ARM7 SoC芯片在空调节能多工况分区及控制系统的应用

 

　　随着社会的进步和技术的发展，空调的应用也越来越广泛，它在人们的生产和生活中发挥 着重要作用。但是同时，空调在建筑物的能耗中又占有相当大的比例。空调技术中对空气的处理过程具有很强的季节性，一年中至少可分为冬季、过渡季和夏季三季节，空调过程也不同。本文介绍了以ARM7 SoC为构成多功能现场控制器，运行uClinux嵌入式操作系统，实现任务调度。其目的是为了使空调系统的运行与调节在保证满足功能指标（如舒适度）的情况下，尽量节约能源和安全运行。空调微机控制系统结构如图1所示。

　　1  系统硬件结构

　　爱特梅尔的AT91ARMThumb微控制器能提供8位微控制器用户期望的32位的性能，而仍在他的严格的系统预算之内。额外性能使软件中创新而非发展通信、压缩或控制协议。依据工业标准的ARM处理器建立一个微控制器产品系列保证了顾客的长期可及性。ARM处理器的普遍采用使大量的合格软件IP产品得到发展，减少了新产品的上市时间。AT91微控制器以低功率，实时控制应用为目标。它们已经被成功地设计入工业自动化系统、MP-3/WMA播放器、数据采集产品、传呼器，点销售终端、医疗设备，GPS和网络系统。这个AT91M55800A是AtmelAT9116/32-bit单片机的家庭，是基于ARM7TDMI处理器。该处理器高性能的32位的RISC建筑和高密度的16位的指令集和很低的功耗。此外，大量的内部门房登记导致非常快速的异常处理，使设备的实时控制应用的理想。

　　系统硬件结构如图2所示。图中，微控制器采用AT91M55800A系列的ARM7 SoC芯片；I/O接口用来连接各种外部报警信号、限位开关和风机开关命令等；A/D接口用来连接温、湿度传感器的测量信号；D/A接口用来连接风阀开度信号等；显示器及键盘是人机接口界面。

　　2  多工况分区的实现

　　2.1 多工况分区的划分

　　多工况分区是空调节能优化控制的关键技术之一。在满足使用要求的前提下，使空调系统运行在节能工况是工况分区的目的。怎样使工况合理分区并使系统自动运行在工况，则是基于单片机的空调控制器实现节能优化的主要任务。

　　节能分区由6个主体工况和2个附加工况（1个算法工况、1个启停工况）组成。6个主体工况对应节能多工况分区的6大分区；当某个主体工况需要算法调节时，调用算法工况；当需要启动机组或停止运行时，则调用启停工况。

　　2.2 主体工况

　　主体6个工况是节能多工况简化分区的主要工况。全年连续运行的舒适性空调大部分时间都运行在此工况。所以对其划分的正确与否，不仅关系到系统能否正确调节，而且关系到系统能否可靠运行。主体工程全年划分为6大区：1区、2区、3区、4区、5区、6区，分别对应冬季、冬春、过渡季1、过渡季2、夏秋、夏季，如表1所示。

　　

　　各大工况区的设计原则是：（1）尽量节能。（2）便于控制。集中式空调需要调节的主要参数为温度和湿度。所消耗的能源主要来自二方面：一是用来调节温湿度的冷源和热源（如热水、冷水和热蒸汽等）；二是用来输送空气的传输设备（如风机）的能源。因此各大工况所设计的节能措施也主要是从这二方面来考虑。首先根据工况需要选择的调节手段（本文选择智能控制算法）从而使空气调节过程达到。

　　2.3算法工况

　　算法工况是一个附加工况，是在每一主体工况内需要算法调节时的附加工况，以进一步节能。其处理过程：当调节误差ek满足|ek|>m时，风机高速运行，以使冷热交换充分，加快温湿度参数的调节过程，其调节量由算法控制；当|ek|≤m时，风机低速运行（风机低速运行可以节省传输系统的能量），算法停止调节，系统处于保持状态，使系统稳定在舒适度要求的范围内。

　　3系统的实现

　　由简化的节能多工况分区构成的系统也是简化的基本系统，它包含4项基本内容：知识库、数据库、规则集和推理机构。在基于单片机的智能控制器中设有数据库空间，它存储根据室外气象条件及经验预先给定的数据以及运行过程中实时获得的数据。知识库的建立采用产生式规则，即：IFCONDITIONTHENOPERATION的规则来建立所需的分区规则、经验知识以及运行过程中要求特殊处理的规则。下面仅就主体工况对控制器中的推理机构和节能多工况简化分区规则集加以说明。推理系统结构框图如图3所示。

　　3.1 推理机构

　　根据我国各地全年室外气象条件的变化规律以及空调的经验，确定以下推理条件（边界条件）：

 

　　控制器记忆及判断这些状态，并根据这些状态和其逻辑组合，从知识库中提取不同的分区规则进行多工况节能简化分区并确定系统当前应处的工况。

　　控制器是按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置。组合逻辑控制器和微程序控制器，两种控制器各有长处和短处。组合逻辑控制器设计麻烦，结构复杂，一旦设计完成，就不能再修改或扩充，但它的速度快。微程序控制器设计方便，结构简单，修改或扩充都方便，修改一条机器指令的功能，只需重编所对应的微程序；要增加一条机器指令，只需在控制存储器中增加一段微程序，但是，它是通过执行一段微程。具体对比如下：组合逻辑控制器又称硬布线控制器，由逻辑电路构成，完全靠硬件来实现指令的功能。

　　3.2 分区规则集

　　根据前述节能多工况分区的思想及上述说明，可以总结出下述6条分区规则：

　

 

　　由于本简化分区规则比较少，搜索空间较小，具体软件实现时可以采用前向推理的方法，即从前向后逐条进行搜索。用单片计算机实现，非常方便可靠。

　　本文研制的空调控制器与某空调器厂ZK型系列空调机组配套，并装配节能多工况分区系统软件，构成了节能型全自动空调微机控制系统。实际运行表明：该系统比传统系统节能30%,并可做到无人管理和全年全自动运行，能保证处于节能状态。整个系统的调试在JEDIview开发平台下完成，特别是软件效能分析仪为解决程序代码瓶颈提供了很好的工具。