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室内机20台，与室外机进行CAN总线通讯。

设计一个空调多联机系统，并对其进行控制，设计控制系统的目标是室内温度波动小于±

1.5度，尽可能节能。

2系统对象描述

2.1多联机空调系统

多联机空调系统也成为家用中央空调VRV系统（或简称为多联机），是户用中央空调的一个类型。

我国标准GB/T18837-2002对多联机作了以下的定义：

一台或数台风冷室外机可连接数台不同或相同型式容量的直接蒸发式室内机构成单一制冷循环系统，它可以向一个或数个区域直接提供处理后的空气。

通过对制冷系统的优化设计和控制方式的改善，多联机空调机可以精确地控制压缩机的制冷剂循环量和进入室内各换热器的制冷剂流量，适时地满足室内冷、热负荷的要求。

与传统中央空调相比，多联机既可单机单独控制、又可群组控制，克服了传统中央空调只能整机运行、调节范围有限、低负荷时运行效率不高的弊病；

而与水系统中央空调相比，省去了主机房、冷却塔、水输配系统等设备，没有水管漏水隐患；

与空气系统（管道机）相比，则省去了风管的安装。

而且它一改传统中央空调操作复杂的面目，使操作变得十分简单。

2.2数码涡旋机

由于空调系统大部分时间是出于部分负荷下工作的，因此采用变容量调节技术对空调系统的节能效果是比较显著的。

目前多联机采用的变容量调节技术的方式主要有：

变频技术、数码涡旋技术及能量控制技术。

本系统采用的是数码涡旋技术，数码涡旋压缩机由美国谷轮公司于1995年成功研制。

数码涡旋压缩机的定涡旋顶部装有一个活塞，活塞顶部有一个容量调节腔。

容量调节腔通过一个电磁阀与压缩机的低压吸气管相连。

当电磁阀处于关闭状态时，有一个弹簧力确保两个涡旋盘共同加载，使压缩机处于“负载状态”，其容量为100%。

当电磁阀通电后，使活塞带动定涡旋盘向上移动（约1mm），两涡旋盘分离，无制冷剂流过压缩机，形成“卸载状态”，其容量为0%。

数码涡旋压缩机通过电磁阀的开启与关闭，不断的变换定涡旋盘的升起与啮合，即通过改变“时间周期”中的“负载状态”时间与“卸载状态”时间的比例来实现压缩机的容量调节，所以称为数码涡旋压缩机。

3系统结构

中央空调系统的控制在传统上有3种控制方式：

早期的继电器控制系统、直接数字式控制器DDC以及今天的PLC（可编程序控制器）控制系统。

继电器控制系统由于故障率高，系统复杂，功耗高，进而成本较高等明显的缺点已逐渐被淘汰。

直接数字式控制器DDC虽然在智能化方面有了很大的发展，但由于直接数字式控制器其本身的抗干扰能力问题和分级分步式结构的局限性而限制了其应用范围。

相比，PLC控制系统以其可靠的运行性能、强大丰富的指令集、丰富的内置集成功能、强劲的通讯能力和丰富扩展模块、较强的抗干扰能力等显著特点使其逐步得到广泛的应用。

本设计中的会议室中央空调控制系统将采用PLC控制方式。

本系统的主要控制目标是对室内温度进行调节，保持室内温度在给定温度±

1.5度的范围内波动。

对温度的调节主要是通过室外机即两个定频机和一个数码涡轮机对制冷剂的容量进行控制，两个定频机只能进行分级的控制，而数码涡轮机则可以通过压缩机容量的调节实现温连续的控制，通过流量控制阀控制每个房间制冷剂的多少，从而实现每个房间按照给定的温度进行温度调节。

系统的控制过程是设定各个会议室的温度，通过CAN总线将温度值和房间号传输到PLC中，PLC实时的接收到所有会议室的温度数据，然后控制定频机和数码涡轮机产生相应容量的制冷剂，通过流量控制阀控制制冷剂按照给定温度值对应的量流入各个会议室的室内机中，室内机将压缩的制冷剂解压缩，降低室内的温度，温度传感器检测室内温度，将之反馈到PLC中，PLC将之与给定温度对比，由此确定流量控制阀的开合度，实时的改变制冷剂的流量，直至室内温度保持在给定温度的误差范围内系统的控制可以采取两种方式：

一种是用上位机对所有的室内机进行控制，另一种是通过键盘在单个会议室内对其室内机进行控制。

整个中央空调多联机系统的结构图如图1所示。

硬件方面采用的是西门子公司的S7-400系列PLC、温度传感器采用的是LM335，另外还有一些模数转换的模块。

图1中央空调多联机系统的结构图

西门子S7-400PLC是用于中、高档性能范围的可编程程序控制器。

采用模块化无风扇的设计，可靠耐用，同时可以选用多种级别（功能逐步升级）的CPU，并配有多种通用功能的模块，这使用户能根据需要组合成不同的专用系统，当控制系统规模扩大或升级时，只要适当的增加一些模板，就能使系统升级充分满足需要。

温度传感器采用LM335。

LM135/235/335系列是美国国家半导体公司（NS）生产的一种高精度易校正的集成温度传感器。

利用LM334集成恒流源给其提供恒定的工作电流，可使工作电压变宽为5-24V，灵敏度达到10mV/K。

4软件结构

本系统功能描述如下：

系统包括三台定频机和一台数码涡旋机，各个会议室默认设定温度为24度，在各个会议室通过遥控器将室内机打开后，温度传感器会检测室内的温度，而每个室内机中集成的微控制器会根据当前温度数据以及设定的温度值计算出其所需的制冷量，然后通过CAN总线将数据传输到PLC中，PLC整合所有会议室的室内机数据，从而求出所有房间所需的总制冷量并发送指令控制定频机和数码涡旋机制输出相应流量的制冷剂，而各个室内机控制器根据内部的控制程序自动调节控制流量控制阀的开合度。

在调节制冷剂总量的同时，每个会议室末端流量控制阀同步向预定值进行调节。

所以该系统需要两个控制系统，一个是总制冷量的控制，另一个是每个会议室温度的控制。

4.1制冷剂总量控制

总制冷量的控制主要就是对三个定频机和一个数码涡轮机的控制，当系统总能力需求小于或等于数码涡轮压缩机能力输出时，即系统总功率小于30kw时，只开启数码涡轮机，而数码涡轮机的输出容量百分比可以从10%~100%，根据实际的功率要求来对数码涡轮机的输出容量进行控制。

当系统总能力需求大于数码压缩机能力时，定频机与数码涡轮机同时使用，使用的规则如下：

1）系统总功率大于30kw，小于55kw时，开启数码涡旋机和一台定频机；

2）系统总功率大于55kw，小于80kw时，开启数码涡旋机和两台定频机；

3）系统总功率大于80kw，小于105kw时，开启数码涡旋机和三台定频机。

在定频机启动运行前提下，数码涡旋机输出容量百分比最低不能低于20%。

数码涡轮机的容量输出根据计算得到的总容量来确定，其控制运用脉冲宽度调制技术，通过控制压缩机的动静涡旋盘的离合来调节系统的制冷剂流量，使整个系统更加节能、性能更加可靠、室内温度控制更加精确、人体更加舒适。

该部分的软件结构图如图2所示，其中数码涡旋压缩机和三台定频机分别以代号“数-压”、“定频1”、“定频2”和“定频3”表示。

图2制冷剂总量控制框图

4.2单个会议室温度控制

每个会议室温度的控制本质上是对每个会议室内的室内机制冷剂流量的控制，控制过程如下：

首先设定会议室的初始温度值作为输入信号，然后对温度值进行变换，将之转化为制冷剂的单位时间流量，通过PID控制器控制流量控制阀的开合量来达到制冷剂的流量要求，从而改变室温，再通过温度传感器检测当前室温，将之与设定温度值进行比较，将温差作为输入信号再次调节。

控制框图如图3所示，软件结构框图如图4所示。

图3单个会议室温度控制框图

图4单个会议室温度控制流程图

5操作结构

本系统中的人机操作界面有两个部分，一个是中央空调管理系统，另一个是室内机遥控器。

中央空调管理系统采用LabVIEW进行编写，人机界面比较友善，可以完成对整个中央空调系统的控制，包括一台数码涡旋机和三台定频机的控制、各个室内机的开关控制、各个会议室的温度控制、各个室内机流量控制阀的开合量控制等。

由于其功能比较复杂，暂时无法进行详细的设计，这里给出设定的一些功能按钮以及其作用，如表1所示。

表1中央空调管理系统功能按钮说明

按钮名称

按钮功能

电源开/关

开/关整个系统

自动/手动

将系统调节设定为手动调节或自动调节

数码涡旋机开/关

开/关数码涡旋机

定频机X开/关

开/关定频机X

室内机XX开/关

开/关室内机XX

（以下均为手动模式下）

数码涡旋机功率XX

将数码涡旋机输出功率设定为XX

会议室XX温度XX度

将会议室XX的温度设定为XX度

室内机XX流量阀开合量XX

将室内机XX的流量阀开合量设定为XX

室内遥控器的主要功能是控制室内机的状态，包括室内机开关控制、室内的温度控制、室内机运行时间设定、室内机扫风模式设置等，具体的按钮功能设定如表2所示。

表2室内机遥控器功能按钮说明

按钮功能说明

开/关

室内机电源开/关

温度升

每按下一次设定温度上升一度

温度降

每按下一次设定温度下降一度

定时XX分钟

设定室内机运行时间为XX分钟，XX分钟后，室内机关闭

扫风模式

每按下一次，扫风模式就在原模式的基础上下移到另一个模式，初始的模式顺序为：

上下扫风、上扫风、下扫风、横向扫风

6通讯结构

系统中的通讯主要包括两个部分，一个是各个室内机、空气压缩机与PLC之间的通讯，另一个是室内机遥控器与室内机之间的通讯。

室内机、空气压缩机与PLC之间的通讯采用的是CAN总线，室内机遥控器与室内机之间的通讯采用的是红外线。

CAN（ControllerAreaNetwork）总线属于现场总线（FieldBus）的范畴。

它适用于工业控制系统，具有通信速率高、可靠性强、连接方便、性能价格比高等诸多特点。

CAN协议最初是德国BOSCH公司为解决现代汽车内部大量的控制测试仪器与传感器、执行机构之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议。

CAN协议对数据通信提供了如下保证：

1）数据通信的可靠性

采用CRC校验以及独特的数据信号表示方式，并具有错误识别及自动重发功能；

2）数据通信的实时性

数据传输速率高（1Mbps），优先级高的数据享有占用总线的优先权，高优先级的数据可在134us内得到传输；

3）数据通信的灵活性

多主站总线结构，各总线结点间可直接通信，面向数据块的通信方式，每帧数据量为8个字节，通信介质可为双绞线、同轴电缆或光线，通过标准插接件可方便的连接。

整个系统通过CAN总线进行通讯的结构图如图5所示，其中PLC与CAN总线通讯的智能CAN总线通信适配卡采用的是德国SystemeHelmholz公司CAN300（400）模块，该模块可以应用于S7-300（400）系统，通过控制器连接CAN站。

模块可以安装在中央机架中也可以是扩展机架中，通过背板总线CAN300（400）模块同CPU进行数据交换。

通过背板总线CAN300（400）模块同CPU进行数据交换。

借由提供的CAN通讯功能块可以方便处理CAN的通讯。

通过窗口参数工具“CANParam”，对CAN通讯参数的设定非常方便。

图5中央空调多联机系统的通讯结构图

图6单元控制器结构图

中央空调多联机系统的结构图中的单元控制器用于每个室内机与CAN总线进行信息交互以及键盘控制，具体的结构图如图6所示。

主要功能是进行室内机控制器与CAN总线之间的通讯，通过CAN总线实现与PLC之间的信息交互。

室内机遥控器与室内机之间的通讯主要是通过红外线来进行，主要用于对室内机的各种状态进行控制，具体的状态控制及按键设置见第5节“操作结构”。

红外通信是利用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，即通信信道。

发送端将基带二进制信号调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。

接收端将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。

常用的有通过脉冲宽度来实现信号调制的脉宽调制（PWM）和通过脉冲串之间的时间间隔来实现信号调制的脉时调制（PPM）两种方法。

7下一步工作

本系统的整体设计虽然已经完成，但是还有很多具体的工作需要做，主要包括以下几个方面：

1）系统数学模型的建立；

2）室温闭环控制PID控制器参数选择；

3）室内机控制器的软硬件设计；

4）室内机遥控器的硬件设计；

5）PLC程序设计；

6）用LabVIEW进行人机界面设计；

只有将上述几个方面的工作全部完成才能真正的完成多联机空调控制系统的设计。