傳感器自動識別裝置在空調節能中的應用

摘要：在中央空調系統節能控制中, 各傳感器通過已編號的標準接口連接到自動控制裝置中相應的輸入端。為了避免在使用過程中由于操作失誤帶來的故障,我們開發一種傳感器自動識別裝置,它能自動地識別各傳感器的類型和用途,保證自動控制裝置始終按約定的輸入-輸出關系運行。
0 引言

　　建筑節能是目前國內外爭相進入研究并大量投入的一個新興領域，中央空調是現代化建 筑不可缺少的重要設備之一，中央空調在向人們提供舒適環境的同時，也帶來了巨大的能源 消耗。據統計資料介紹在大、中型酒店和賓館，中央空調消耗的能量占建筑物耗能的60%以 上，因此，中央空調節能技術的開發與應用又是建筑物節能的重要領域，積極地開發與合理 地利用節能控制技術，是降低空調能耗的根本途徑。在中央空調節能系統中,是通過安裝在 出水管與回水管上的傳感器來檢測溫度,把實際溫度送到自動控制裝置中與設定溫度做比較 并進行操作控制的。本文主要介紹傳感器自動識別裝置在中央空調節能控制中的應用.

　　1 中央空調變流量節能原理

　　變流量是指流體（氣體或液體）在特定管道或風道流通時，其流量是按照某種特定的規 律變化的。采用變流量輸送流體的目的是在滿足終端負荷需要的前提下，實現輸送系統的節 能。 中央空調系統主要由空調主機、冷溫水控制設備、冷卻水控制設備和冷卻塔風機控制設 備組成，在中央空調系統中，冷溫水泵、冷卻水泵和冷卻塔風機的容量是按照建筑物最大設 計熱負荷選定的，且留有10%—15%的余量,在一年四季中，系統長期在固定的最大水流量下 運行。

　　由于季節、晝夜和用戶負荷的變化，空調實際的熱負荷在絕大部分時間內遠比設計負 載低。一年中負載率在50%以下的運行小時數約占全部運行時間的50%以上。當空調冷負荷發生變化時，所需空調循環水量也應隨負荷相應變化。所以，采用變流量控制技術，可以實 現中央空調系統的節能，包括中央空調一次泵系統對冷溫水泵、冷卻水泵和冷卻塔風機的變 流量控制；中央空調系統中新風系統、變風量系統、一次回風系統和二次回風系統等變流量 控制。這些變流量控制系統普遍采用自動控制技術和變頻調速技術，通過控制流量達到節能 的目的。

　　系統正常啟動后，由現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據傳送給智能I/O 模塊，通過實測值與設定值相比較， 計算出該量值的偏差和偏差變化率，通過模糊控制運算，實時調節變頻器的運算頻率，滿足 系統負荷的需要。其中，檢測的冷溫水回水溫度，用于控制冷溫水泵轉速；檢測的冷卻水出 水溫度，用于控制冷卻水泵轉速；檢測的冷卻水進水溫度，用于控制冷卻塔風機轉速。水泵 和風機運行時消耗功率與轉速的立方成正比，控制轉速就能實現大幅度節能。壓差傳感器檢 測的供回水總管的壓差，主要用于保護功能，當壓差超過一定量值時，控制旁通閥的開度， 保障系統安全運行；智能電表檢測的量值用于系統管理，計算出系統消耗的電能，繪制節能 曲線和節能的歷史記錄。

　2 傳感器自動識別裝置的組成

　　空調主機通常安裝在地下層或專門的房間里，工作環境惡劣，離需要供熱（或制冷）的 房間較遠，在空調運行過程中，我們需要對冷凍水供回水溫度和冷卻水進出水溫度進行采集， 傳統的空調系統中，傳感器與控制計算機之間是通過電纜接線的方式來連接的，在對系統進 行調試、監測、檢修時，經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 恢復連接時容易發生連接錯誤的情況。而在工程現場，傳感器編號標識模糊不清甚至標識消 失的情況時有發生，工程技術文件又一時難以獲得甚至遺失。這樣，必須花費相當的人力、 物力和時間來辨識和確認各傳感器和各輸入端的連接關系，一旦傳感器與輸入端口的連接出 錯，將會造成系統運行故障。針對這種情況，我們研究一種傳感器自動識別裝置，將傳感器 自動識別技術用于在線自動識別各個傳感器的類別和用途，無需人工編號標識、對號連接， 可保證系統自動地按照設計約定的輸入—輸出關系運行，可以降低系統施工、調試、檢修成 本，避免因連接錯誤造成的意外故障。這是一種無需利用接口的編號標識，能自動地識別各 傳感器的類型和用途，保證自動控制裝置始終按約定的輸入-輸出關系運行的一種裝置。

　　傳感器自動識別裝置由傳感器、模擬量輸入單元、運算單元、傳感器自動識別規則庫、 傳感器失效判斷規則庫、傳感器識別單元和傳感器信息顯示單元組成。其原理框圖如下：

　　（1）傳感器個數為1～10 個，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際有效取值范圍相對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域、頻域或相關性特征量有比較明顯的差別。多數常用的自動裝置中的傳感器組都能滿足要求。

　　（2）運算單元對各傳感器輸出信號作特征量提取運算，提取的特征量可以有算術平均 值、方差、極差、差分值、波動周期等。運算采樣數可取 10～20。運行時需要運算提取的 特征量和采樣數由自動識別規則庫確定。

　　（3）自動識別規則庫和失效判斷規則庫是根據系統所采用傳感器的類別和特點離線預 設的，兩個規則庫內建的規則來自專業知識、常識性知識和經驗知識等。

　　（4）識別單元依據自動識別規則庫和失效判定規則庫的規則，對運算單元輸出的各傳 感器特征量作自動識別，識別單元輸出的是各傳感器的類型、用途、用于系統的檢測點位置 和是否絕對失效。識別單元的輸出以數字信號形式送入計算機控制器，控制器確認各傳感器 均正常后進入控制運算程序，并保證控制運算按設計約定的輸入—輸出關系進行，并在顯示 器上作相應的顯示。

　　（5）自動識別和失敗判定程序在中央空調系統運行15 min 后執行。

　　3 傳感器自動識別裝置工作原理

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

　　（2）對傳感器的采樣值經運算單元分別作特征量提取運算，提取的特征量有算術平均值， 方差，變化范圍，數據對時間的1、2、3、4 階導數，數據的波動周期，頻域特性，相關性。 需要提取的特征量的數量和種類因自動控制裝置的不同而不同，由內建的自動識別規則庫來 確定。

　　（3）對各傳感器的特征量經傳感器識別單元分別作比對判斷運算。比對判斷運算的輸入 信息是各傳感器的特征量、類型和用途；比對判斷運算的依據是傳感器自動識別規則庫；比 對判斷運算的決策是各傳感器的類型、用途和用于自動控制裝置的輸入端口。

　　（4）自動控制裝置正常運行后，對各傳感器采集的數據進行長期在線監視。傳感器采集 的數據偏離量程范圍時，判斷為絕對失效，在傳感器信息顯示單元提供報警信號；傳感器采 集的數據雖然在量程范圍內但偏離正常范圍時，判斷為相對失效（相對失效發生在系統啟動 后尚未進入穩定運行的初期），提供保持運行信號（保持時間T 可設置），保持時間T 后，傳 感器采集的數據雖然在量程范圍內但仍然偏離正常范圍，判定為連接關系錯誤，同時傳感器 信息顯示單元提供連接錯誤告警信號。長期監視的判定依據是失效識別規則庫。

　　實現本自動識別方法的硬件和軟件，主要涉及CPU 單元、存儲器、操作界面。硬件和軟件的配置可以在自動控制裝置的硬件、軟件配置時一并考慮，不必單設。

　　4 結論

　　傳感器自動識別裝置的關鍵在于正確建立傳感器自動識別規則庫和傳感器失效判定規 則庫。另外，傳感器運算單元也要建立各種運算規則，我們可以選取不同運算模型的運算結 果獲得對被控系統的優化控制。本裝置不同于另外增加有線或無線通道、對傳感器作編碼識 別的方法，而是利用傳感器自身傳輸信號的特征量進行識別，即用軟件技術替代硬件配置的 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系錯誤，保證自動控制裝置始 終按照約定的輸入—輸出關系運行，以降低施工、調試成本，提高工作效率。傳感器自動識 別裝置用于中央空調節能系統是一個應用案例，該技術也可以用在其他電機拖動自動控制系 統中。