基于主从逻辑的风量控制系统及方法与流程

本发明涉及一种风量控制系统，尤其是一种基于主从逻辑的风量控制系统及方法，属于风机应用领域。

背景技术：

风量控制系统主要应用于地下人防工事、楼宇地下通道等领域，用于控制通风系统的风量控制。通过检测传感器和风量算法计算风道中的风量，根据风量控制要求，改变风机频率，达到改变进风量的目的。根据使用情况不同，对风量的要求也不同。如在地下人防工事则分为平时通风和战时通风两种方式。战时通风时滤毒器会接入管道，减小管道中的风量，因此，在平时和战时对管道内的风量要求并不一样。

传统的风量控制系统一般采用大型的单台风机进行控制，这对控制器本身的功率等级要求较高。在对风量要求较大的情况下，大型风机可工作在接近额定状态下，而对于平时的风量要求较小的情况下，大型风机被要求工作在低频状态，则会出现大马拉小车的情况。并且电机长时间工作在低频时电机发热较严重，影响电机寿命。同时，单台大型风机的运行，对系统整体来说，可靠性并不太高。

随着技术的发展，采用多台风机并联在一个风道中的应用也越来越广泛，控制系统越来越趋向于小型化、轻型化。目前，在采用多台风机并联的地下人防工事的应用中，很多都是根据风量大小的要求来判断应该手动开启风机的台数，控制精度不高。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种基于主从逻辑的风量控制系统，该系统将多台风机并联在一个风道上，每台风机配置一个控制器，并对控制器进行主从设定，主控制器根据风量要求，决定是否对风机进行变频调速，以便使风道的风量达到风量设定值。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述系统的风量控制方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于主从逻辑的风量控制系统，包括多台风机和风量检测装置，所述多台风机并联在一个风道上，每台风机配置一个控制器，其中一台风机的控制器为主控制器，其他风机的控制器为从控制器，所述风量检测装置设置在风道上，并与主控制器连接，所述主控制器通过通讯总线与从控制器连接；

所述主控制器，用于接收风量检测装置和从控制器反馈的信号，并将风量检测值和风量设定值进行比较，决定是否对风机进行变频调速；

所述从控制器，用于接收主控制器的频率给定指令和启停指令，并根据主控制器的查询命令，将对应风机的运行状态信息反馈给主控制器。

作为一种优选方案，所述主控制器和从控制器采用相同的结构，包括数字信号处理器、现场可编程门阵列、IGBT驱动电路、整流逆变模块、输入按键、显示面板和通讯接口，所述整流逆变模块分别与IGBT驱动电路、三相电源以及对应的风机连接，所述数字信号处理器分别与现场可编程门阵列、输入按键、显示面板、通讯接口以及风量检测装置连接，所述现场可编程门阵列与IGBT驱动电路连接。

作为一种优选方案，所述整流逆变模块采用PIM模块，该PIM模块集成了三相桥式二极管整流器与三相桥式IGBT逆变器，所述三相桥式二极管整流器的三相输入端接三相电源，所述三相桥式IGBT逆变器的三相输出端与对应的风机连接。

作为一种优选方案，所述数字信号处理器通过SPI总线与显示面板连接。

作为一种优选方案，所述数字信号处理器通过数据总线和地址总线与现场可编程门阵列连接。

作为一种优选方案，所述风量检测装置包括压力传感器、温湿度传感器和压差变送器。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于上述系统的风量控制方法，所述方法包括：

S1、在各台风机的控制器上，设置主控制器和各个从控制器的地址号；其中，主控制器对应的风机为主风机，从控制器对应的风机为从风机；

S2、主控制器对风量值进行设定，得到运行信号后，启动主风机，同时通过通讯总线连续发送启动指令给各个从控制器，各个从控制器接收到与设定地址一致的数据后，分别控制各台从风机启动，使得各台从风机运行在初始给定频率状态；

S3、主控制器通过风量检测装置实时检测风道中的风量，若实时检测的风量达到风量设定值，系统处于稳定状态，从控制器定频运行，主控制器进行PID自动调节，对风量进行微调，保证系统一直处于稳定状态；若实时检测的风量小于风量设定值时，进入步骤S4的加速调节；若实时检测的风量大于风量设定值时，进入步骤S5的减速调节；

S4、主控制器进行PID自动调节，自动增加主风机的运行频率，一定时间后，若实时检测的风量还小于风量设定值，则主控制器每隔一定的时间，在从风机初始给定频率的基础上，每次以一定的频率步长增加从风机的给定频率，并且向各个从控制器发送新的频率给定指令，使各台从风机的频率升高，从而增加系统的实时风量，主控制器仍然进行PID自动调节；一定时间后，当风量仍无法上升到设定值时，重复上述对从风机的控制过程，直至实时检测的风量达到风量设定值，并且主风机的频率低于最高运行频率时，认为系统处于稳定状态，此时，从控制器开始定频运行，主控制器继续进行PID自动调节，对风量进行微调，保证系统一直处于稳定运行状态；

S5、主控制器进行PID自动调节，自动减少主风机的运行频率，一定时间后，若实时检测的风量还大于风量设定值，则主控制器每隔一定的时间，在从风机初始给定频率的基础上，每次以一定的频率步长减少从风机的给定频率，并且向各个从控制器发送新的频率给定指令，使各台从风机的频率降低，从而减少系统的实时风量，主控制器仍然进行PID自动调节；一定时间后，当风量仍无法下降到设定值时，重复上述对从风机的控制过程，直至实时检测的风量达到风量设定值时，认为系统处于稳定状态，此时，从控制器开始定频运行，主控制器继续进行PID自动调节，对风量进行微调，保证系统一直处于稳定运行状态。

作为一种优选方案，步骤S5中，若主风机的输出已经达到最低运行频率，并且各台从风机均已运行到最低运行频率，而实时检测的风量仍然大于风量设定值，则主控制器给第一台从风机发送停机指令，使第一台从风机停止运行，然后主控制器继续进行PID自动调节，若一定时间后实时检测的风量仍然大于风量设定值，则主控制器，则主控制器给第二台从风机发送停机指令，使第二台从风机停止运行，按照上述逻辑进行控制，逐台关闭从风机，直至实时检测的风量达到风量设定值时，认为系统处于稳定状态，此时，主控制器继续进行PID自动调节，对风量进行微调，保证系统一直处于稳定运行状态。

作为一种优选方案，在进行步骤S1～S5的过程中，在通讯总线空闲的时间，主控制器每隔一定的时间对各台从风机的运行状态进行查询，从控制器在接收到主控制器的查询命令后，将从风机的运行状态信息反馈给主控制器；其中，所述从风机的运行状态信息包括从风机的工作电压、电流、频率、故障状态信息。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明将多台风机并联在一个风道上，每台风机配置一个控制器，并对控制器进行主从设定，主控制器根据风量要求，决定是否对风机进行变频调速，以便使风道的风量快速达到风量设定值，其中只有主控制器接收风量设定信号和反馈信号，而从控制器根据主控制器的频率给定指令和启停指令对其对应的风机进行控制，减少了传感器的使用数量，降低了传感器的使用成本；此外，使用通讯总线进行通讯，数据结构采用符合标准的通讯协议，通讯可靠。

2、本发明只采用主控制器进行PID控制调节，可以减少系统调试时间，降低系统的复杂程度，并且通过多个风机的组合以及频率的调节，使得最终可以满足控制要求，使系统输出稳定的风量。

3、本发明的主控制器通过给从控制器发送频率给定指令，控制从控制器对应的风机对实时风量进行粗调；而主控制器本身通过对实时风量进行采样，并且进行PID控制，从而达到对实时风量进行微调的效果；主、从控制器对应的风机相互配合，使得系统最终工作在稳定的状态；在保证系统快速响应的同时，又能够防止系统出现过大的超调，既达到了控制的要求，又起到了节能的效果。

附图说明

图1为本发明的基于主从逻辑的风量控制系统结构图。

图2为本发明的基于主从逻辑的风量控制系统中主控制器与从控制器的结构图。

图3为本发明的基于主从逻辑的风量控制系统实现的风量控制方法流程图。

其中，1-风量检测装置，2-风道，3-主控制器，4-从控制器，5-主风机，6-从风机。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1所示，本实施例的基于主从逻辑的风量控制系统包括多台风机和风量检测装置1，所述多台风机并联在一个风道2上，每台风机配置一个控制器，其中一台风机的控制器为主控制器3，其他风机的控制器为从控制器4(图中所示第一从控制器、第二从控制器、第三从控制器、第四从控制器、第五从控制器……)，所述风量检测装置1设置在风道2上，并与主控制器3连接，所述主控制器3通过通讯总线与从控制器4连接；主控制器3对应的风机为主风机5，从控制器4对应的风机为从风机6；

所述主控制器3，用于接收风量检测装置1和从控制器4反馈的信号，并将风量检测值和风量设定值进行比较，决定是否对风机(含主风机5和从风机6)进行变频调速；

所述从控制器4，用于接收主控制器3的频率给定指令和启停指令，并根据主控制器的查询命令，将从风机6的运行状态信息反馈给主控制器3；

如图2所示，所述主控制器3和从控制器4采用相同的结构，由于结构相同，主控制器与从控制器之间可以进行灵活的切换，包括数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)驱动电路、整流逆变模块、输入按键、显示面板和通讯接口；所述整流逆变模块分别与IGBT驱动电路、三相电源以及对应的风机(若是主控制器，则是主风机，若是从控制器，则是从风机)连接，所述数字信号处理器分别与现场可编程门阵列、输入按键、显示面板、通讯接口以及风量检测装置连接，所述现场可编程门阵列与IGBT驱动电路连接；其中，所述数字信号处理器通过SPI总线与显示面板连接，通过数据总线和地址总线与现场可编程门阵列连接；

现场可编程门阵列通过IGBT驱动电路可以驱动整流逆变模块的IGBT，可以对整流逆变模块进行是否过流、过压、过温(是否电流过高、电压过高、温度过高)进行检测，对系统过流、过压、过温等情况做硬件保护，保护动作速度快；

数字信号处理器主要用于风机控制算法的实现、AD采样、输入按键的操作、与显示面板的通信以及各控制器间进行通讯；利用输入按键可以设置风量设定值，并由显示面板进行显示；数字信号处理器具有ADC转换器，可以对母线电压和风机三相电流进行采样，利用通讯接口可以实现控制器之间的通讯，所述风量检测装置1包括压力传感器、温湿度传感器和压差变送器，数字信号处理器可以将风量检测装置1采集的模拟信号转换为数字信号，并计算风道中的风量，具体计算过程如下：

1)空气含湿量计算：

式中：d为空气含湿量(g/kg)，P为大气压力，为相对湿度(％)，Ps为水蒸气的饱和蒸气压(Pa，查表可得)。

2)湿空气密度计算：

式中：P_t为进口处空气全压(Pa)，P为大气压力(Pa)，d为空气含湿量(g/kg)，T为空气绝对温度(K)，ρ为湿空气密度(kg/m³)。

3)风量计算：

式中：Q_v为风量值(m³/s)，α为流量系数，ε为膨胀系数，D为管道内径(m)，ρ为湿空气密度(kg/m³)，ΔP为压差(Pa)。

所述整流逆变模块采用PIM模块(Power Integrated Module，功率集成模块)，该PIM模块集成了三相桥式二极管整流器与三相桥式IGBT逆变器，所述三相桥式二极管整流器的三相输入端接三相电源，所述三相桥式IGBT逆变器的三相输出端与对应的风机(若是主控制器，则是主风机，若是从控制器，则是从风机)连接，三相交流电网电压进过三相桥式二极管整流器得到直流电，并通过母线电容稳压，然后通过控制器(主控制器或从控制器)输出的PWM驱动信号，控制三相桥式IGBT逆变器，输出电压幅值、频率均可变的三相交流电，从而控制对应的风机(若是主控制器，则是主风机，若是从控制器，则是从风机)的运行，即实现了AC-DC-AC的转换过程。

如图3所述，本实施例还提供了一种风量控制方法，该方法基于上述系统实现，包括以下步骤：

S1、在各台风机的控制器上，设置主控制器和各个从控制器的地址号；

S2、主控制器对风量值进行设定，得到运行信号后，启动主风机，同时通过通讯总线连续发送启动指令给各个从控制器，各个从控制器接收到与设定地址一致的数据后，分别控制各台从风机启动，使得各台从风机运行在初始给定频率状态；

S3、主控制器通过风量检测装置实时检测风道中的风量，若实时检测的风量达到风量设定值，系统处于稳定状态，从控制器定频运行，主控制器进行PID(Proportion Integration Differentiation，比例积分微分)自动调节，对风量进行微调，保证系统一直处于稳定状态；若实时检测的风量小于风量设定值时，进入步骤S4的加速调节；若实时检测的风量大于风量设定值时，进入步骤S5的减速调节；

S4、主控制器进行PID自动调节，自动增加主风机的运行频率，一定时间后，若实时检测的风量还小于风量设定值，则主控制器每隔一定的时间，在从风机初始给定频率的基础上，每次以一定的频率步长增加从风机的给定频率，并且向各个从控制器发送新的频率给定指令，使各台从风机的频率升高，从而增加系统的实时风量，主控制器仍然进行PID自动调节；一定时间后，当风量仍无法上升到设定值时，重复上述对从风机的控制过程，直至实时检测的风量达到风量设定值，并且主风机的频率低于最高运行频率(50Hz)时，认为系统处于稳定状态，此时，从控制器开始定频运行，主控制器继续进行PID自动调节，对风量进行微调，保证系统一直处于稳定运行状态；

S5、主控制器进行PID自动调节，自动减少主风机的运行频率，一定时间后，若实时检测的风量还大于风量设定值，则主控制器每隔一定的时间，在从风机初始给定频率的基础上，每次以一定的频率步长减少从风机的给定频率，并且向各个从控制器发送新的频率给定指令，使各台从风机的频率降低，从而减少系统的实时风量，主控制器仍然进行PID自动调节；一定时间后，当风量仍无法下降到设定值时，重复上述对从风机的控制过程，直至实时检测的风量达到风量设定值时，认为系统处于稳定状态，此时，从控制器开始定频运行，主控制器继续进行PID自动调节，对风量进行微调，保证系统一直处于稳定运行状态。

步骤S5中，若主风机的输出已经达到最低运行频率，并且各台从风机均已运行到最低运行频率，而实时检测的风量仍然大于风量设定值，则主控制器给第一台从风机发送停机指令，使第一台从风机停止运行，然后主控制器继续进行PID自动调节，若一定时间后实时检测的风量仍然大于风量设定值，则主控制器，则主控制器给第二台从风机发送停机指令，使第二台从风机停止运行，按照上述逻辑进行控制，逐台关闭从风机，直至实时检测的风量达到风量设定值时，认为系统处于稳定状态，此时，主控制器继续进行PID自动调节，对风量进行微调，保证系统一直处于稳定运行状态。

在进行步骤S1～S5的过程中，在通讯总线空闲的时间，主控制器每隔一定的时间对各台从风机的运行状态进行查询，从控制器在接收到主控制器的查询命令后，将从风机的运行状态信息反馈给主控制器；其中，所述从风机的运行状态信息包括从风机的工作电压、电流、频率、故障等信息。

综上所述，本发明将多台风机并联在一个风道上，每台风机配置一个控制器，并对控制器进行主从设定，主控制器根据风量要求，决定是否对风机进行变频调速，以便使风道的风量快速达到风量设定值，其中只有主控制器接收风量设定信号和反馈信号，而从控制器根据主控制器的频率给定指令和启停指令对其对应的风机进行控制，减少了传感器的使用数量，降低了传感器的使用成本；此外，使用通讯总线进行通讯，数据结构采用符合标准的通讯协议，通讯可靠。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。