范忠強(qiáng) 姜周曙 徐平 黃國(guó)輝
(杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院, 杭州, 310018)
(聯(lián)系電話:0571-86919133, E-mail:fanzq1314521@126.com )
摘 要:熱泵控制器的性能對(duì)于熱泵熱水機(jī)的運(yùn)行效率和節(jié)能特性至關(guān)重要。研制了基于ARM9嵌入式處理器的高性能熱泵控制器。在分析熱泵熱水機(jī)系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上，給出了由采集控制單元和圖形操作單元組成的熱泵熱水機(jī)控制器的二級(jí)總體結(jié)構(gòu)。完成了以freescale 8位單片機(jī)MC9S08DZ60為核心的采集控制單元的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了基于S3C2410 ARM9處理器的圖形操作單元的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、WINCE操作系統(tǒng)的移植和應(yīng)用程序的編制。運(yùn)行結(jié)果表明，該熱泵熱水機(jī)控制器不僅運(yùn)行穩(wěn)定可靠、操作簡(jiǎn)單、界面友好、性價(jià)比高，具有智能融霜、低溫啟動(dòng)與運(yùn)行、故障診斷、節(jié)能高效運(yùn)行、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析處理以及遠(yuǎn)程通訊等功能。
關(guān)鍵詞:熱泵熱水器控制器；節(jié)能；ARM9；圖形操作單元；
1 引言
能源緊缺問(wèn)題成為當(dāng)今世界各國(guó)面前的重大問(wèn)題。節(jié)能減碳受到了國(guó)際上的高度重視。熱泵技術(shù)近年來(lái)倍受關(guān)注，它通過(guò)消耗少量的高品位電能，從低溫?zé)嵩锤咝〉推肺粺崮�，并將�?/SPAN>“泵升”到高溫?zé)嵩矗瑥亩鴮⒌推肺荒茉崔D(zhuǎn)為高品位能源，減少能源的墑增損失，節(jié)約高品位能源，提高能源利用率[1]。
熱泵系統(tǒng)能否高效、節(jié)能運(yùn)行，很大程度上取決于熱泵控制器的性能。把ARM核微處理器引入現(xiàn)代熱泵控制系統(tǒng)，不僅能有效解決智能融霜、低溫啟動(dòng)與運(yùn)行、故障診斷和節(jié)能高效運(yùn)行等問(wèn)題，而且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析和處理、系統(tǒng)優(yōu)化等復(fù)雜功能[2]�；�ARM9的熱泵控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的控制策略，進(jìn)一步提高系統(tǒng)能效比，達(dá)到節(jié)能、降耗和減排的目的。
2 系統(tǒng)需求分析
高性能熱泵熱水機(jī)控制器應(yīng)具有系統(tǒng)優(yōu)化控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，操作方便、友好的交互界面，故障報(bào)警和故障診斷功能，智能融霜、低溫啟動(dòng)與運(yùn)行，遠(yuǎn)程通訊功能等功能和特點(diǎn)。
系統(tǒng)需求分析是設(shè)計(jì)高性能熱泵熱水機(jī)控制器的首要環(huán)節(jié)，主要包括分析系統(tǒng)功能和輸入輸出點(diǎn)，本系統(tǒng)的主要輸入輸出點(diǎn)如表1所示。
表1 系統(tǒng)的輸入輸出點(diǎn)
|
序號(hào) |
模擬量輸入 |
開關(guān)量輸入 |
開關(guān)量輸出 |
|
1 |
熱水進(jìn)水溫度 |
壓縮機(jī)啟動(dòng) |
風(fēng)機(jī) |
|
2 |
熱水出水溫度 |
電源欠逆相 |
壓機(jī) |
|
3 |
壓縮機(jī)吐出溫度 |
壓縮機(jī)過(guò)載 |
液管電磁閥 |
|
4 |
冷風(fēng)出風(fēng)溫度 |
壓縮機(jī)過(guò)熱 |
除霜電磁閥 |
|
5 |
高壓壓力 |
風(fēng)機(jī)啟動(dòng) |
異常報(bào)警 |
|
6 |
低壓壓力 |
風(fēng)機(jī)過(guò)熱 |
/ |
|
7 |
/ |
風(fēng)機(jī)過(guò)載 |
/ |
|
8 |
/ |
循環(huán)水流開關(guān) |
/ |
|
9 |
/ |
遠(yuǎn)端溫度開關(guān) |
/ |
3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
熱泵熱水機(jī)的工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較惡劣，電磁干擾比較嚴(yán)重，如壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)的開停機(jī)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的脈沖干擾。因此，對(duì)熱泵熱水機(jī)控制器的性能提出了嚴(yán)格的要求，本系統(tǒng)采用如圖1所示上下位機(jī)兩級(jí)結(jié)構(gòu)，具有擴(kuò)展方便、通用性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
1) 采集控制單元。以freescale 8位單片機(jī)MC9S08DZ60為核心，配合外圍電路和驅(qū)動(dòng)單元，實(shí)現(xiàn)熱泵機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集和控制量的輸出等功能。
2) 圖形操作單元。以功能強(qiáng)大的ARM9處理器為核心，配合LCD、觸摸屏、USB接口、網(wǎng)卡接口、串口等完成信息交換、人機(jī)交互和遠(yuǎn)程控制的功能。
4 采集控制單元
采集控制單元要完成的基本功能是：完成對(duì)系統(tǒng)各模擬量和開關(guān)量的采集，將數(shù)據(jù)發(fā)送到圖形操作單元進(jìn)行處理；接收?qǐng)D形操作單元發(fā)出的指令，輸出控制外部繼電器。采集控制單元主要分為三部分：采集部分、控制部分、通訊部分。采集的信號(hào)類型為：開關(guān)量、Pt100熱電阻信號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（4~20mA或1~5V）和熱電偶信號(hào)；控制部分主要是實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的輸出；通訊部分主要基于RS232協(xié)議和RS485協(xié)議實(shí)現(xiàn)串行通訊。
采集控制單元以飛思卡爾MC9S08DZ60芯片作為微控制器，主要的外圍硬件電路模塊包括電源管理模塊、開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬信號(hào)采集模塊以及通訊模塊等。采集控制單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。
MC9S08DZ60片內(nèi)資源[3]包括HCS08 CPU內(nèi)核，存儲(chǔ)器通信接口系統(tǒng)保護(hù)。時(shí)鐘頻率最高可達(dá)40MHZ(總線頻率20MHZ)；外設(shè)豐富：包含了EEPROM存儲(chǔ)器、WDT看門狗電路、電源監(jiān)控電路、SPI和IIC總線、CAN、LIN總線接口等豐富資源集成于一體；調(diào)試方便：支持片上及在線仿真并帶總線實(shí)時(shí)捕獲功能。
5 圖形控制單元
圖形控制單元以S3C2410 ARM9處理器為主芯片構(gòu)成硬件系統(tǒng)，采用Windows CE.NET操作系統(tǒng)，并基于Embedded Visual C++開發(fā)應(yīng)用程序。
5.1 硬件系統(tǒng)組成
圖形操作單元以三星S3C2410芯片為核心，以四線制電阻式觸摸屏和SHARP 8寸彩色液晶屏作為人機(jī)交互界面，采用SDRAM和NAND FLASH 擴(kuò)展存儲(chǔ)。通訊接口擴(kuò)展了以太網(wǎng)接口和RS232/RS485接口，通用USB主/從接口，調(diào)試接口為JTAG。圖形操作單元可實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互、數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)和以太網(wǎng)通訊等功能。如圖3所示為圖形操作單元硬件結(jié)構(gòu)框圖[4]。
從圖3中可以看到，系統(tǒng)的外擴(kuò)部分可以分為四部分：存儲(chǔ)擴(kuò)展模塊，包括NAND FLASH和SDRAM存儲(chǔ)；通訊模塊，包括以太網(wǎng)模塊、RS485/RS232模塊和USB接口模塊；人機(jī)交互模塊，包括LCD和觸摸屏；系統(tǒng)調(diào)試和外圍電路，包括復(fù)位電路、電源電路、JTAG調(diào)試接口等。
5.2 移植操作系統(tǒng)
在系統(tǒng)開發(fā)中，首先要完成的是操作系統(tǒng)的移植，然后才能開發(fā)應(yīng)用程序。對(duì)Windows CE.NET的移植一般要遵循以下步驟[5]：
1) 移植BootLoader。
2) 對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪，配置各個(gè)組件并且修改相關(guān)的配置文件。
3) 開發(fā)OAL層（OEM Abstraction Layer）和Windows CE.NET加載程序。
4) 開發(fā)目標(biāo)系統(tǒng)上的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。
5) 建立定制的Windows CE.NET操作系統(tǒng)的image文件。
6) 將image文件下載到目標(biāo)設(shè)備上進(jìn)行調(diào)試。
7) 重復(fù)開發(fā)建立image文件下載和調(diào)試的步驟直到達(dá)到要求，從而得到一個(gè)定制的Windows CE.NET操作系統(tǒng)。
8) 為方便應(yīng)用程序的開發(fā)，在定制的Windows CE.NET操作系統(tǒng)上，可以發(fā)布相應(yīng)的Embedded Visual C++的軟件開發(fā)包（SDK），供應(yīng)用程序開發(fā)者使用。
5.3 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
圖形操作單元通過(guò)應(yīng)用程序控制壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、液管電磁閥、除霜電磁閥等實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。程序功能主要分成兩個(gè)部分：一是設(shè)置系統(tǒng)啟動(dòng)參數(shù)，以及系統(tǒng)各個(gè)保護(hù)點(diǎn)參數(shù)等來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的啟停、運(yùn)行控制，以及出現(xiàn)異常情況的處理。二是系統(tǒng)各狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)顯示以及系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的管理。
采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思路，主要包括以下模塊：系統(tǒng)開機(jī)、關(guān)機(jī)模塊，系統(tǒng)登錄模塊，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊，系統(tǒng)通訊模塊，歷史資訊模塊，融霜控制模塊，故障診斷分析模塊等，以下介紹其中的幾個(gè)主要模塊設(shè)計(jì)。
5.3.1 系統(tǒng)開機(jī)模塊
時(shí)序圖主要描述對(duì)象之間的動(dòng)態(tài)合作關(guān)系以及合作過(guò)程中的行為次序。它用來(lái)描述一個(gè)用例的行為，顯示該用例中所涉及的對(duì)象和這些對(duì)象之間的消息傳遞情況。它可以描述對(duì)象之間動(dòng)態(tài)行為的交互關(guān)系，著重體現(xiàn)了對(duì)象之間消息傳遞的時(shí)間順序。
如圖4為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)序圖，用戶需要通過(guò)點(diǎn)擊“啟動(dòng)”按鈕，啟動(dòng)熱泵熱水機(jī)開始運(yùn)行，系統(tǒng)首先與采集控制單元進(jìn)行通訊，采集控制單元對(duì)系統(tǒng)的各狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)行自檢后，返回是否可以正常啟動(dòng)的信息。若可以正常啟動(dòng)，則開始按照上述開機(jī)順序開啟熱泵熱水機(jī)的各部件：風(fēng)機(jī)-液管電磁閥-壓縮機(jī)，各部件開啟的先后延時(shí)時(shí)間可設(shè)。當(dāng)圖形操作單元發(fā)出開啟某部件的命令時(shí)，采集控制單元需在輸出控制量后，對(duì)系統(tǒng)的部件狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并返回控制部件的開啟狀態(tài)，確保該部件已正常開啟。圖形操作單元接收到某部件已正確開啟的信息后，才進(jìn)行下一步驟的控制動(dòng)作。
5.3.2 系統(tǒng)關(guān)機(jī)模塊
系統(tǒng)停機(jī)時(shí)，和開機(jī)時(shí)序正好相反，關(guān)閉的順序?yàn)椋宏P(guān)閉壓縮機(jī)-關(guān)閉液管電磁閥-關(guān)閉風(fēng)機(jī)。根據(jù)熱泵廠家的控制要求，關(guān)機(jī)時(shí)，各操作之間只需要固定延時(shí)3秒即可，同樣的，每次發(fā)送關(guān)閉命令后，都要從采集控制單元獲取該部件的狀態(tài)，以確保該部件已正常關(guān)閉。
5.3.3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊
如圖5所示為系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置時(shí)序圖，用戶進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時(shí)，由于某些系統(tǒng)參數(shù)非常重要，需特殊權(quán)限才能進(jìn)行設(shè)置。因此，需要首先進(jìn)行用戶權(quán)限驗(yàn)證，驗(yàn)證通過(guò)后，將相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置界面在圖形操作單元上顯示，否則不響應(yīng)。
5.3.4 系統(tǒng)通訊模塊
下位機(jī)采集的原始數(shù)據(jù)通過(guò)簡(jiǎn)單的均值化處理，以ASCII碼的形式發(fā)送到上位機(jī)。格式如下：‘@'+‘熱水進(jìn)水溫度3字節(jié)'+‘熱水出水溫度3字節(jié)'+‘冷風(fēng)出風(fēng)溫度3字節(jié)'+‘壓縮機(jī)出口溫度3字節(jié)'+‘高壓壓力2字節(jié)'+‘低壓壓力2字節(jié)'+‘開關(guān)量2字節(jié)'+‘&'。數(shù)據(jù)處理流程如圖6所示。該數(shù)據(jù)處理過(guò)程在串口接收線程中進(jìn)行，首先判斷接收到的字符串，其首字節(jié)是否為起始位‘@’，其次判斷是否滿足協(xié)議條件。滿足條件時(shí)將數(shù)據(jù)還原成24位格式的數(shù)據(jù)，然后讀入系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定值，將計(jì)算后的結(jié)果顯示到主界面的“工作狀態(tài)顯示”中。
5.3.4 故障診斷處理模塊
熱泵控制系統(tǒng)初次捕獲到故障信息后，為防止誤動(dòng)作，延遲設(shè)定時(shí)間（一般為3秒）后，再次判斷該故障信息是否仍有效，若仍有效，則確認(rèn)該信息為有效故障信息，并進(jìn)行故障信息處理。故障處理一般分兩種處理方法：一是嚴(yán)重故障；此類故障一般需要人工介入才能消除，故障發(fā)生后將系統(tǒng)停機(jī)，并在用戶界面上提示故障詳細(xì)信息，包括故障名稱，故障發(fā)生時(shí)間，故障值等。用戶需手動(dòng)排除該故障后，并通過(guò)界面上的清除故障功能,對(duì)系統(tǒng)故障信息進(jìn)行巡檢，確認(rèn)無(wú)故障信息后，方可按照前面所述順序開啟熱泵熱水機(jī)。二是系統(tǒng)警告；此類故障一般是由于運(yùn)行環(huán)境惡劣或者負(fù)載過(guò)重等原因造成的，為防止長(zhǎng)期運(yùn)行給熱泵熱水機(jī)帶來(lái)?yè)p害。故障發(fā)生時(shí)，同樣需要停機(jī)處理，但故障停止一段時(shí)間后，若恢復(fù)到正常值，則機(jī)組自動(dòng)開啟，不需要人工介入。若同類故障連續(xù)發(fā)生次數(shù)超過(guò)3次，則做系統(tǒng)嚴(yán)重故障處理，需人工介入干預(yù)后，方可重新開啟。
5.3.4 融霜控制模塊
本系統(tǒng)采用熱氣旁通法的融霜方式，將壓縮機(jī)排出的高溫蒸汽直接引入蒸發(fā)器中，通過(guò)蒸汽液化將蒸發(fā)器外側(cè)的霜層融化[6]。在旁通支路中設(shè)有一個(gè)旁通閥來(lái)控制氣流的開閉，并利用閥的開度來(lái)調(diào)整制冷劑的流量。這種方式能夠做到按需除霜，避免了過(guò)于頻繁的從壓縮機(jī)中抽氣，從而降低壓縮機(jī)的效率[7]。
除霜控制策略采用時(shí)間-壓力控制法，系統(tǒng)根據(jù)壓縮機(jī)進(jìn)口側(cè)低壓壓力值和除霜間隔時(shí)間判斷是否開始除霜，除霜時(shí)，風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行。根據(jù)壓縮機(jī)進(jìn)口側(cè)低壓壓力值或除霜時(shí)間是否到達(dá)到設(shè)定值來(lái)判斷是否停止除霜。此外，系統(tǒng)還增設(shè)了手動(dòng)除霜方式。
對(duì)于雙壓縮機(jī)系統(tǒng)，若兩臺(tái)壓縮機(jī)都滿足除霜條件，第一臺(tái)壓縮機(jī)首先除霜，若滿足結(jié)束除霜條件的任何一個(gè)，則第一臺(tái)壓縮機(jī)停止除霜，第二臺(tái)壓縮機(jī)開始除霜，直到滿足結(jié)束除霜條件即停止除霜。
6 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果
控制器開發(fā)完成后，在熱泵控制機(jī)柜上進(jìn)行了聯(lián)機(jī)調(diào)試。運(yùn)行結(jié)果表明：系統(tǒng)的采集精度滿足設(shè)計(jì)要求，輸出準(zhǔn)確可靠，界面顯示直觀，用戶操作方便，基本滿足熱泵熱水機(jī)的控制要求。系統(tǒng)控制器運(yùn)行主界面如圖7所示。
7 結(jié)束語(yǔ)
由于具有安全、環(huán)保、節(jié)能、能效比高、制熱量大等特點(diǎn)，熱泵熱水機(jī)將在未來(lái)的低碳環(huán)保領(lǐng)域有更大的應(yīng)用前景。介紹了熱泵熱水機(jī)高性能控制器的軟硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了上位機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該控制器基本滿足熱泵熱水機(jī)的控制要求，具有界面友好、操作方便、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
參 考 文 獻(xiàn)
1 王如竹，丁國(guó)良. 第五屆全國(guó)制冷空調(diào)新技術(shù)會(huì)議反映的研究熱點(diǎn). 制冷技術(shù). 2008(4): 22-23
2 曽大祺，姜周曙，徐平，等. 基于ARM9的嵌入式熱泵熱水控制器[J]. 機(jī)電工程.2009,26(4).58-61
3 Freescale Inc. TLP521 Data Sheet. USA: freescale Inc.
4 何宗鍵. Windows CE嵌入式系統(tǒng). 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社. 2006. 154-159
5 S3C2410A-200MHz & 266Hz 32-bit RISC Microprocessor User's Manual. Korea: Samsung Electronics Co.,Ltd.
6 羅鳴，謝軍龍，沈國(guó)民. 風(fēng)冷熱泵機(jī)組中的熱氣除霜方法. 制冷與空調(diào). 2003，3(6): 47-49
7 楊俊華，吳伯謙. 風(fēng)冷熱泵除霜方法及其控制. 制冷與空調(diào). 2006(2): 100-101
The Development of High Performance
Heat Pump Water Heater Controller
FAN Zhong-qiang, JIANG Zhou-shu , XU Ping，HUANG Guo-hui
(College of Automation, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018)
Abstract:The performance of heat pump water heater controller is essential for the the operating efficiency and energy-saving feature of heat pump water heater. A high-performance heat pump water heater controller, which is based on ARM9 embedded processor, is developed in this paper. On the base of analysis of system requirements, the overall structure of the controller is firstly proposed, which is composed of the acquisition & control unit and the graphic operation unit. Secondly, the software and hardware design of the acquisition & control unit with freescale 8-bit microprocessor as core is given. Then, the hardware design、the transplant of WINCE operating system and application software design of the graphic operation unit based on S3C2410 ARM9 processor, are introduced in detail. The run results show that the proposed heat pump water heater controller is not only stable, reliable, easy to use, user-friendly, cost-effective, but also has the functions of intelligent defrost,low temperature boot, fault diagnosis, high efficient, energy-saving running, real-time data analysis and remote data communication.
Key words: heat pump controller；energy-saving；ARM9；graphic operation unit
|
