傳感器自動(dòng)識(shí)別裝置在空調(diào)節(jié)能中的應(yīng)用

摘要：在中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能控制中, 各傳感器通過已編號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)接口連接到自動(dòng)控制裝置中相應(yīng)的輸入端。為了避免在使用過程中由于操作失誤帶來的故障,我們開發(fā)一種傳感器自動(dòng)識(shí)別裝置,它能自動(dòng)地識(shí)別各傳感器的類型和用途,保證自動(dòng)控制裝置始終按約定的輸入-輸出關(guān)系運(yùn)行。
0 引言

　　建筑節(jié)能是目前國內(nèi)外爭相進(jìn)入研究并大量投入的一個(gè)新興領(lǐng)域，中央空調(diào)是現(xiàn)代化建 筑不可缺少的重要設(shè)備之一，中央空調(diào)在向人們提供舒適環(huán)境的同時(shí)，也帶來了巨大的能源 消耗。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料介紹在大、中型酒店和賓館，中央空調(diào)消耗的能量占建筑物耗能的60%以 上，因此，中央空調(diào)節(jié)能技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用又是建筑物節(jié)能的重要領(lǐng)域，積極地開發(fā)與合理 地利用節(jié)能控制技術(shù)，是降低空調(diào)能耗的根本途徑。在中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)中,是通過安裝在 出水管與回水管上的傳感器來檢測溫度,把實(shí)際溫度送到自動(dòng)控制裝置中與設(shè)定溫度做比較 并進(jìn)行操作控制的。本文主要介紹傳感器自動(dòng)識(shí)別裝置在中央空調(diào)節(jié)能控制中的應(yīng)用.

　　1 中央空調(diào)變流量節(jié)能原理

　　變流量是指流體（氣體或液體）在特定管道或風(fēng)道流通時(shí)，其流量是按照某種特定的規(guī) 律變化的。采用變流量輸送流體的目的是在滿足終端負(fù)荷需要的前提下，實(shí)現(xiàn)輸送系統(tǒng)的節(jié) 能。 中央空調(diào)系統(tǒng)主要由空調(diào)主機(jī)、冷溫水控制設(shè)備、冷卻水控制設(shè)備和冷卻塔風(fēng)機(jī)控制設(shè) 備組成，在中央空調(diào)系統(tǒng)中，冷溫水泵、冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)的容量是按照建筑物最大設(shè) 計(jì)熱負(fù)荷選定的，且留有10%—15%的余量,在一年四季中，系統(tǒng)長期在固定的最大水流量下 運(yùn)行。

　　由于季節(jié)、晝夜和用戶負(fù)荷的變化，空調(diào)實(shí)際的熱負(fù)荷在絕大部分時(shí)間內(nèi)遠(yuǎn)比設(shè)計(jì)負(fù) 載低。一年中負(fù)載率在50%以下的運(yùn)行小時(shí)數(shù)約占全部運(yùn)行時(shí)間的50%以上。當(dāng)空調(diào)冷負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，所需空調(diào)循環(huán)水量也應(yīng)隨負(fù)荷相應(yīng)變化。所以，采用變流量控制技術(shù)，可以實(shí) 現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能，包括中央空調(diào)一次泵系統(tǒng)對(duì)冷溫水泵、冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)的變 流量控制；中央空調(diào)系統(tǒng)中新風(fēng)系統(tǒng)、變風(fēng)量系統(tǒng)、一次回風(fēng)系統(tǒng)和二次回風(fēng)系統(tǒng)等變流量 控制。這些變流量控制系統(tǒng)普遍采用自動(dòng)控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)，通過控制流量達(dá)到節(jié)能 的目的。

　　系統(tǒng)正常啟動(dòng)后，由現(xiàn)場安裝的溫度傳感器和變送器，流量傳感器和變送器、壓差傳感 器和變送器、智能電表等將檢測的數(shù)據(jù)傳送給智能I/O 模塊，通過實(shí)測值與設(shè)定值相比較， 計(jì)算出該量值的偏差和偏差變化率，通過模糊控制運(yùn)算，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)變頻器的運(yùn)算頻率，滿足 系統(tǒng)負(fù)荷的需要。其中，檢測的冷溫水回水溫度，用于控制冷溫水泵轉(zhuǎn)速；檢測的冷卻水出 水溫度，用于控制冷卻水泵轉(zhuǎn)速；檢測的冷卻水進(jìn)水溫度，用于控制冷卻塔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。水泵 和風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)消耗功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，控制轉(zhuǎn)速就能實(shí)現(xiàn)大幅度節(jié)能。壓差傳感器檢 測的供回水總管的壓差，主要用于保護(hù)功能，當(dāng)壓差超過一定量值時(shí)，控制旁通閥的開度， 保障系統(tǒng)安全運(yùn)行；智能電表檢測的量值用于系統(tǒng)管理，計(jì)算出系統(tǒng)消耗的電能，繪制節(jié)能 曲線和節(jié)能的歷史記錄。

　2 傳感器自動(dòng)識(shí)別裝置的組成

　　空調(diào)主機(jī)通常安裝在地下層或?qū)ｉT的房間里，工作環(huán)境惡劣，離需要供熱（或制冷）的 房間較遠(yuǎn)，在空調(diào)運(yùn)行過程中，我們需要對(duì)冷凍水供回水溫度和冷卻水進(jìn)出水溫度進(jìn)行采集， 傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)中，傳感器與控制計(jì)算機(jī)之間是通過電纜接線的方式來連接的，在對(duì)系統(tǒng)進(jìn) 行調(diào)試、監(jiān)測、檢修時(shí)，經(jīng)常需要斷開傳感器輸出端的連接線纜作一些測試操作，操作完畢 恢復(fù)連接時(shí)容易發(fā)生連接錯(cuò)誤的情況。而在工程現(xiàn)場，傳感器編號(hào)標(biāo)識(shí)模糊不清甚至標(biāo)識(shí)消 失的情況時(shí)有發(fā)生，工程技術(shù)文件又一時(shí)難以獲得甚至遺失。這樣，必須花費(fèi)相當(dāng)?shù)娜肆Α?物力和時(shí)間來辨識(shí)和確認(rèn)各傳感器和各輸入端的連接關(guān)系，一旦傳感器與輸入端口的連接出 錯(cuò)，將會(huì)造成系統(tǒng)運(yùn)行故障。針對(duì)這種情況，我們研究一種傳感器自動(dòng)識(shí)別裝置，將傳感器 自動(dòng)識(shí)別技術(shù)用于在線自動(dòng)識(shí)別各個(gè)傳感器的類別和用途，無需人工編號(hào)標(biāo)識(shí)、對(duì)號(hào)連接， 可保證系統(tǒng)自動(dòng)地按照設(shè)計(jì)約定的輸入—輸出關(guān)系運(yùn)行，可以降低系統(tǒng)施工、調(diào)試、檢修成 本，避免因連接錯(cuò)誤造成的意外故障。這是一種無需利用接口的編號(hào)標(biāo)識(shí)，能自動(dòng)地識(shí)別各 傳感器的類型和用途，保證自動(dòng)控制裝置始終按約定的輸入-輸出關(guān)系運(yùn)行的一種裝置。

　　傳感器自動(dòng)識(shí)別裝置由傳感器、模擬量輸入單元、運(yùn)算單元、傳感器自動(dòng)識(shí)別規(guī)則庫、 傳感器失效判斷規(guī)則庫、傳感器識(shí)別單元和傳感器信息顯示單元組成。其原理框圖如下：

　?。?）傳感器個(gè)數(shù)為1～10 個(gè)，各傳感器輸出的模擬量電平相同，各傳感器采集的物理量的實(shí)際有效取值范圍相對(duì)全量程范圍而言較小或各傳感器采集的物理量的特征量如時(shí)域、頻域或相關(guān)性特征量有比較明顯的差別。多數(shù)常用的自動(dòng)裝置中的傳感器組都能滿足要求。

　?。?）運(yùn)算單元對(duì)各傳感器輸出信號(hào)作特征量提取運(yùn)算，提取的特征量可以有算術(shù)平均 值、方差、極差、差分值、波動(dòng)周期等。運(yùn)算采樣數(shù)可取 10～20。運(yùn)行時(shí)需要運(yùn)算提取的 特征量和采樣數(shù)由自動(dòng)識(shí)別規(guī)則庫確定。

　?。?）自動(dòng)識(shí)別規(guī)則庫和失效判斷規(guī)則庫是根據(jù)系統(tǒng)所采用傳感器的類別和特點(diǎn)離線預(yù) 設(shè)的，兩個(gè)規(guī)則庫內(nèi)建的規(guī)則來自專業(yè)知識(shí)、常識(shí)性知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)等。

　?。?）識(shí)別單元依據(jù)自動(dòng)識(shí)別規(guī)則庫和失效判定規(guī)則庫的規(guī)則，對(duì)運(yùn)算單元輸出的各傳 感器特征量作自動(dòng)識(shí)別，識(shí)別單元輸出的是各傳感器的類型、用途、用于系統(tǒng)的檢測點(diǎn)位置 和是否絕對(duì)失效。識(shí)別單元的輸出以數(shù)字信號(hào)形式送入計(jì)算機(jī)控制器，控制器確認(rèn)各傳感器 均正常后進(jìn)入控制運(yùn)算程序，并保證控制運(yùn)算按設(shè)計(jì)約定的輸入—輸出關(guān)系進(jìn)行，并在顯示 器上作相應(yīng)的顯示。

　?。?）自動(dòng)識(shí)別和失敗判定程序在中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行15 min 后執(zhí)行。

　　3 傳感器自動(dòng)識(shí)別裝置工作原理

　?。?）收集各傳感器的采樣值，采樣數(shù)為10～20 次，采樣周期為0.5～5S。

　?。?）對(duì)傳感器的采樣值經(jīng)運(yùn)算單元分別作特征量提取運(yùn)算，提取的特征量有算術(shù)平均值， 方差，變化范圍，數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)間的1、2、3、4 階導(dǎo)數(shù)，數(shù)據(jù)的波動(dòng)周期，頻域特性，相關(guān)性。 需要提取的特征量的數(shù)量和種類因自動(dòng)控制裝置的不同而不同，由內(nèi)建的自動(dòng)識(shí)別規(guī)則庫來 確定。

　?。?）對(duì)各傳感器的特征量經(jīng)傳感器識(shí)別單元分別作比對(duì)判斷運(yùn)算。比對(duì)判斷運(yùn)算的輸入 信息是各傳感器的特征量、類型和用途；比對(duì)判斷運(yùn)算的依據(jù)是傳感器自動(dòng)識(shí)別規(guī)則庫；比 對(duì)判斷運(yùn)算的決策是各傳感器的類型、用途和用于自動(dòng)控制裝置的輸入端口。

　　（4）自動(dòng)控制裝置正常運(yùn)行后，對(duì)各傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行長期在線監(jiān)視。傳感器采集 的數(shù)據(jù)偏離量程范圍時(shí)，判斷為絕對(duì)失效，在傳感器信息顯示單元提供報(bào)警信號(hào)；傳感器采 集的數(shù)據(jù)雖然在量程范圍內(nèi)但偏離正常范圍時(shí)，判斷為相對(duì)失效（相對(duì)失效發(fā)生在系統(tǒng)啟動(dòng) 后尚未進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行的初期），提供保持運(yùn)行信號(hào)（保持時(shí)間T 可設(shè)置），保持時(shí)間T 后，傳 感器采集的數(shù)據(jù)雖然在量程范圍內(nèi)但仍然偏離正常范圍，判定為連接關(guān)系錯(cuò)誤，同時(shí)傳感器 信息顯示單元提供連接錯(cuò)誤告警信號(hào)。長期監(jiān)視的判定依據(jù)是失效識(shí)別規(guī)則庫。

　　實(shí)現(xiàn)本自動(dòng)識(shí)別方法的硬件和軟件，主要涉及CPU 單元、存儲(chǔ)器、操作界面。硬件和軟件的配置可以在自動(dòng)控制裝置的硬件、軟件配置時(shí)一并考慮，不必單設(shè)。

　　4 結(jié)論

　　傳感器自動(dòng)識(shí)別裝置的關(guān)鍵在于正確建立傳感器自動(dòng)識(shí)別規(guī)則庫和傳感器失效判定規(guī) 則庫。另外，傳感器運(yùn)算單元也要建立各種運(yùn)算規(guī)則，我們可以選取不同運(yùn)算模型的運(yùn)算結(jié) 果獲得對(duì)被控系統(tǒng)的優(yōu)化控制。本裝置不同于另外增加有線或無線通道、對(duì)傳感器作編碼識(shí) 別的方法，而是利用傳感器自身傳輸信號(hào)的特征量進(jìn)行識(shí)別，即用軟件技術(shù)替代硬件配置的 方法。使用該裝置能避免傳感器與控制裝置之間的接口連接關(guān)系錯(cuò)誤，保證自動(dòng)控制裝置始 終按照約定的輸入—輸出關(guān)系運(yùn)行，以降低施工、調(diào)試成本，提高工作效率。傳感器自動(dòng)識(shí) 別裝置用于中央空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)是一個(gè)應(yīng)用案例，該技術(shù)也可以用在其他電機(jī)拖動(dòng)自動(dòng)控制系 統(tǒng)中。