传感器自动识别装置在空调节能中的应用———传感器自动识别装置

　
  摘要：在中央空调系统节能控制中, 各传感器通过已编号的标准接口连接到自动控制装置中相应的输入端。为了避免在使用过程中由于操作失误带来的故障,我们开发一种传感器自动识别装置,它能自动地识别各传感器的类型和用途,保证自动控制装置始终按约定的输入-输出关系运行。
        0 引言
  　　建筑节能是目前国内外争相进入研究并大量投入的一个新兴领域，中央空调是现代化建 筑不可缺少的重要设备之一，中央空调在向人们提供舒适环境的同时，也带来了巨大的能源 消耗。据统计资料介绍在大、中型酒店和宾馆，中央空调消耗的能量占建筑物耗能的60%以 上，因此，中央空调节能技术的开发与应用又是建筑物节能的重要领域，积极地开发与合理 地利用节能控制技术，是降低空调能耗的根本途径。在中央空调节能系统中,是通过安装在 出水管与回水管上的传感器来检测温度,把实际温度送到自动控制装置中与设定温度做比较 并进行操作控制的。本文主要介绍传感器自动识别装置在中央空调节能控制中的应用.
  　　1 中央空调变流量节能原理
  　　变流量是指流体（气体或液体）在特定管道或风道流通时，其流量是按照某种特定的规 律变化的。采用变流量输送流体的目的是在满足终端负荷需要的前提下，实现输送系统的节 能。 中央空调系统主要由空调主机、冷温水控制设备、冷却水控制设备和冷却塔风机控制设 备组成，在中央空调系统中，冷温水泵、冷却水泵和冷却塔风机的容量是按照建筑物最大设 计热负荷选定的，且留有10%-15%的余量,在一年四季中，系统长期在固定的最大水流量下 运行。
  　　由于季节、昼夜和用户负荷的变化，空调实际的热负荷在绝大部分时间内远比设计负 载低。一年中负载率在50%以下的运行小时数约占全部运行时间的50%以上。当空调冷负荷发生变化时，所需空调循环水量也应随负荷相应变化。所以，采用变流量控制技术，可以实 现中央空调系统的节能，包括中央空调一次泵系统对冷温水泵、冷却水泵和冷却塔风机的变 流量控制；中央空调系统中新风系统、变风量系统、一次回风系统和二次回风系统等变流量 控制。这些变流量控制系统普遍采用自动控制技术和变频调速技术，通过控制流量达到节能 的目的。
  　　系统正常启动后，由现场安装的温度传感器和变送器，流量传感器和变送器、压差传感 器和变送器、智能电表等将检测的数据传送给智能I/O 模块，通过实测值与设定值相比较， 计算出该量值的偏差和偏差变化率，通过模糊控制运算，实时调节变频器的运算频率，满足 系统负荷的需要。其中，检测的冷温水回水温度，用于控制冷温水泵转速；检测的冷却水出 水温度，用于控制冷却水泵转速；检测的冷却水进水温度，用于控制冷却塔风机转速。水泵 和风机运行时消耗功率与转速的立方成正比，控制转速就能实现大幅度节能。压差传感器检 测的供回水总管的压差，主要用于保护功能，当压差超过一定量值时，控制旁通阀的开度， 保障系统安全运行；智能电表检测的量值用于系统管理，计算出系统消耗的电能，绘制节能 曲线和节能的历史记录。
  　　2 传感器自动识别装置的组成
  　　空调主机通常安装在地下层或专门的房间里，工作环境恶劣，离需要供热（或制冷）的 房间较远，在空调运行过程中，我们需要对冷冻水供回水温度和冷却水进出水温度进行采集， 传统的空调系统中，传感器与控制计算机之间是通过电缆接线的方式来连接的，在对系统进 行调试、监测、检修时，经常需要断开传感器输出端的连接线缆作一些测试操作，操作完毕 恢复连接时容易发生连接错误的情况。而在工程现场，传感器编号标识模糊不清甚至标识消 失的情况时有发生，工程技术文件又一时难以获得甚至遗失。这样，必须花费相当的人力、 物力和时间来辨识和确认各传感器和各输入端的连接关系，一旦传感器与输入端口的连接出 错，将会造成系统运行故障。针对这种情况，我们研究一种传感器自动识别装置，将传感器 自动识别技术用于在线自动识别各个传感器的类别和用途，无需人工编号标识、对号连接， 可保证系统自动地按照设计约定的输入-输出关系运行，可以降低系统施工、调试、检修成 本，避免因连接错误造成的意外故障。这是一种无需利用接口的编号标识，能自动地识别各 传感器的类型和用途，保证自动控制装置始终按约定的输入-输出关系运行的一种装置。
  　　传感器自动识别装置由传感器、模拟量输入单元、运算单元、传感器自动识别规则库、 传感器失效判断规则库、传感器识别单元和传感器信息显示单元组成。其原理框图如下：

  
  

  　　（1）传感器个数为1～10 个，各传感器输出的模拟量电平相同，各传感器采集的物理量的实际有效取值范围相对全量程范围而言较小或各传感器采集的物理量的特征量如时域、频域或相关性特征量有比较明显的差别。多数常用的自动装置中的传感器组都能满足要求。
  　　（2）运算单元对各传感器输出信号作特征量提取运算，提取的特征量可以有算术平均 值、方差、极差、差分值、波动周期等。运算采样数可取 10～20。运行时需要运算提取的 特征量和采样数由自动识别规则库确定。
  　　（3）自动识别规则库和失效判断规则库是根据系统所采用传感器的类别和特点离线预 设的，两个规则库内建的规则来自专业知识、常识性知识和经验知识等。
  　　（4）识别单元依据自动识别规则库和失效判定规则库的规则，对运算单元输出的各传 感器特征量作自动识别，识别单元输出的是各传感器的类型、用途、用于系统的检测点位置 和是否绝对失效。识别单元的输出以数字信号形式送入计算机控制器，控制器确认各传感器 均正常后进入控制运算程序，并保证控制运算按设计约定的输入-输出关系进行，并在显示 器上作相应的显示。
  　　（5）自动识别和失败判定程序在中央空调系统运行15 min 后执行。
  　　3 传感器自动识别装置工作原理
  　　（1）收集各传感器的采样值，采样数为10～20 次，采样周期为0.5～5S。
  　　（2）对传感器的采样值经运算单元分别作特征量提取运算，提取的特征量有算术平均值， 方差，变化范围，数据对时间的1、2、3、4 阶导数，数据的波动周期，频域特性，相关性。 需要提取的特征量的数量和种类因自动控制装置的不同而不同，由内建的自动识别规则库来 确定。
  　　（3）对各传感器的特征量经传感器识别单元分别作比对判断运算。比对判断运算的输入 信息是各传感器的特征量、类型和用途；比对判断运算的依据是传感器自动识别规则库；比 对判断运算的决策是各传感器的类型、用途和用于自动控制装置的输入端口。
  　　（4）自动控制装置正常运行后，对各传感器采集的数据进行长期在线监视。传感器采集 的数据偏离量程范围时，判断为绝对失效，在传感器信息显示单元提供报警信号；传感器采 集的数据虽然在量程范围内但偏离正常范围时，判断为相对失效（相对失效发生在系统启动 后尚未进入稳定运行的初期），提供保持运行信号（保持时间T 可设置），保持时间T 后，传 感器采集的数据虽然在量程范围内但仍然偏离正常范围，判定为连接关系错误，同时传感器 信息显示单元提供连接错误告警信号。长期监视的判定依据是失效识别规则库。
  　　实现本自动识别方法的硬件和软件，主要涉及CPU 单元、存储器、操作界面。硬件和软件的配置可以在自动控制装置的硬件、软件配置时一并考虑，不必单设。
  　　4 结论
  　　传感器自动识别装置的关键在于正确建立传感器自动识别规则库和传感器失效判定规 则库。另外，传感器运算单元也要建立各种运算规则，我们可以选取不同运算模型的运算结 果获得对被控系统的优化控制。本装置不同于另外增加有线或无线通道、对传感器作编码识 别的方法，而是利用传感器自身传输信号的特征量进行识别，即用软件技术替代硬件配置的 方法。使用该装置能避免传感器与控制装置之间的接口连接关系错误，保证自动控制装置始 终按照约定的输入-输出关系运行，以降低施工、调试成本，提高工作效率。传感器自动识 别装置用于中央空调节能系统是一个应用案例，该技术也可以用在其他电机拖动自动控制系 统中。
  　　本文作者创新点：将传感器自动识别技术用于中央空调系统中，在线自动识别各传感 器的类别和用途，保证系统自动地按照设计约定的输入-输出关系运行。