地温中央空调机组工作参数采集及其控制系统的研究

摘要：
本文通过介绍地温中央空调控制系统的发展现状，提出了研制应用于小型系统的可靠性高、成本低的 “空调机组工作参数采集及其控制系统”的必要性和重要性。文章重点讨论了控制与数据采集环节的硬、软件的实现，以及按照MODBUS协议的数据传输。该系统经过了现场实验，并已经在用户中实际运行多台，证明系统稳定可靠，同时大大降低了成本。

关键词： 单片机；地温空调；MAX186；PT100；MODBUS

问题的提出

地温中央空调是一种新型的绿色无污染空调系统，它以提取地温能源，实现夏季供冷、冬季供热，是一种新型的高科技产品。

现在的地温空调的控制系统普遍采用以PLC（可编程控制器）为控制核心的从工作参数的采集到机组控制运行的系统。由于每台空调机组的保护开关都需要采集其状态，同时又需要采集循环水、井水以及压缩机的排气温度，所以PLC需要增加I/O模块和RTU温度模块，这样对于多台机组的控制系统，上述方式是经济的。但是对于一台、两台机组的控制系统上述方式的成本就相对的显得很高，所以对于小型地温中央空调系统需要一种既可靠同时又经济的控制方法。

硬件结构

概述
本系统下位机主要完成机组工作参数的采集以及机组的控制。以Winbond W78E52单片机为核心，外围扩展数据存储器，12位串行A/D 转换器MAX186采集8路温度，由MAX232实现与PC的数据通讯，由出口继电器送信号到中间继电器、交流接触器。保护信号的采集通过光电隔离送到单片机。

下位机的硬件原理图如图1所示。它主要包括开关量输入/输出电路、温度传感器及其数据采集电路、A/D转换电路、单片机处理单元、继电器控制单元、上位机与下位机通讯等几部分组成。它将端子板、调理板及微机系统结合在一起，接收上位机的命令，通过控制相应的继电器，完成对地温空调机组的控制。

上位机是整个系统的控制中心，采用基于PC核心的工业触摸屏，通过MODBUS协议与下位机通讯，完成各通道数据和保护信号的接收，以及指挥下位机的动作。

工作原理
前向通道主要接PT100铂热电阻，热电阻的输入电路如图2所示，由R1,R2,R3和被测电阻组成普通四臂电桥。对于铂热电阻由于其阻值较小，因此采用三线制测量电路消除引线电阻的影响。


温度采集采集通过MAX186完成，MAX186是一个采用逐次逼近Ａ/Ｄ转换技术的高速超低功耗模数转换器。内部具有８通道多路转换器、宽带跟踪 /保持电路和串行接口。８路单端输入或４路差动输入可由软件设定 ,转换结果由串行接口输出。分辨率为１２位 ,采样速度达133kHZ, 芯片可由单５Ｖ或双±５Ｖ电源供电，串行接口可与SPI、QSPI、Wicrowire兼容，本系统采用SPI串行方式进行数据传送。MAX186采集经过差动放大的电压值，再经过单片机换算成电阻值近而获得温度值。保护信号由于主要是开关量，它的采集通过光藕接到74LS244由单片机的P0口读出其状态。下位机通过12路光藕数字量输出电路来控制继电器以完成空调机组运行状态的调整。

下位机通过MODBUS协议与上位机进行数据传输。Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。由于兼容Modbus 协议，下位机可以作为一个独立的模块，与各种兼容Modbus 协议组态软件如GENIE等进行通信。
下位机能设置为两种传输模式（ASCII或RTU）中的任何一种通信。


1、 ASCII模式
以ASCII（美国标准信息交换代码）模式通信，在消息中的每个8Bit字节都作为两个ASCII字符发送。这种方式的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误。
代码系统
· 十六进制，ASCII字符0...9，A...F
· 消息中的每个ASCII字符都是一个十六进制字符组成每个字节的位
· 1个起始位
· 7个数据位，最小的有效位先发送
· 1个奇偶校验位，无校验则无
· 1个停止位（有校验时），2个Bit（无校验时）
错误检测域
· LRC(纵向冗长检测)

2、RTU模式
以RTU（远程终端单元）模式通信，在消息中的每个8Bit字节包含两个4Bit的十六进制字符。这种方式的主要优点是：在同样的波特率下，可比ASCII方式传送更多的数据。
代码系统
· 8位二进制，十六进制数0...9，A...F
· 消息中的每个8位域都是一个两个十六进制字符组成每个字节的位
· 1个起始位
· 8个数据位，最小的有效位先发送
· 1个奇偶校验位，无校验则无
· 1个停止位（有校验时），2个Bit（无校验时）错误检测域
· CRC(循环冗长检测)

本系统上位机采用9英寸的触摸屏，所有控制程序写入存储器中。控制程序有手动和定时两种模式。在手动模式所有控制方式包括机组选择、温度设定、泵选择、负荷量选择等均手动设定。同时手动模式和定时模式互锁，在定时模式“关”的状态下，手动模式才可以启用，反之在手动模式“关”的状态下，定时才可以启用。定时模式作为无人值守控制室的一种选择，在事先设定好各种参数和启停时间后，上位机自动按照设定的试件启动空调机组，并实时刷新温度值通过与设定的温度值进行比较，自动增加和减少机组投如负荷数，从而使温度始终维持在设定的范围内。上位机定时接收下位机传来的保护信号，如果有保护异常，发出报警信号。

软件设计
上位机程序由C51语言编写，C51语言基于C语言的一种高级单片机编程语言，主要用于51系列单片机系统软件的开发。C51语言除具有一般高级语言的特点外，还能像汇编语言那样直接利用CPU的硬件特性进行程序设计。系统采用模块化设计，由主程序、采集程序、通讯程序等几部分组成。

采集程序模块包含温度采集子程序和保护信号采集子程序两部分。

通讯程序模块包括发送子程序和接受子程序两部分。本装置中接受与发送数据都是采取中断方式。
MAX186采集程序如下：
void ad_186(uint *addata)
{
uchar i,kki,s,z=0;
uint i_data,i_datatransfer;
CS=1;
SCLK=0;
s=0x8e;
do
{
CS=0;
SCLK=0;
for(i=0;i<8;i++)
{
uchar adaddresstransfer;
adaddresstransfer=s;
adaddresstransfer=(adaddresstransfer>>(7-i))&0x01;
DIN=adaddresstransfer;
SCLK=1;
for(kki=0;kki<2;kki++);
SCLK=0;
}
CS=1;
for(i=0;i<6;i++);
CS=0;
SCLK=1;
for(i=0;i<12;i++)
{
SCLK=1;
SCLK=0;
i_datatransfer=DOUT;
i_datatransfer=i_datatransfer<<(11-i);
i_data=i_data|i_datatransfer;
}
addata[z]=i_data;
z++;
for(i=0;i<4;i++)
{
SCLK=1;
SCLK=0;
}
CS=1;
i_data=i_datatransfer=0;
s=s+0x10;
}while(s<0xfe);
}

结束语

本系统已经在富尔达地温中央空调系统运行半年多，在各个地区和各种现场条件下均可以稳定运行，同时操作简便，在小型系统中已逐渐替代PLC控制系统。