基于LabVIEW的暖通空调数据采集控制系统设计

摘要: 暖通空调（HVAC）系统中建立一套对各种水阀、风阀、变风量箱、电加热器、加湿器以及其他

控制元件进行准确测量及时控制的数据采集控制系统。使用NI公司的LabVIEW Developer Suite，把HVAC系统中各种不同设备统一起来，进行集中采集控制。建立一套基于PC的HVAC数据采集控制系统。

关键词:abVIEW  数据采集 自动控制 暖通空调系统  PID控制

The Application of LabVIEW in the field of HVAC DAQ and Control System
By Chen Qian，Weng Wengbing

Build a suit of HVAC DAQ and Control System which could take precise data acquisition and control water valve, air valve, VAV box, electrical heater, humidifier and other control elements. Using National Instrument’s product LabVIEW Developer Suite, unite all different devices in HVAC system to take central control. Build a suit of HVAC DAQ and Control System based on PCs.

Keywords:abVIEW  Data Acquisition Auto Control HVAC System  PID Control

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 [!--empirenews.page--]

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。