2019年11月20日 | 基于LabVIEW的暖通空调数据采集控制系统设计

引言

LabVIEW大量应用在自动控制领域，对于HVAC系统中采用LabVIEW作为上位端软件还不多见，但随着LabVIEW 7 Express的发布，LabVIEW已经开始逐渐渗透到各个领域。在笔者所在专业HVAC自动控制领域使用LabVIEW后发现，其功能十分强大，节省系统开发时间，非常适合工程开发人员使用。笔者结合近来开发的一套HVAC系统，对LabVIEW在HVAC数据采集控制系统的应用做个介绍。

1 系统总体结构

HVAC中有大量数据需要采集，通过对数据的采集，来对各项系统参数进行调整。本系统主要由水系统、风系统、控制系统组成。 

 

● 水系统包括：水冷式冷水机组，冷却塔，膨胀水箱，冷冻水泵，冷却水泵，三通调节阀、流量计等附件。

● 风系统包括：组合式空调箱、送风管道、回风管道、排风管道、VAVBOX以及阀门和其他控制元件。空调箱包括新回风混合段、过滤器、表冷器、电加热器、送风风机、蒸汽加湿器等。风机变频控制。新回风管上分别装有电动调节阀，可调节新回风比例，表冷器前后分别装有温湿度测点，空调箱内还装有喷嘴，用于空气流量的测量。

● 控制系统包括：各处的压力传感器、温度传感器、控制元件、执行器、数据采集仪、计算机、触摸屏等，可进行建筑环境与设备自动检测与数据处理。

实验系统房间共有两间：Room1和Room2。Room1主要用于建立低温环境实验室，因此单独配备了一套直接蒸发式水冷机组。每个房间内均有一个负荷发生器Ld，用于产生模拟负荷，并且有温湿度测点。在Room1中，布置一组送回风口，顶送下侧回；Room2中布置两组送回风口，分别为顶送、侧回。每个送、回风口上都装有手动调节阀，可开关或进行调节。房间内布置一个压差传感器，可控制房间内的正压。在两个房间的送风管道上分别装有一个压力无关型VAVBOX。

通过对图1系统原理图，大家对系统能有个直观的认识。

2 数据采集控制系统 

系统分为两部分：数据采集和系统控制。数据采集部分有各种不同数据采集设备。控制部分由PLC(可编程控制器)来完成。LabVIEW能很方便的对计算机串口进行操作，因此LabVIEW可方便的建立计算机串口与PLC串口之间的通信，便捷的获得PLC中的数据，在计算机中进行PID神经模糊等复杂运算，从而得到需要的数字控制信号，对需要控制的设备进行控制，增强系统的通用性。并可开发出更加丰富的功能。从图2中可以看出整个数据采集系统中用到的软硬件部分及它们间的关系。 

图2 采集控制关系图 

通过数据采集系统可得数据有：表冷器水流量，VAVBOX1、2风量反馈，送风湿度，新风温湿度，低温室壁挂式温湿度计温湿度，变频压缩机节流前后压力，喷嘴压差，表冷器前后干湿球温度，蒸发机组压缩机吸排气温度，变频冷水机组压缩机吸排气温度，冷水机组压缩机吸排气温度，表冷器进出水温度，热水箱进水温度，冷却塔进水温度，变频冷水机组冷却进出水温度，变频冷水机组进水温度，冷水机组冷却水进出水温度，冷水机组进出水温度。可见需要设置大量的不同得传感器。

使用的末端传感器有：PT100铂电阻温度传感器，铂电阻使用四线制可以提高测量精度，避免沿途数据线电阻对测量的影响。EE10室内温湿度变送器，产生4～20mA的标准电流信号，为了便于数据采集仪测量和避免信号的失真，在其中加入250Ω的精密电阻，将电流信号转换为标准的1～5V的电压信号。压力传感器、风阀开度控制器、湿度等信号均是标准的1～5V的标准信号，或者经过转换成为1～5V的标准信号，便于数据采集仪进行处理。这些信号均为线性或近似线性，可以通过增益和偏移（M×B）把标准信号转换为我们熟悉的温度湿度压力值工程量。例如：采集到的信号为3V，此时的1V对应于0℃，5V对应于100℃，则可以通过：

Y＝MX＋B

算出M＝25，B＝-25，再把3代入，可得Y＝50℃。此部分只需通过使用LabVIEW的Database Toolset工具包和全局变量数据的交换，很容易实现信号的转换。 

数据采集仪：传感器、变送器产生的标准信号直接进入数据采集仪。数据采集仪采用的是Agilent 34970A数据采集仪（附三块HP 34901A 20通道衔铁继电器多路转换器）。它可以直接测量热电偶、电阻温度测试器、热敏电阻、直流电压、直流电流、交流电流等。电源电流、电压、功率和频率通过PF9833三相PWM专用测试仪来测量。通过使用NI-VISA协议，可对串口读写操作，很方便的完成了数据的交换，见图3。

 
图3 LabVIEW中NI-VISA串口读写

控制系统PLC与PC的通信也同样使用了NI-VISA协议进行通信。通过把命令请求写入（Write）串口，设备对命令分析识别，把命令请求的数据通过RS-232接口返回到计算机，再通过对串口读操作（Read），从而获得设备采集的数据。对于不同设备有不通的命令。Agilent 34970A使用的是SCPI（Standard Commands for Programmable Instruments)可编程仪器标准命令集。PF9833则使用了另外的命令集。不同设备不管使用什么协议，通过NI-VISA都可和容易建立设备与计算机间的通信。对于PLC，需要编写设备端程序。要求程序实现获得命令后，对命令进行分析识别，把相应数据送出。

信号控制使用西门子SIMATICS7-300 PLC，部分对控制有影响的采集信号进入PLC，进行PID分析运算，产生控制信号，对风阀、风机、水泵、加热器等进行控制。PLC带有的RS-232通讯接口，直接与计算机建立通信。PC获得进入PLC的各种信号，也可在计算机中进行更为复杂的运算，产生数字控制信号返回PLC，再由PLC对各种需要控制的设备进行控制。

本系统可通过触摸屏对整个系统发出控制指令，触摸屏的每个开关都对应于PLC各个开关触点，相当于PLC的键盘，可对整个系统的各种参数进行调整。例如可以对风阀的开关，风机、水泵、电加热器的启停，各个PID控制设备P、I、D（比例、积分、微分）三个参数的设置进行相应的操作，系统流程图可清晰的从中反映出来。

由于使用了大量的串口来进行数据的通信，需添置一块多串口卡，用于连接多个串口设备。

3 LabVIEW程序

通过LabVIEW图形化设计很容易设计出漂亮美观的用户界面。见下图4所示。在使用Agilent 34970A数据采集仪时可对温度、电压、电流等各种参数进行测量，在进行采集时涉及到参数需要更改的情况，我们 使用了NI的数据库连接工具包（Database Connectivity Toolset），直接在一个已经编辑好的数据库（Hpsetting.mdb）里编辑所改变采集通道的参数，然后在运行程序时选择是否需要下载新的设置到数据采集仪，使数据采集仪相应设置改变，以采集到正确的数据。设置参数有通道号、通道描述、输入类型、范围、周期、延迟、触发、铂电阻阻值以及标定等。只要是使用Agilent 34970A数据采集仪采集数据，程序就不需要进行大的修改，节省了开发成本和时间，提高程序的通用性。

控制上使用了NI PID工具包，可对需要进行控制的部件进行PID控制，利用该工具包可以节省我们大量开发时间。LabVIEW一个很大的特点就是提供了大量的可用控件，控件提供输入输出，通过线连接输入数据，就可很方便的从输出口得到需要的控制命令。

4 实验

LabVIEW和众多系统中各种传感器配合，在系统调试中发挥了很大的作用。所需数据通过一台普通装有LabVIEW的计算机就能显示出来。调试中的数据用LabVIEW来进行分析显示，观察系统是否达到了预定的要求。

在系统中使用了LabVIEW软件，在硬件上不需要做太多的更改。各项所需测量控制参数在系统调试阶段已经设置好，后面就只需在软件界面和各项参数组合上做工作。 

 
在冷水机组数据采集控制实验中，界面如图4，开启空调系统，通过数据采集设备获得当前温湿度信号。获得数据经过PID运算，输出控制信号，最终通过对PID参数的调节（更改界面中的PID参数，经过PC对PLC的控制，达到控制设备的目的）使得温湿度参数最终稳定在设定值附近，达到了实验控制的目的。最后可以通过NI的报告生成工具包（Report generation toolset）把实验中保存的数据以报表的形式打印出来。

硬件亦不需做大的调整，主要集中在软件的编画（LabVIEW为图形化语言）上。因为缩短软件的开发时间，使得整个数据采集控制系统的开发时间也大大缩短。 

5 结论

LabVIEW在系统开发上有很大的优势。从系统建设时间来看，用LabVIEW来进行软件编程和同一系统的PLC编程相比，所花的时间更少、程序界面设计更容易更美观。用PLC来编程，并使之通过可视的界面显现出来（我们这里使用了MCGS嵌入式图形界面），是两个系统都需要进行设计的工作。而LabVIEW把两者都集于一体，通过简单的PC，就能对LabVIEW进行编程设计，最终在很短的时间内开发出我们需要的界面和功能，直至最终的产品。使用LabVIEW不仅在时间上优势明显，在系统的再开发上也有极大的优势。如果系统需要开发一个新的功能项目，在系统中加入某一传感器测量元件进行信号测量，然后再在LabVIEW中设计界面分析显示，很快就能达到想要结果。对于笔者所做的这一需要不断改进的系统，LabVIEW无疑是最好的选择。