中央空调节能控制系统风机水泵专用一体化智能驱动器的制作方法

本发明涉及一种中央空调节能控制系统风机水泵专用一体化智能驱动器，属于中央空调节能控制系统技术领域。

背景技术：

在中央空调节能控制系统中，需要对风机或水泵调速控制，实现系统如下功能：风机水泵调速控制、实现手自动切换、实现温度、压力、环境温湿度信号采集、实现调节阀输出控制、实现通讯网络搭建，主从通讯、pc通讯、人机界面通讯等。基于这种实际应用场景，现有是市面上的器件或产品无法直接满足应用需求，只能使用变频器、大量plc控制器、电气辅材、二次控制回路等搭建非常冗杂的一个整体。这种方式造价高、设备体积大、内部回路复杂、售后维护困难。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种中央空调节能控制系统风机水泵专用一体化智能驱动器，用以解决现有技术中央空调节能风机或水泵控制系统造价高、设备体积大、内部回路复杂、售后维护困难。

本发明采用如下技术方案：中央空调节能控制系统风机水泵专用一体化智能驱动器，其包括整流单元、滤波单元、逆变单元、调速处理单元、智能驱动单元，整流单元将交流ac380v整流为dc540v后输入至滤波单元进行谐波滤除、谐波滤除后的直流电在逆变单元和调速处理单元的作用下，将直流电源转换成频率和电压都可任意调节的交流电源，智能驱动单元的输出端与调速处理单元的输入端连接，智能驱动单元的输入端上连接有手自动切换调速模块、电流或电压切换型采集模块、温度采集ntc模块、隔离型数字信号输入模块，智能驱动单元的输出端上连接有电流或电压切换型输出模块、继电器输出模块；

手自动切换调速模块用于调节电机速度，电流或电压切换型采集模块用于采集压力或温度或温湿度信号；电流或电压切换型采集模块用于采集空调冷冻水泵总出水压力、主机蒸发器总出水压力、集水器压力或冷却水泵总出水压力、主机冷凝器总出水压力或环境温湿度；温度采集ntc模块采集温度信号，温度采集ntc模块用于采集冷冻水泵总出水温度、主机蒸发器总出水温度、集水器温度或冷却水泵总出水温度、主机冷凝器总出水温度或冷却塔总出水温度、冷却塔总进水温度；隔离型数字信号输入模块接入外部无源启停信号、机组全停信号，隔离型数字信号输入模块用于采集干触点型开关数字量信号以判断当前触点型开关状态；

电流或电压切换型输出模块用于控制任何电压或电流信号形式的执行器件；继电器输出模块用于驱动指示灯或蜂鸣器；

智能驱动单元上还连接有隔离型通讯模块，用于对具有相同通讯协议的设备之间进行数据交互。

所述电流或电压切换型采集模块有4路，所述温度采集ntc模块有5路，所述隔离型数字信号输入模块有4路。

所述4路电流或电压切换型采集模块用于实现4-20ma、0-20ma的电流型信号输入和2-10v、0-10v的电压型信号输入。

所述电流或电压切换型输出模块有4路，所述继电器输出模块有4路，4路继电器输出模块分别输出故障信号、运行信号。

所述4路电流或电压切换型输出模块用于实现：4-20ma、0-20ma的电流型信号输出和2-10v、0-10v的电压型信号输出。

所述隔离型通讯模块包括3路隔离型rs485通讯模块和1路隔离型rs422通讯模块。

所述智能驱动单元采用stm32f103rct6中央处理器。

电流或电压切换型采集模块、电流或电压切换型输出模块的切换过程对应的算法公式为：

f=(d-c)/(b-a)*(v-a)+c（1）

f=(d-c)/(h-g)*(x-a)+c（2）

其中：a=inmin=输入起始值，b=inmax=输入结束值，c=outmin=输出起始值，d=outmax=输出结束值，v=v_data=当前采集值，f=处理结果，g=传感器量程最小值，h=传感器量程最大值；

将当前采集的电流电压值v代入上述公式（1）计算出处理结果f，然后再将处理结果f代入公式（2），计算得到当前压力或温度或湿度值x。

所述手自动切换调速模块包括10v参考电压端口、手动dc0-10v模拟量输入正极端口、手动dc0-10v模拟量输入负极端口、正转数字信号输入端口、手动数字输入信号端口、自动数字输入信号端口、数字输入信号公共端，正转数字信号输入端口、手动数字输入信号端口、自动数字输入信号端口分别接有旋转开关，正转数字信号输入端口接入的旋转开关为常开触点，手动数字输入信号端口、自动数字输入信号端口接入的旋转开关均为常闭触点，手动数字输入信号端口、自动数字输入信号端口接入的旋转开关同侧叠加，10v参考电压端口、手动dc0-10v模拟量输入正极端口、手动dc0-10v模拟量输入负极端口均连接到电位器。

所述智能驱动单元、温度采集ntc模块、隔离型数字信号输入模块、隔离型rs485通讯模块位于下板上，电流或电压切换型采集模块、电流或电压切换型输出模块、继电器输出模块位于上板上，上板和下板通过插针连接在一起。

本发明的有益效果是：本发明是一种中央空调节能控制系统风机水泵专用一体化智能驱动器，能够实现大型水冷中央空调节能控制系统的风机水泵调速，将各个模块集中到一起，不需要二次搭建控制回路，具有造价低、集成度高、设备体积小、售后方便、智能化、节能效果突出等优点。采用本发明的设计，避免了现有技术直接组合产生的功能端口浪费、可靠性低、安装分散、集成体积大、售后维护困难、造价高等问题。本发明的中央空调节能控制系统风机水泵专用一体化智能驱动器对风机、水泵进行调速控制过程如下：

对冷却塔风机的调速控制：调速控制共分为4个区间：截止区、线性区、饱和区、保护区，温度采集ntc模块用于采集冷却塔总进水温度传感器、冷却塔总出水温度传感器的温度信号，电流或电压切换型采集模块用于采集环境温湿度传感器的温湿度信号。（1）截止区：当冷却塔总出水温度传感器检测温度低于截止区目标温度时，风机进入截止区，风机停止运行。（2）线性区：当冷却塔总出水温度传感器检测温度高于截止区目标温度，且环境温湿度传感器计算出的环境湿球温度大于冷却塔总出水温度时，进入线性区根据线性区目标温度采集用pid控制，即比例、积分、微分控制模型控制风机速度。（3）饱和区：当冷却塔总出水温度传感器检测温度高于线性区目标温度，且环境温湿度传感器计算出的环境湿球温度接近冷却塔总出水温度时，进入饱和区风机根据环境湿球温度调节速度，使冷却塔总出水温度水温接近环境湿球温度。（4）保护区：当冷却塔总出水温度传感器检测温度达到保护区目标温度，根据保护区预设的最高值调节风机速度。

对冷冻泵、冷却泵的调速控制：调速控制以压差为基准，温度与温差为运行补偿。温度采集ntc模块用于采集水泵总出水温度、机组总出水温度、总回水温度；电流或电压切换型采集模块用于采集水泵总出水压力、机组总出水压力、总回水压力。根据采样的压力，实时计算当前机组端压差与负荷端压差，实际压差与目标压差实时比较，采集用pid控制，即比例、积分、微分控制模型控制水泵运转速度，同时根据采样温度的情况，实时修改目标压差值，根据温差变化情况同时补偿目标压差值，完成整个水泵的调速控制。

附图说明

图1是本发明一种实施例中央空调节能控制系统风机水泵专用一体化智能驱动器的原理图；

图2是本发明一种实施例中央空调节能控制系统风机水泵专用一体化智能驱动器的端口示意图；

图3是图1中手自动切换调速模块的原理图；

图4是图1中电流或电压切换型采集模块的电路原理图；

图5是图1中温度采集ntc模块的电路原理图；

图6是图1中隔离型数字信号输入模块的电路原理图；

图7是图1中电流或电压切换型输出模块的电路原理图；

图8是图1中继电器输出模块的电路原理图；

图9是图1中隔离型通讯模块的电路原理图；

图10是中央空调系统传感器分布示意图。

图10中：1-冷冻水泵总出水压力传感器，2-冷冻水泵总出水温度传感器，3-主机蒸发器总出水压力传感器，4-主机蒸发器总出水温度传感器，5-集水器压力传感器，6-集水器温度传感器，7-冷却水泵总出水压力传感器，8-冷却水泵总出水温度传感器，9-主机冷凝器总出水压力传感器，10-主机冷凝器总出水温度传感器，11-冷却塔总进水温度传感器，12-冷却塔总出水温度传感器，13-分水器与冷冻泵间的b阀传感器，14-分集水器间a阀传感器，15-环境温湿度传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明一种实施例中央空调节能控制系统风机水泵专用一体化智能驱动器的原理如图1所示，本发明中央空调节能控制系统风机水泵专用一体化智能驱动器包括整流单元、滤波单元、逆变单元、调速处理单元、智能驱动单元，整流单元将交流ac380v整流为dc540v后输入至滤波单元进行谐波滤除、谐波滤除后的直流电在逆变单元和调速处理单元的作用下，将直流电源转换成频率和电压都可任意调节的交流电源，所述智能驱动单元采用stm32f103rct6中央处理器。智能驱动单元的输出端与调速处理单元的输入端连接，智能驱动单元的输入端上连接有手自动切换调速模块、电流或电压切换型采集模块、温度采集ntc模块、隔离型数字信号输入模块，智能驱动单元的输出端上连接有电流或电压切换型输出模块、继电器输出模块。

（1）手自动切换调速模块用于调节电机速度，如图3所示，手自动切换调速模块包括10v参考电压端口（1）、手动dc0-10v模拟量输入正极端口（2）、手动dc0-10v模拟量输入负极端口（3）、正转数字信号输入端口（4）、手动数字输入信号端口（5）、自动数字输入信号端口（6）、数字输入信号公共端（7），正转数字信号输入端口（4）、手动数字输入信号端口（5）、自动数字输入信号端口（6）分别接有旋转开关sa，正转数字信号输入端口（4）接入的旋转开关sa（8）为常开触点，手动数字输入信号端口（5）、自动数字输入信号端口（6）接入的旋转开关sa（9）、sa（10）均为常闭触点，手动数字输入信号端口（5）、自动数字输入信号端口（6）接入的旋转开关sa（9）、sa（10）同侧叠加，10v参考电压端口（1）、手动dc0-10v模拟量输入正极端口（2）、手动dc0-10v模拟量输入负极端口（3）均连接到电位器r（11）。

手动时速度调节由r（11）、sa（8）、sa（9）给定，由人为主观判断工况情况给定。自动时速度调节由sa（10）识别为自动信号，由传感器采集信号采集当前工况情况，通过中央处理器计算后给定。当sa（8）、sa（9）均闭合时为手动状态，此时sa（10）为断开状态，sa（8）、sa（9）闭合信号通过线路连接至中央处理器，端子（1）为正极dc10v电压，通过电位器r（11）分压后，将分压后的电压输入至手动dc0-10v模拟量输入正极端口（2），中央处理芯片解析当前的手动或自动状态及r（11）的数据量。

（2）电流或电压切换型采集模块用于采集压力或温度或温湿度信号，电流或电压切换型采集模块用于采集空调冷冻水泵总出水压力、主机蒸发器总出水压力、集水器压力或冷却水泵总出水压力、主机冷凝器总出水压力或环境温湿度，所述电流或电压切换型采集模块有4路，所述4路电流或电压切换型采集模块用于实现4-20ma、0-20ma的电流型信号输入和2-10v、0-10v的电压型信号输入。4路电流或电压切换型采集模块分别可连接冷冻水泵总出水压力传感器1、主机蒸发器总出水压力传感器3、集水器压力传感器5或冷却水泵总出水压力传感器7、主机冷凝器总出水压力传感器9或环境温湿度传感器15，如图10所示。

通过电流或电压切换型采集模块可适用与任何电压或电流信号形式的传感器，无需增加其它信号转换器进行信号转换。如图4所示，电流或电压切换型采集模块以电压与电流采样的模拟电路为基础，ai0端接信号来源，ai0_c_1接入中央处理芯片，通过切换开关j5实现模拟电路的切换，配合软件算法最终计算当前的压力、温度、温湿度等。

（3）温度采集ntc模块通过热敏电阻采集温度信号，温度采集ntc模块用于采集冷冻水泵总出水温度、主机蒸发器总出水温度、集水器温度或冷却水泵总出水温度、主机冷凝器总出水温度或冷却塔总出水温度、冷却塔总进水温度，隔离型数字信号输入模块接入外部无源启停信号、机组全停信号，基准温度为10k时25℃，温度变化对应阻值的变化，采样当前阻值大小并进行软件计算。温度采集ntc模块电路如图5所示，ntc0接入ntc10k电阻，ntco_c接入中央处理芯片。所述温度采集ntc模块有5路，5路温度采集ntc模块分别接入冷冻水泵总出水温度传感器2、主机蒸发器总出水温度传感器4、集水器温度传感器6或冷却水泵总出水温度传感器8、主机冷凝器总出水温度传感器10或冷却塔总出水温度传感器12、冷却塔总进水温度传感器11。

（4）隔离型数字信号输入模块用于采集干触点型开关数字量信号以判断当前触点型开关状态为“0”或“1”。所述隔离型数字信号输入模块有4路。如图6所示，mi2接入开关信号，mi2_c接入中央处理芯片。

（5）电流或电压切换型输出模块用于控制任何电压或电流信号形式的执行器件，所述电流或电压切换型输出模块有4路，所述4路电流或电压切换型输出模块用于实现：4-20ma、0-20ma的电流型信号输出和2-10v、0-10v的电压型信号输出。4路电流或电压切换型输出模块分别可接入分水器与冷冻泵间的b阀传感器13、分集水器间a阀传感器14。

电流或电压切换型输出模块是控制电动调节阀门、变频器等器件，通过电流或电压切换型采集模块可控制任何电压或电流信号形式的执行器件，无需增加其它信号转换器进行信号转换。如图7所示，电流或电压切换型输出模块以电压与电流输出模拟电路为基础，通过切换开关j1实现模拟电路的切换，配合软件算法最终控制阀门、变频器等器件。ao0端接信号来源，ao0_c1接入中央处理芯片。

（6）继电器输出模块用于驱动指示灯或蜂鸣器等器件；所述继电器输出模块有4路，4路继电器输出模块分别输出故障信号、运行信号。如图8所示，do0_c接入中央处理芯片，中央处理芯片中软件根据需要驱动rb0、ra0触点的开合，从而驱动相应的指示灯开关。

智能驱动单元上还连接有隔离型通讯模块，隔离型通讯模块用于对具有相同通讯协议的设备之间进行数据交互。隔离型通讯模块电路如图9所示，所述隔离型通讯模块包括3路隔离型rs485通讯模块和1路隔离型rs422通讯模块。

中央空调节能控制系统风机水泵专用一体化智能驱动器的接口如图2所示，所述智能驱动单元、温度采集ntc模块、隔离型数字信号输入模块、隔离型rs485通讯模块位于下板上，电流或电压切换型采集模块、电流或电压切换型输出模块、继电器输出模块位于上板上，上板和下板通过插针连接在一起。

电流或电压切换型采集模块、电流或电压切换型输出模块的切换过程对应的算法公式为：

f=(d-c)/(b-a)*(v-a)+c（1）

f=(d-c)/(h-g)*(x-a)+c（2）

其中：a=inmin=输入起始值，b=inmax=输入结束值，c=outmin=输出起始值，d=outmax=输出结束值，v=v_data=当前采集值，f=处理结果，g=传感器量程最小值，h=传感器量程最大值；

将当前采集的电流电压值v代入上述公式（1）计算出处理结果f，然后再将处理结果f代入公式（2），计算得到当前压力或温度或湿度值x。

具体计算实例如下：

例1：以电流型4-20ma、量程范围为0-1600kpa的压力传感器为例，模拟电路软件4-20ma信号处理为800-4000的值，800-4000的值对应0-1600kpa，若此时电流为13ma，对应的a=4，b=20，c=800，d=4000，g=0，h=1600，v=13，传感器测得的压力计算过程如下：

f=(d-c)/(b-a)*(v-a)+c=(4000-800)/(20-4)*(13-4)+800=2600

f=(d-c)/(h-g)*(x-a)+c=(4000-800)/(1600-0)*(x-0)+800=2600

解得，x=900，即传感器测得的压力值为900kpa。

例2：以电压型0-10v、量程范围为0-1000kpa的压力传感器为例，模拟电路软件0-10v信号处理为0-4000的值，0-4000的值对应0-1000kpa，若此时电压为3.3v，也就是a=0，b=10，c=0，d=4000，g=0，h=1000，v=3.3，传感器测得的压力计算过程如下：

f=(d-c)/(b-a)*(v-a)+c=(4000-0)/(10-0)*(3.3-0)+0=1320

f=(d-c)/(h-g)*(x-a)+c=(4000-0)/(1000-0)*(x-0)+0=1320

解得，x=330，即传感器测得的压力值为330kpa。

本发明是一种中央空调节能控制系统风机水泵专用一体化智能驱动器，能够实现大型水冷中央空调节能控制系统的风机水泵调速，将各个模块集中到一起，不需要二次搭建控制回路，具有造价低、集成度高、设备体积小、售后方便、智能化、节能效果突出等优点。采用本发明的设计，避免了现有技术直接组合产生的功能端口浪费、可靠性低、安装分散、集成体积大、售后维护困难、造价高等问题。

本发明的中央空调节能控制系统风机水泵专用一体化智能驱动器对风机、水泵进行调速控制过程如下：

对冷却塔风机的调速控制：调速控制共分为4个区间：截止区、线性区、饱和区、保护区，温度采集ntc模块用于采集冷却塔总进水温度传感器11、冷却塔总出水温度传感器12的温度信号，电流或电压切换型采集模块用于采集环境温湿度传感器15的温湿度信号。（1）截止区：当冷却塔总出水温度传感器12检测温度低于截止区目标温度时，风机进入截止区，风机停止运行。（2）线性区：当冷却塔总出水温度传感器12检测温度高于截止区目标温度，且环境温湿度传感器15计算出的环境湿球温度大于冷却塔总出水温度12时，进入线性区根据线性区目标温度采集用pid控制，即比例、积分、微分控制模型控制风机速度。（3）饱和区：当冷却塔总出水温度传感器12检测温度高于线性区目标温度，且环境温湿度传感器15计算出的环境湿球温度接近冷却塔总出水温度12时，进入饱和区风机根据环境湿球温度调节速度，使冷却塔总出水温度水温接近环境湿球温度。（4）保护区：当冷却塔总出水温度传感器12检测温度达到保护区目标温度，根据保护区预设的最高值调节风机速度。

对冷冻泵、冷却泵进行调速控制：调速控制以压差为基准，温度与温差为运行补偿。温度采集ntc模块用于采集水泵总出水温度、机组总出水温度、总回水温度；电流或电压切换型采集模块用于采集水泵总出水压力、机组总出水压力、总回水压力。根据采样的压力，实时计算当前机组端压差与负荷端压差，实际压差与目标压差实时比较，采集用pid控制，即比例、积分、微分控制模型控制水泵运转速度，同时根据采样温度的情况，实时修改目标压差值，根据温差变化情况同时补偿目标压差值，完成整个水泵的调速控制。