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CAN总线在智能建筑温湿度自控系统上的应用
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摘要:智能大厦是在传统建筑的基础上增加了楼宇、办公、通信等3个自动化系统的高科技大厦。楼宇自动化系统(BAS)是智能大厦的重要组成部分,它采用传感技术、计算机技术和现代通信技术,实现对大厦内的空调、电力、电梯、供排水、防火、防盗和视频监控等设备实行综合自动管理,具有各种安全保护、运行监控等管理功能。给用户提供舒适、安全的内部环境。
Abstract:
Key words :

  智能大厦是在传统建筑的基础上增加了楼宇、办公、通信等3个自动化系统的高科技大厦。楼宇自动化系统(BAS)是智能大厦的重要组成部分,它采用传感技术、计算机技术和现代通信技术,实现对大厦内的空调、电力、电梯、供排水、防火、防盗和视频监控等设备实行综合自动管理,具有各种安全保护、运行监控等管理功能。给用户提供舒适、安全的内部环境。因此,智能大厦的各个场所、各个房间,温湿度必须常年控制在某一特定的范围内,实现温湿度控制智能化。
  本文介绍的温湿度自动控制系统,基于CAN总线,采用Intel 80C196KC16位单片机作为智能节点控制器,系统通信可靠、快捷,硬件电路设计和软件编程简单,能较好地满足智能大厦对环境的智能化要求,达到节能的目的。

2 系统的总体方案设计及工作原理
  系统由上位管理机、CAN接口适配卡和多个智能节点组成,节点数量可根据建筑物的规模增减。采用CAN总线作为通信网络将各节点连接成一个分布式智能控制系统。系统的总体结构如图1所示。网络拓扑结构采用总线方式,上位管理机采用PⅢ500PC机,以80C196单片机为节点控制器,传输介质采用双绞线,通信位速率设为20kb/s,CAN总线任意两节点之间的距离可以达到3.3km,完全可以满足智能大厦内部的通信要求。上位机通过CAN接口适配卡与CAN总线相连,进行信息交换,负责对整个系统进行监视管理。节点控制器通过CAN总线接收上位机的各种操作控制命令和设定参数;实时采集各模拟量输入通道的温湿度值,采集新风处理设备,包括送、回风机、过滤器、冷却器、加热器和加湿器等设备的开关状态信号。当检测到温湿度与设定值有偏差时,执行温度和湿度算法,输出相应的控制量给执行器(电动调节阀),调节盘管内的水流量,保持送风的温、湿度在要求上控制范围内;如果发现温度或湿度超过了设定的上下限,则会立即发出声、光报警,同时输出相应的极限值到执行器,使温湿度尽快回到设定范围。
2.1节点硬件电路设计
  节点硬件电路以Intel
16位单片机80C196KC为核心,选用SJA1000作为CAN控制器,并使用了CAN控制接口芯片PCA8250。82C250可以提供对总线的差动发送和接收功能,提高系统总线的节点驱动能力,增大通信距离,降低干扰。节点硬件电路如图2所示。在图2中,利用80C196KC多达6路的高速输出器HSO来产生PWM输出,可使系统具有9路模拟量输出和8路模拟量输入的能力。为减少元件数,节约电路板空间,选用可编程器件PSD302进行系统扩展和I/O重组,它将单片机所需的大部分外围接口功能,如EPROM(64kB)、SRAM(2kB)和可编程逻辑器件(PLD)集成在一块芯片上,并提供8路开关量输入和8路开关量输出。80C196KC的P1口主要用于温度、湿度超限时的报警指示,但P1.3、P1.4、P1.5一起作为PWN方波输出端。P2口除完成一些特殊功能外,还为看门狗电路X25045提供片选信号。时钟芯片DS12887A在程序中编程为提供每秒定时中断,通过HSI.0向80C196KC提出中断请求,在达到设定的间隔时间后将执行增量型PID控制算示和模糊控制算法。X25045实现硬件看门狗功能,它也提供512B
EEPROM来保存重要的系统控制参数。每当系统掉电、上电后,通过串行时钟输出端SO将重要的系统参数读到特定RAM区,使程序恢复正常运行。

3 系统软件设计
  系统的软件设计主要包括上位机的通信处理软件和现场测控节点的数据采集与处理软件的编写。
3.1上位机软件
  采用基于Windows95平台的Visual和Basic6.0面向对象的32位可视化高级语言编写。具有系统参数(如波特率、输出控制、报文标识与屏蔽等)设置、监视状态设置、数据发送和接收、本机状态查询、节点状态查询、上下限报警、中断接收数据管理等功能模块,程序功能模块如图3所示。上位机首先对CAN总线适配卡及自身初始化,然后发送命令通知特定节点向CAN总线上发数据。通过CAN总线适配卡转换后,再由上位机根据实际情况进行相应的处理。上位机采用定时轮循方式向各个节点发命令,而采用中断方式接收数据。
3.2智能节点软件设计
  智能节点软件由初始化、发送数据和中断处理三部分组成,主要完成两项任务:一是温、湿度传感器的采样与控制算法,二是当上位机请求数据时将节点所在现场的温、温度和CAN节点状态等数据传送给上位机。温、湿度传感器的采样与控制算法在定时器中断服务程序中完成,数据信息的传输在主程序下完成。

4 系统节能措施
  智能大厦的空调器、制冷、供热设备,由于设备众多而且分散,其能耗占整个建筑的50%左右,是智能建筑的耗能大户,为实现能量的优化管理与控制,满足系统节能的要求,在保证舒适的前提下,采取以下措施:
(1)设定程序使餐厅、会议室等间歇使用处的空调机组在满足舒适性的前提下间歇运动;按照事先设定好的时间表,根据上下班时间定时启动或停止办公室的空调机组;节假日停止运行,以达到节能目的。
(2)由于智能大厦中的房间均为舒适性空调,室内的温湿度设定值并不需要全年固定不变,因此可按季节对温度设定值进行变设定值控制。如夏季温度设定在2326℃范围内,冬季设定在1820℃,而过渡季节允许在2025℃范围内波动。通过上述温度变设定值控制可大幅度降低不必要的能理消耗。
(3)控制器的执行算法模块主要采用了增量型PID控制算法和模糊算法。程序开始运行后,被控量的偏差较大,此时将采用增量型PID控制算法,使被控量尽快回到设定值附近。然后,当偏差处于某一预定范围内时,将采用模糊控制算法减少控制量对被控量微小变化产生过于灵敏的动作,防止被控量在设定值附过产生振荡现象。实现PID控制算法和模糊控制算法的理想结合,使系统达到节能目的。
(4)采用先进的变频装置,对水泵、风机进行变频调速,效果明显,变风量空调控制可减少空调负荷15%30%。由于空调机组、新风机组和风机盘管的负荷是经常变化的,如人员的频繁进出,室外天气的变化等。通过对热泵机组和冷冻水泵按需冷量进行台数控制,可以达到节能的目的。
(5)充分利用新回风的冷(热)量并加以焓值控制,能节约相当可观的能量。

5 结束语
  CAN总线以其独特的设计思想、优良的性能和极高的可靠性,越来越受到人们的重视。在智能楼宇系统中使用CAN总线技术,提高了系统内部的通信速率、实时性,降低了误码传送率。实际应用证明本系统控制效果好,可靠性高,温度控制精度可达到±0.5℃,湿度控制精度达到±2%RH,充分保证了智能大厦的舒适性和安全性。

参考文献
1 阳宪惠。现场总线技术及其应用. 北京:清华大学出版社,1999
2 周风余等。CAN总线及其在机器人中的应用。测控技术,2000(3)
3 邬宽明 CAN总线原理和应用系统设计。北京航空航天大学出版社,1996
4 肖学军、王健。专用新风机控制器的设计,电子技术,2000(3)

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