ls y s t e ma r eg i v e ni nt h i sp a p e r f i r s t l y ，t h em o d e l s c o n t r o l l e d b yc o m p u t e r s a r es t u d i e di n d e t a i l ，a n dt h e t r a d i t i o n a l c o m p u t e r c o n t r o l l e dm e t h o d st h a ta r ec o m p a r e dw i t ht h en e wp r o c e s sc o n t r o l s y s t e ma r ea n a l y z e d t h e n , t h ep r i n c i p l eo ff u z z yc o n t r o ls y s t e ma n dt h eg e n e r a l d e s i g nm e t h o do ft h ef u z z yc o n t r o l l e ra r es t u d i e d f i n a l l y ，t h em o d e lo ft h e m e a s u r e m e ma n dc o n t r o ls y s t e ma n ds o m eo t h e rp a r t sa r ed e s i g n e d s e c o n d l y ， s t a r t i n gi nt h eg e n e r a ld e s i g nm o d e lo fm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m ，t h i s p a p e rh a sp u tf o r w a r d t h ec o l l e c t i v i t yd e s i g no ft h ec o m p u t e rm e a s u r i n gs y s t e mo f t h et e s t - b e da n dd o n es o m e t h i n gt os t r e n g t h e nt h ea n t i - j a m m i n ga b i l i t yo ft h e s y s t e m t h i r d l y ，t h i sp a p e rh a su s e dv i s u a l b a s i c6 0a n dc + + p r o g r a m l a n g u a g et oe x p l o i tt h es o f t w a r e p a r a l l e lw o r km e t h o d sa r eu s e di nt h i sp a p e r t h es t a t u so fr e g u l a t i o na n dd a t ac o l l e c t i o n ，d i s p l a ya n do u t p u tc a nb ec a r r i e do u t p a r a l l e l e d ，w h i c hi n c r e a s et h el e v e lo fa u t o m a t i o nt e s ta n ds a v et h eh u m a nl a b o r t h el a b o ri n t e n s i t i e sa r er e d u c e da n dl a b o rp r o d u c t i v i t i e sa r ei n c r e a s e dl a b o r p r o d u c t i v i t yb yt h ep a r a l l e lw o r k m e t h o d s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i ii i k e y w o r d s ：p a s s e n g e rc a r ；a i rc o n d i t i o n i n gu n i t ；m e a s u r e n l e n ta n dc o n t r o l s y s t e m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：19 蕾辉6日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1课题研究的背景和意义 随着经济的发展和人民生活水平的提高，我国铁路客运的质量也在不断 提高，比较明显的一点就是现在许多客车均已为空调列车。从长远看，这也 是我国铁路客运车辆发展的一个重要方向。 我国铁路空调客车普遍采用车顶单元式空调机组，空调机组在使用一段 时间后，其制冷量、风量等技术指标就可能因部件老化或灰尘污染等原因而 达不到铁道部颁标准，这就需要指定的厂、段对其进行维修和清洗。为了保 证客运质量和降低客运成本，生产厂家的空调机组在出厂时，维修后的空调 机组再次投入使用之前都需要进行必要的测试，以保证空调机组的各项技术 指标符合部颁标准。为确保空调机组运行状态良好，铁道部颁布的客车空 调三机检修及运用管理规程中规定：空调机组的小修期为1 年，中修期为 2 年，大修期为6 年 1 。早期投入使用的空调机组，已进入或即将进入大修 期。客车空调三机检修及运用管理规程中规定：空调机组从车厢上拆下 经全面清洗后，先在性能试验台上进行性能测试，若机组制冷量达到设计参 数的9 0 以上，按机组制冷系统不分解规定进行检修；否则，制冷系统需分 解检修，检修后再次进行制冷性能试验 1 。由此可见，空调器性能试验台是 空调机组检修用的重要试验设备，试验台测试精度的高低，会直接影响空调 机组的检修质量。因此设计出结构简单可靠、试验效率高、投资少的空调器 性能试验台具有重要意义。 根据铁道部标准“t b t 2 4 3 2 9 3 铁道客车单元式空调机组试验方法”研 制的客车单元式空调机组闭环测控系统主要是为了实现客车空调机组性能的 自动检测处理。该系统可对空调机组制造厂的产品进行出厂验收检验，也可 对维修厂、段修理后的空调机组进行检测。经过检测决定该产品的性能是否 达到部颁标准。这是检测产品质量和性能的关键环节，对保证铁路客运的质 量也有很大的意义乜1 。 该系统是采用微机测控系统，随时都可以看到所有监控参数和结果，可 以及时迅速地对测试过程中出现的问题进行分析和研究，并可将结果记录存 哈尔滨工程大学硕士学位论文 储、重放和打印输出，使整个复杂的测试过程变得十分方便、迅速和准确， 提高了测试的自动化水平，节省了人力，减轻了劳动强度，提高了劳动生产 率。 1 2 国内外研究现状 9 0 年代前后，随着铁路空调客车的飞速发展，车顶单元式空调机组的产 量逐年增加。但早中期投入运用的空调机组早已到了大修期，到2 0 0 0 年，每 年已有2 6 0 0 多台机组需要进行大修，其中绝大部分为车顶单元式空调机组， 在这种形势下，很多客车修理厂及有关车辆段先后建成了空调机组性能试验 台。为保证检修后空调机组的性能和质量，1 9 9 4 年，铁道部车辆局颁布了客 车空调三机检修及运用管理规程，为空调机组检修提供了标准与依据。 目前各客车修理厂及车辆段所采用的空调机组性能试验台基本都是属于 验证型的，试验必须在规定的试验工况下进行。试验台的结构是根据空调机 组的结构特点设计的，主要由室内侧( 低温间) 、室外侧( 高温间) 、风道 系统、进出口空气取样装置、流量测量装置、空气调节装置以及空调机组等 部分组成。测试方法大多采用空气焓差法测量机组蒸发器侧制冷量( 主测法) ， 用空气温差法测量冷凝器侧散热量( 辅测法) ，并根据制冷系统平衡原理， 求得机组制冷量。通过该工况下空调机组实测制冷量与名义制冷量对比，对 空调机组的技术状态做出评价。另外，根据主、辅测制冷量的偏差判定试验 结果是否符合要求 3 1 。 最早的试验系统采用常规的模拟仪表进行测试，试验数据的处理和工况 的调节都是手工完成，不仅效率低，而且试验工况的稳定性比较差。随着计 算机测控技术的发展，新近建立的空调器性能试验台都采用计算机测控系统。 试验台计算机测控系统由硬件和软件两部分组成，不仅提高了试验的准确性， 还大大提高了试验效率，减轻了操作人员的劳动强度，提高了试验台的科技 含量。目前现有试验台的计算机测控系统的结构有以下几种。 p c 机( 上位机) 一单片机( 下位机) 较早期建立的试验台的测控系统多采用这种结构。这种结构的优点是系 统投资较少，但是结构较复杂，抗干扰能力差，不易维护，不易扩充，而且 软件采用高级语言加汇编语言设计，一次开发工作量大，难度高，通用性差。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 - - li i l l i l l l l li i 黼 p c 机一d d c ( 直接数字控制器) 这种结构利用p c 机友好的用户操作、编程界面，实现试验数据的显示、 打印、存储等功能，并利用d d c 专雳编程语言编制试验台的软件，将软件 下载到d d c 的r a m ，由后者实现试验数据的采集处理。这种结构的主要特 点是结构紧凑、轻便灵活、便于维护，有较高的抗于扰貔力和控制精度，操 作方便。新型d d c 带有通信接口，可方便与p c 机联机，但对小型系统，d d c 的性价比低，而且d d c 专用的软件包一般都针对专门阅题设计，其数据类 型和函数功能都非常有限，不易实现复杂的控制算法，使得二次开发受到限 制。 基于i p c ( 工业控制计算机) 的板卡集成 这种系统的板卡采用模块化设计，且为“即插即用 型。这使得系统结 构更加紧凑、灵活、维护、扩充容易。软件设计可采用高级语言，编程叁出、 灵活，用户界面友好，若采用先进的程序设计方法，如面向对象方法，可使 软件具有开放性、可重用( 编程效率嵩) 、易维护、易扩充等特点。这种结 构的测控系统近年来使用非常广泛。 在试验工况的控制策略方面，目前有手动调节和计算机自动控制两种方 式。手动调节方式所需调节时间长，而且工况的稳定性差，试验的效率相对 较低，能耗较高，此外对试验人员的操作经验有一定的要求。在自动控制学 科领域内，以p i d 控制算法为基本算法，经典控制理论以传递蘧数、频率特 性、根轨迹法等方法为设计手段，解决了单变量系统的反馈控制问题。而现 代控制理论利用动态规划、卡尔曼滤波理论等手段解决多变量系统的优化控 制问题。试验台的试验工况采用计算机自动控制时，普遍采用p i d 控制算法， 基本能够满足控制要求，但系统的稳定时间比较长，p i d 参数的整定工作量 也很大。无论是经典控制理论，还是现代控制理论，二者都是基于模型的， 其实施有一个基本的要求，就是必须知道被控对象的数学模型。e l l 于试验台 温、湿度参数的相互关联、漏热及嚣境变化等不确定因素的存在，试验台的 热力学模型难以精确确定，使得试验台工况控制系统性能的提高和完善受到 很大的限制。剩用近年来广必关注的模糊控制技术对试验王况进行控制，在 一定程度上改善了控制系统的性能。与传统的控制技术相比，模糊控制技术 最大特点就是不一定要知道受控对象的数学模型，其实施方法是利用模糊数 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 学理论表达人的操作控制经验，进而模仿人的操作控制经验对受控对象进行 控制。因此，在已积累了一定的人工控制经验且系统模型复杂使传统控制理 论应用受到限制的领域，模糊控制技术大行其道。但是，实施模糊控制时， 一般都有比较复杂的模糊推理，控制的实时性受到影响。研究表明，模糊控 制的稳态误差比传统的p i d 控制要大，对试验工况控制这类精度要求较高的 控制问题，其影响不能忽略。因此自然想到将模糊控制与p 1 d 控制结合使 用即模糊p i d 控制。实施模糊p i d 控制有两种方法：一是在工况调节的 初始阶段，利用模糊控制，使工况趋于稳定，此时采用p i d 控制，减少稳态 误差；另一种方案是利用模糊推理技术整定和调节p i d 参数，提高p i d 控制 的性能。但两者的工程应用仍在探索阶段1 4 1 。 1 3 主要研究的问题 本论文将在对客车单元式空调机组的结构及工作原理进行充分理解分析 的基础上，比较目前常用的制冷量测试方法，结合实际要求总结出符合实际 情况的测试方法，包括试验所需采集数据、试验流程等。然后据此进行试验 台的结构设计以及测试系统硬件的设计和软件的编制。 具体工作包括： 对车顶单元式空调器的结构和工作原理进行分析； 进行计算机控制模型的研究； 模糊控制器的设计； 数据的采集、通信与处理； 对测试系统进行硬件设计，对硬件设备进行选型； 运用面向对象的编程语言编制测试系统的软件。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章系统的总体设计 2 1 系统组成 车顶单元式空调机组是将机械制冷部分的压缩机、冷凝器、干燥过滤器、 毛细管( 或膨胀阀) 、蒸发器、气液分离器、冷凝风机、蒸发风机和空气预 热器等集中装在一个箱体内，组成一个单元，可方便地安装在车项部。与空 调机组配套的电气控制柜安装在车内配电室，空调机组与电气控制柜通过电 气连接器( 插头、插座) 连接，由发电车集中供电( 亦可由本车悬挂式发电 机供电) 。空调机组出风口与车内主风道之间通过软风道连接，空调机组处 理后的空气经车内主风道由送风口送入客车室内，达到调节车内空气温度的 目的。单元式空调机组的主要特点是：结构紧凑、体积小、重量轻、机组互 换性好，且检查方便。把各制冷部件装在一个箱内，缩短了连接管路，减少 了泄漏；把空调机组装在车顶部可避免车辆排放的废水、污物对压缩机、冷 凝器的腐蚀，延长机组的使用寿命。 要对空调机组进行合格性测试，就是要人为模拟出指定的空调机组工作 环境( 车厢内、外温度，湿度、压力等) ，在此环境下对机组工作情况进行 一段时间的监测，并对机组工作时的各项参数进行采集，按照一定的数学模 型进行计算处理，得出机组的各项技术指标，进而判定其是否合格。 l 、测试现场布局 生产厂家及维修厂、段均应设有专用的测试用模拟环境，其平面布局如 图2 1 ： 在现场布局中，高温间即代表车厢外，即自然环境，低温间则代表车厢 内环境。另外，控制间为试验台及其它测控用设备所在地，也是试验操作员 进行监控操作的地点，现场一般采用平行或层式结构。前者如图2 1 。层式结 构是将控制室与高、低温间以上下楼层的结构进行布局，其优点是占地面积 小，且传输用线路较短，布线也相对方便。 图2 1 中所有标有干、湿球处均为试验中的温度采集点，喷嘴前后还设 有压差采集点。另外一些测试用参数如风道面积、大气压力等一般变化不大， 采取人工测定后输入计算机的方式进行采集。 呈尘鉴：i 垄奎兰至圭兰些兰三 衙龋 低温间控制间 室内一厂 匪巫m 风 么。 爿善 被测机组 l 兽d吲 喷嘴 风机 蚓 网i 空气 理机( ) 三嚣 工控机 睦刮 干球温度。湿球温度 压差变送器 图21空调机组闭环测控系统现场布局图 2 、主要技术要求 ( 1 ) 系统具有自动定点巡回和实时检测并回放功能。要求计算机屏幕上能 分屏单项或全项显示各路采集数据，同时在控制台上设有相应的仪表，其显 示应与计算机屏幕一致； ( 2 ) 系统具有数据存储、处理、显示和打印输出的功能。能根据计算机自 动采集的数据计算出被测机组的制冷量及送风量等参数，也能根据人工键入 的各相应数据计算这些参数，并将计算结果编辑表格进行存储或打印输出； ( 3 ) 对空调机组回风道的干、湿球温度进行检测和控制。自动调节一台电 加热器和一台电加湿器的功率，使回风道干球温度自动保持2 9 03 。c ，湿 球温度保持2 3 0 3 ： ( 4 ) 在操作方式上，能并行进行控制和数据采集。灵活的键盘和鼠标操作， 友好的以窗口、对话框和菜单选择为主的人机界面； ( 5 ) 模拟量输入为3 2 路，可扩充至6 4 、1 2 8 路等： ( 6 ) 精度和量程要求： i 温度范围：0 8 0 0 3 ( 视需要而定) ： i i 压差o 1 2 7 m m h 2 0 ，误差小于o2 5 ； 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电量( 0 5 级) ： 电压：0 - - - , 3 8 0v 交流 电流：0 - - - 5 0a 交流 功率：0 - - - 3 0k w 3 、系统的硬件结构和工作原理 系统的结构框图如图2 2 ： 加热 加湿 执行监视接口1 执行监视接口2 闭环调控 接口电路板 图2 2 空调机组测控系统硬件结构框图 系统结构组成分三部分： 输入部分：温度传感器，压差变送器，智能温度表、压差表等； 输出部分：闭环调控接口板，调压器等控制执行部件； 主机部分：计算机( 包括c r t 、键盘、a d 、i o 板、打印机等) 。 以上三部分构成了整个系统的硬件部分。系统的全部功能是由软、硬件 两部分完成的。不难看出输入部分是保证系统精度的基本环节，输出部分是 显示及使系统达到稳定工况的基础，主机部分是整个系统进行控制、处理的 核心。 该系统通过温度传感器及压差变送器( 传感器) 自动测取有关部位的参 数，经导线将模拟电信号送入智能温度和压差表，由这些智能表将模拟电信 号通过a d ( 模数) 转换后，得到对应各物理量的数字信号。再经过r s 2 3 2 串行通信口将信号送入计算机，计算机采集这些数字信号并加以处理后按不 同情况输出显示( c r t ) 。同时计算机分析指定的参数，与设定值比较，如 7 6 6 啼刍专矽、调 一卜，l j i 、j 哈尔滨工程大学硕士学位论文 不满足标准工况要求，通过i o 板送出电信号，控制执行部件对指定温、湿 度进行闭环调控，其规律按所建数学模型进行。经过多次调控，使监测点的 测量值不断趋近并最终稳定在标准工况设定值的有效范围内。这时计算机按 一定时间间隔连续采集几组各点温度、压差和电量值，同时将所需其它参数 一并键入，将所有参数代入数学模型，经运算得出空调机组的制冷量、送风 量等各项技术指标，并据此判定被测空调机组性能是否满足部颁标准。【5 l 4 、数据的采集与显示 本系统绝大多数测量值为温度，所以温度传感器的精度对系统的性能影 响很大。敏感元件的测温原理通常都是利用物体的热膨胀、热电变换、电阻 值变化、热辐射以及熔点、硬度等物理量随温度变化的物理效应或是利用某 些物质随温度变化的化学效应等原理来实现对温度的测量，使用最多的温度 测量用的传感器一般可分为热电偶式和热电阻式传感器，现代又推出了许多 新类型的温度传感器，如i c 温度传感器等。热电偶的特点是价格较低、可承 受高温、灵敏度较低，但需要冷端补偿。热电阻与之相比具有精度比热电偶 高，不需要冷端补偿的优点，但其一般为非线性输出，需要线性化。其中采 用高纯度铂丝绕制成的铂电阻具有测量精度高、性能稳定、复现性好、抗氧 化等优点，在现场中使用较多。本系统采用铂电阻温度传感器。 为方便现场人员观测各参数值，本系统除计算机屏幕外还将多块数字智 能温度和压差表安装在控制台上，它们除了能同计算机通信及进行a d 转换 外，还具有l e d 显示功能。其输入信号由传感器直接引入，独立于计算机， 实时显示各测试点参数值。这样，当计算机停用或进行其它工作时仍能对所 测参数进行监测( 如在相对较长的工况调节过程中，操作员会进行一些历史 记录的整理工作) 。该智能表本身就是一个单片微机系统，可进行误差补偿， 精度达1 一2 t 2 5 j 。 5 、软件特点及结构 本系统要求精度高，实时性又很强，调控中要求使系统达到设定工况并 且稳定- 4 , 时以上，这对于手动操作来说是相当费力费时的。为实现计算机 对工况的高效控制，在充分考虑到本系统的自身特点基础上，采取了一些必 要的措施。 本系统在进入计算机自动调控前先由人工进行手动粗调，将指定温度调 哈尔滨工程大学硕士学位论文 黧jj i i i i i i i ii i麓嗣i 到尽量接近但低于设定值的某值( 此过程通常不会用太多时闻) ，然后转入 自动控制。基于模糊控制的思路，加以改造，本系统也设有一控制表( 或称 为控制絮识库) ，表中存有由经验褥来的对应予各个监测量误差的控制量值。 此表具有囱我调整( 学习) 功能，即每次调整后可将最新的控制量存入表中。 其次还有一基于历史调节经验的微调数学模窭，当在此表中查不到合适的控 制量或由表中的控制量调节后仍有误差时便转入模糊控制模型，根据误差求 得控制量，著将最新的经验控制值填入历史调节经验表中。这样当使用一定 时间后，基本上都可从表中直接查到控制量进行调节，迅速达到指定工况， 提高了调节效率。而当使用较长时间后，控制及执行部件发生某些变化而造 成误差时，仍可由模糊调节模型进行微调及经验表的修正，从而实现了控制 系统的自适应性和囱我学习的功能。 本系统软件采用v i s u a lb a s i c 结合c + 语言开发完成，主要是考虑到其 简便、易用、灵活及开发周期短等优点。 本系统软饽除能完成前述之功能外，还具有以下一些特点： ( 1 ) 并行工作方式：其工况调节与数据采集、显示及输出均可并行进行。 ( 2 ) 运算的溢出检测及防锩：由于某些非法数据( 由硬件及人为因素造成) 导致运算溢出，程序中断，对此本软件采取了必要的防错措旄，以保证正常 工作。 ( 3 ) 方便强大的工况调节及数据处理：可随时开始或中断，暂停或继续工 况调节；可即时采集数据，不受采集周期限制，并可按需要设定采集周期； 边采集边运算，同时生成表格和益线，直观方便；传感器的输入通道更换与 精度校正的功能等。软件部分主框架如图2 3 ： 图2 3 空调测控系统软彳孛结构主框图 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 调控子菜单：主要完成诸如稳定周期、等待时间等调控参数的设定及控 制调节的开始、中断、暂停和继续等。 空调机子菜单：设定所测机组的型号。 工况子菜单：控制数据的采集和人工参数的键入，对有关采集的参数进 行设定和调整。 历史子菜单：对历史记录进行管理，包括查询、删除、打印等。 窗口子菜单：对界面进行调整( 子窗口的排列、图标管理等) 。 帮助子菜单：显示有关本系统的辅助信息。 2 2 系统开发的重点及难点 1 、数据的采集 由于试验过程中要求温度、压力等参数精度较高，除采用高品质传感器 外，在进行a d 及进入计算机的过程中也要避免其它干扰源对信号的影响； 另外，试验过程中，采集周期是人为随时可设定的量，为满足各种采集间隔 要求，数据的一次采集及传送至计算机的时间不宜过长。同时信号传输过程 中要采取必要的抗干扰措施，以保证准确无误。 另外，随着使用时间的增长，以铂电阻为核心的温度传感器必将产生o 温度基准点漂移，从而造成采集结果偏差，影响试验效果。为此，系统须 具有误差补偿的功能，以延长在较恶劣环境下的使用寿命。 2 、闭环控制 如图1 1 ，对机组进行测试时要求人为控制室内进风干、湿球温度维持在 指定值上( 允许一定误差) 。在进风道内设有电加热器和电加湿器。电加湿 器总功率4 8 k w ，为便于计算机调节，电加湿器共分为四组，每组1 2 k w ， 其中一个组由2 0 k w 的电动调压器来调节其工作电压，称为微调组；其余三 个组为固定组，可以整组分别投入运行或分别撤除运行，称为粗调组。电加 热器总功率为3 6 k w ，为便于计算机调节，电加热器共分为三组，每组1 2 k w ， 其中一个组由2 0 k w 的电动调压器来调节其工作电压，也称为微调组；其余 二个组为固定组，可以整组分别投入运行或分别撤除运行，也称为粗调组。 计算机对电加热器、电加湿器的自动控制模式如下： , e g 加热器、电加湿器的各组分别采用交流接触器控制，控制台上设有电 l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 加湿器组和电加热器组的手动控制、自动控制转换开关，手动控制电动调压 器的按钮开关，并用指示灯指示其工作状态。手动控制和自动控制能互锁。 试验开始时置手动控制位，人工控制电加湿器全部投入运行。当电加湿 器水温达1 0 0 时，手动转置自动控制位，计算机根据低温间湿球温度与标 准工况回风道湿球温度2 3 之差值自动决定投入运行的固定组个数，并转入 微调工况运行。 计算机监测回风道干球温度，根据低温间干球温度与标准工况回风道干 球温度2 9 之差值自动决定投入运行的电加热器固定组数，当计算机检测回 风道干球温度- - 2 9 时，电加热器自动转入微调工况运行。 计算机交错检测回风道干、湿球温度，交替调节电加热器和电加湿器的 功率，使回风道的干、湿球温度逐渐向规定值靠近，直到稳定在规定值内。 干、湿球温度的检测时间间隔可以分别人工设定。加湿器和加热器在计算机 调节时调节动作应能互锁。调节电机的动作时间( 步长) 由计算机按调节量 的偏差值自动选定，也可人工设定。 在制冷系统正常的情况下，从电加湿器水烧开时开始，到计算机将回风 干、湿球温度调节在规定值内，这段时间应小于2 小时；计算机从检测到干、 湿球信号至输出驱动电加热器、电加湿器改变功率，响应时间应小于三秒。 调压器电动机采用交流伺服电动机、步近电机或三相异步电动机，电动 机工作时间可用计算机任意设定，也可用按钮开关人工操作控制( 由厂家自 己选定并制造) ，调压器旋转一圈时间大于一分钟。 实际控制过程中，温度与湿度的调节作用之间存在互相扰动，即存在耦 合现象，而且温、湿度的调节都存在不小的延时，使得系统的控制变得复杂 和不稳定。这些问题均需要在设计控制系统方案时加以充分考虑以满足测试 要求。 2 3 系统硬件方案的比较与选择 为解决上述难点问题，需要软硬件的配合，而硬件更是实现的基础，因 此在设计过程中，对各种可能的方案进行了比较分析，结合本项目的要求和 实际情况做出选择，最终比较理想地解决了上述问题。 软件部分的实现将在后面章节进行论述，这里就硬件方案的选择作一下 哈尔滨工程大学硕士学位论文 n i l 介绍。 2 3 1 采集部分方案选择 各参数由传感器采入后，在进入计算机进行处理之前，要进行必要的信 号转换，以便计算机识别。在设计中，主要考虑了两种转换方案。 1 、利用变送器 变送器是将被测变量( 温度、压力、流量、电量等) 转换为可传送的统 一输出信号( 0 - 1 0 m a 、4 2 0 m a 等) 的仪表，且输出信号与被测变量有一 给定的连续关系。在控制系统中，其输出信号被送至工控机、调节器或巡检 装置，以便对生产过程或设备的状态、工况进行监视、控制及连锁保护等。 变送器种类繁多，但彼此间有很多共性。一般具有体积小，抗干扰能力强， 可靠性高等特点。 ：l 温度传感器 h 温度变送器 压差变送器 纵 u 加热 烈 l 加湿 压器 执行监视接口1 执行监视接口2 闭环调控 接口电路板 图2 4 空调机组测控系统硬件结构框图( 变送器) 本系统可采用变送器将温度、压力等采集参数值变换为4 2 0 m a 的电流 信号，在经由一个2 5 0 欧姆电阻转变为1 5 伏的电压信号进入计算机a d 接 口板，其结构如图2 4 所示： 在实现中可采用电流传输以保证对精度及传输距离的要求。 2 、利用智能表 常规电子式变送器有电容式、振弦式等，虽然其检测元件具有多种形式， 但都是通过电子放大器将检测信号放大为4 2 0 m a 或1 - 5 v 后直流输出。近 年出现了在电子式变送器内装入一个单片微处理器，使其智能化，大大地增 加了它的功能，应用范围更广泛，其一般原理如图2 5 所示。 1 2 ：鹭鹭调 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p r o m l l 传感器 a d 微处理器d a 。 数字i o 亦 娑蟓公 x 尬日p 川 图2 5 智能变送器原理图 上图中，传感器测量值进入a d 变换器转换成数字信号送入微处理器， 微处理器据此值从p r o m 中取出储存在此的补偿数据，经微处理器计算后得 到相应的数字信号，此信号可直接输出或经d a 变换为4 - - 2 0 m a 模拟输出信 号。在此基础上如进一步完善，如增加数字显示、信号变换、量程控制及通 信等功能，就构成了智能仪表，将它作为下位机进行数据采集，并同上位机 进行通信，能很好地解决数据采集问题。 智能变送器在控制工程中的应用主要有以下几个方面： 工艺生产过程的重要参数： 要求测量进行补偿运算的参数； 采用数字通信的大型控制系统； 特殊的应用场合。 在选择控制系统的变送器时，究竟是选用常规变送器还是选用智能变送 器，应根据实际应用要求来考虑。例如，测量精度要求高的情况、测量对象 要求进行较为复杂和准确运算而常规变送器难以达到的情况、实际使用可以 带来较大效益的情况、特殊场合造成调试不便的情况下都可以考虑选用智能 变送器。其缺点是费用较高。 本系统中对测量精度要求较高，且传感器在使用过程中会因老化而影响 精度，这就要求进行误差补偿运算，另外对采集数据与工控机间的通信要求 较高。可以说采集部分是决定本系统测量及工作效果的关键部分，在此处的 投资也是最值得的，故采用数字智能表。结构如前面图2 2 所示。一方面智 能表具有较完善的数字通信功能，可以满足系统对通信的要求；另一方面也 直观地提供了机外显示，并能方便地进行误差补偿，只需几个按钮即可。而 哈尔滨工程大学硕士学位论文 如采用一般变送器，补偿运算要在软件中实现，改动一次很费事且容易出错。 此外在现场使用中传感器经常要随需要而移来移去，而与其相连的变送器之 间采用的钢性接口在频繁移动后会出现断路的现象，从而导致系统不能正常 工作，这在以前的工作中是有过类似的教训的。而本系统采用智能表，不仅 很好地解决了误差补偿问题，也使数据采集过程相对简化，收到了良好的效 果。 2 3 2 通信接口方案的选择 采集参数与计算机的通信可通过串行或并行方式进行。 l 、串行通信接口 许多外部设备和计算机是按照串行方式来进行通信的。也就是说，数据 是一位一位进行传输的，在传输过程中，每一位数据都占据一个固定的时间 长度。 如果一个数据通信系统中，对数据的两个传输方向采用不同的通路，这 样的系统就可以工作在全双工方式，采用全双工方式的系统可以同时进行发 送和接收。对于串行接口来说，就意味着可以同时进行输入和输出。与此相 对应的叫半双工方式。在半双工方式中，输入过程和输出过程使用同一通路。 本系统数据采集部分即为单向传输设备，当然只要用半双工方式就能满足需 要。 串行通信可以分为两种类型：同步通信和异步通信。 采用同步通信时，将许多字符组成一个信息组，这样，字符可以一个接 一个地传输，但是，在每组信息( 通常称为信息帧) 的开始要加上同步字符， 在没有信息要传输时，要填上空字符，因为同步方式不允许有间隙。采用异 步通信时，两个字符之间的传输间隙是任意的，所以，每个字符的前后都要 用一些数位作为分隔位。比较起来，在相同传输率下，同步通信方式的信息 有效率要比异步方式下的高，但是它要求进行信息传输的双方必须用同一个 时钟进行协调，在传输数据同时，还必须传输时钟信号。而在异步方式下， 接收方的时钟频率和发送方的不必完全一样，而只要比较接近，即不超过一 定的允许范围就行了。 按标准的异步通信数据格式，一个字符在传输时，除了传输实际编码信 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 息外，还要传输几个外加数位。在一个字符开始传输前，输出线必须在逻辑 上处于“1 状态，这称为标识态。传输一开始，输出线变为“o 状态，从 而作为起始位。之后为5 8 个信息位，在同一传输系统中，信息位的数目是 固定的。信息位后面是校验位，校验位可按奇校验或偶校验进行设置，也可 以不设置。最后的数位为“1 ，它作为停止位，可为1 位、l 。5 位或者2 位。 如传输完一个字符后，立即传输下一个字符，那么后一个字符的起始位便紧 挨着前一字符的停止位了，否则，输出线又会进入标识态。尽管在不同的传 输系统中，信息位和停止位的数目可以不相同，校验位的设置方法也可以不 相同，但在同一系统中，这些都是固定的。 同步传输时，一个信息帧中包含许多字符，每个信息帧用同步字符作为 开关，一般将同步字符和空字符用同一个代码。接收端当然是应该能识别同 步字符的，当检测到有一串数位和同步字符相匹配时，就认为开始一个信息 帧，于是，把此后的数位作为实际传输信息来处理 6 1 。 为了使通信双方互相衔接，也为了使计算机、电话以及其他通信设备互 相沟通，现在，已经对串行通信建立了几个一致的概念和标准，其中较重要 的有传输率和r s - 2 3 2 一c 标准。 所谓传输率就是指每秒传输多少位，传输率也常叫做波特率。国际上还 规定了一个标准波特率系列，标准波特率也是最常用的波特率，标准波特率 系列为11 0 、3 0 0 、6 0 0 、1 2 0 0 、1 8 0 0 、2 4 0 0 、4 8 0 0 、9 6 0 0 、和1 9 2 0 0 。大多数 接口设备的接收波特率和发送波特率可以分别设置，而且可以通过编程来指 c b 疋o r s 2 3 2 c 是1 9 6 9 年美国电子工业协会( e n ) 公布的标准。r s 是推荐 标准( r e c o m m e n d e ds t a n d a r d ) 的缩写，该标准的用途是定义数据终端设备 ( d t e ) 和数据通讯设备( d c e ) 接口的电气特性。 为了确保正确地发送二进制数据和正确地执行设备控制，必须与要使用 的信号保持一致。r s 2 3 2 c 标准为数据和控制信号提供了电压标准和范围， 以满足这个需要。电压标准为：+ 1 5 v 井3v 标识逻辑状态0 ，- 3v - - 1 5v 标 识逻辑状态1 。此外该标准还规定电缆长度限定在1 5 米以内，串行数据传输 率的范围为0 - 2 0 0 0 0 b p s 。这一规定足以覆盖个人计算机使用的5 0 - 9 6 0 0 b p s 范围，电缆长度也足以满足大多数个人计算机通讯的要求。对数据线上所传 l s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i l li i 输的数据格式，r s 一2 3 2 c 标准并没有严格的规定。所传输的数据速率是多少、 有无奇偶校验位、停止位为多少、字符代码采用多少位等问题，一般应由发 送方与接收方自行商定，达成一致的通信协议。 2 、并行通信接口 并行通信就是把一个字符的各数位用几条线同时进行传输。和串行通信 相比，在同样的传输率下，并行通信的信息实际传输速度快，信息率高。当 然，由于并行通信比串行通信所用的电缆要多，随着传输距离的增加，电缆 的开销会成为突出的问题，所以，并行通信总是用在数据传输率要求较高、 而传输距离较短的场合。 和串行通信不同，当前对并行通信还没有标准化。通常，一次传输一个 字符，不象串行通信过程那样有判断一个字符从哪儿开始、n 嘎$ j l 结束的问 题，也没有信息帧的组织格式问题。在并行通信中还没有对同步传输和异步 传输作严格的定义。 c e n t r o n i c s 接口是早期得到工业界大量支持的一个并行接口协议。这个 协议规定了3 6 脚簧片式插头座为打印机标准插头座和其3 6 脚的信号。虽然 c e n t r o n i c s 接口有缺点，但应用很广泛。微型计算机几乎都配有此种打印机 接口。 c e n t r o r t i c s 接口除规定了插头和插座外，还规定连接电缆长度为2 m ( 必 须是屏蔽线) ，且必须使用双绞线电缆连接。i o 电平1 几电平：0 0 4 v 为 低电平，2 4 v 5 v 为高电平。 由于本系统对采集周期，即通信速率要求并不是很高( 3 秒一次) ，且 要求传输距离较远( 1 0 m 以上) ，数据交互为半双工方式，考虑到实际情况， 通过上述比较，采用异步半双工串行通信方案，不仅实现起来相对简单，还 节约了通信开销，收到了满意的效果。具体实现后面章节将作进一步论述。 2 3 3 控制执行器件的选择 1 、电磁式执行器 电磁式执行器是一些螺管线圈和离合器。 螺管线圈式的执行器由线圈、位于线圈里的衔铁以及与衔铁相连的弹簧 组成。它是应用流过线圈的电流产生的磁力来工作的，一般都产生直线力。 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 根据所给电源螺管线圈有交、直流两种形式，按形状和产生的力可制成各种 结构和规格。以螺管线圈为机体，派生出各种各样的执行器，电磁阀、接触 器、继电器等都是在螺管线圈的基础上生产出来的执行器。电磁阀是用螺管 线圈的电磁力来控制气动伺伏系统或液压伺伏系统；交直流接触器和各种电 磁继电器是利用电磁力使其触点开合，以控制其他机构。 电磁式执行器的使用很广泛，其原理简单，价格便宜，能满足一般的控 制系统的要求。 2 、可控硅 在使用接触器和继电器的微机系统中，总是有不同程度的电磁干扰，而 无触点开关不仅抗干扰性能好，而且寿命长、功耗低、操作频率高、能适应 恶劣工作环境，近年来