基於主從邏輯的風量控制系統及方法與流程
2023-10-20 18:24:12 3
本發明涉及一種風量控制系統，尤其是一種基於主從邏輯的風量控制系統及方法，屬於風機應用領域。
背景技術：
風量控制系統主要應用於地下人防工事、樓宇地下通道等領域，用於控制通風系統的風量控制。通過檢測傳感器和風量算法計算風道中的風量，根據風量控制要求，改變風機頻率，達到改變進風量的目的。根據使用情況不同，對風量的要求也不同。如在地下人防工事則分為平時通風和戰時通風兩種方式。戰時通風時濾毒器會接入管道，減小管道中的風量，因此，在平時和戰時對管道內的風量要求並不一樣。
傳統的風量控制系統一般採用大型的單颱風機進行控制，這對控制器本身的功率等級要求較高。在對風量要求較大的情況下，大型風機可工作在接近額定狀態下，而對於平時的風量要求較小的情況下，大型風機被要求工作在低頻狀態，則會出現大馬拉小車的情況。並且電機長時間工作在低頻時電機發熱較嚴重，影響電機壽命。同時，單臺大型風機的運行，對系統整體來說，可靠性並不太高。
隨著技術的發展，採用多颱風機並聯在一個風道中的應用也越來越廣泛，控制系統越來越趨向於小型化、輕型化。目前，在採用多颱風機並聯的地下人防工事的應用中，很多都是根據風量大小的要求來判斷應該手動開啟風機的臺數，控制精度不高。
技術實現要素：
本發明的目的是為了解決上述現有技術的缺陷，提供了一種基於主從邏輯的風量控制系統，該系統將多颱風機並聯在一個風道上，每颱風機配置一個控制器，並對控制器進行主從設定，主控制器根據風量要求，決定是否對風機進行變頻調速，以便使風道的風量達到風量設定值。
本發明的另一目的在於提供一種基於上述系統的風量控制方法。
本發明的目的可以通過採取如下技術方案達到：
基於主從邏輯的風量控制系統，包括多颱風機和風量檢測裝置，所述多颱風機並聯在一個風道上，每颱風機配置一個控制器，其中一颱風機的控制器為主控制器，其他風機的控制器為從控制器，所述風量檢測裝置設置在風道上，並與主控制器連接，所述主控制器通過通訊總線與從控制器連接；
所述主控制器，用於接收風量檢測裝置和從控制器反饋的信號，並將風量檢測值和風量設定值進行比較，決定是否對風機進行變頻調速；
所述從控制器，用於接收主控制器的頻率給定指令和啟停指令，並根據主控制器的查詢命令，將對應風機的運行狀態信息反饋給主控制器。
作為一種優選方案，所述主控制器和從控制器採用相同的結構，包括數位訊號處理器、現場可編程門陣列、IGBT驅動電路、整流逆變模塊、輸入按鍵、顯示面板和通訊接口，所述整流逆變模塊分別與IGBT驅動電路、三相電源以及對應的風機連接，所述數位訊號處理器分別與現場可編程門陣列、輸入按鍵、顯示面板、通訊接口以及風量檢測裝置連接，所述現場可編程門陣列與IGBT驅動電路連接。
作為一種優選方案，所述整流逆變模塊採用PIM模塊，該PIM模塊集成了三相橋式二極體整流器與三相橋式IGBT逆變器，所述三相橋式二極體整流器的三相輸入端接三相電源，所述三相橋式IGBT逆變器的三相輸出端與對應的風機連接。
作為一種優選方案，所述數位訊號處理器通過SPI總線與顯示面板連接。
作為一種優選方案，所述數位訊號處理器通過數據總線和地址總線與現場可編程門陣列連接。
作為一種優選方案，所述風量檢測裝置包括壓力傳感器、溫溼度傳感器和壓差變送器。
本發明的另一目的可以通過採取如下技術方案達到：
基於上述系統的風量控制方法，所述方法包括：
S1、在各颱風機的控制器上，設置主控制器和各個從控制器的地址號；其中，主控制器對應的風機為主風機，從控制器對應的風機為從風機；
S2、主控制器對風量值進行設定，得到運行信號後，啟動主風機，同時通過通訊總線連續發送啟動指令給各個從控制器，各個從控制器接收到與設定地址一致的數據後，分別控制各臺從風機啟動，使得各臺從風機運行在初始給定頻率狀態；
S3、主控制器通過風量檢測裝置實時檢測風道中的風量，若實時檢測的風量達到風量設定值，系統處於穩定狀態，從控制器定頻運行，主控制器進行PID自動調節，對風量進行微調，保證系統一直處於穩定狀態；若實時檢測的風量小於風量設定值時，進入步驟S4的加速調節；若實時檢測的風量大於風量設定值時，進入步驟S5的減速調節；
S4、主控制器進行PID自動調節，自動增加主風機的運行頻率，一定時間後，若實時檢測的風量還小於風量設定值，則主控制器每隔一定的時間，在從風機初始給定頻率的基礎上，每次以一定的頻率步長增加從風機的給定頻率，並且向各個從控制器發送新的頻率給定指令，使各臺從風機的頻率升高，從而增加系統的實時風量，主控制器仍然進行PID自動調節；一定時間後，當風量仍無法上升到設定值時，重複上述對從風機的控制過程，直至實時檢測的風量達到風量設定值，並且主風機的頻率低於最高運行頻率時，認為系統處於穩定狀態，此時，從控制器開始定頻運行，主控制器繼續進行PID自動調節，對風量進行微調，保證系統一直處於穩定運行狀態；
S5、主控制器進行PID自動調節，自動減少主風機的運行頻率，一定時間後，若實時檢測的風量還大於風量設定值，則主控制器每隔一定的時間，在從風機初始給定頻率的基礎上，每次以一定的頻率步長減少從風機的給定頻率，並且向各個從控制器發送新的頻率給定指令，使各臺從風機的頻率降低，從而減少系統的實時風量，主控制器仍然進行PID自動調節；一定時間後，當風量仍無法下降到設定值時，重複上述對從風機的控制過程，直至實時檢測的風量達到風量設定值時，認為系統處於穩定狀態，此時，從控制器開始定頻運行，主控制器繼續進行PID自動調節，對風量進行微調，保證系統一直處於穩定運行狀態。
作為一種優選方案，步驟S5中，若主風機的輸出已經達到最低運行頻率，並且各臺從風機均已運行到最低運行頻率，而實時檢測的風量仍然大於風量設定值，則主控制器給第一臺從風機發送停機指令，使第一臺從風機停止運行，然後主控制器繼續進行PID自動調節，若一定時間後實時檢測的風量仍然大於風量設定值，則主控制器，則主控制器給第二臺從風機發送停機指令，使第二臺從風機停止運行，按照上述邏輯進行控制，逐臺關閉從風機，直至實時檢測的風量達到風量設定值時，認為系統處於穩定狀態，此時，主控制器繼續進行PID自動調節，對風量進行微調，保證系統一直處於穩定運行狀態。
作為一種優選方案，在進行步驟S1～S5的過程中，在通訊總線空閒的時間，主控制器每隔一定的時間對各臺從風機的運行狀態進行查詢，從控制器在接收到主控制器的查詢命令後，將從風機的運行狀態信息反饋給主控制器；其中，所述從風機的運行狀態信息包括從風機的工作電壓、電流、頻率、故障狀態信息。
本發明相對於現有技術具有如下的有益效果：
1、本發明將多颱風機並聯在一個風道上，每颱風機配置一個控制器，並對控制器進行主從設定，主控制器根據風量要求，決定是否對風機進行變頻調速，以便使風道的風量快速達到風量設定值，其中只有主控制器接收風量設定信號和反饋信號，而從控制器根據主控制器的頻率給定指令和啟停指令對其對應的風機進行控制，減少了傳感器的使用數量，降低了傳感器的使用成本；此外，使用通訊總線進行通訊，數據結構採用符合標準的通訊協議，通訊可靠。
2、本發明只採用主控制器進行PID控制調節，可以減少系統調試時間，降低系統的複雜程度，並且通過多個風機的組合以及頻率的調節，使得最終可以滿足控制要求，使系統輸出穩定的風量。
3、本發明的主控制器通過給從控制器發送頻率給定指令，控制從控制器對應的風機對實時風量進行粗調；而主控制器本身通過對實時風量進行採樣，並且進行PID控制，從而達到對實時風量進行微調的效果；主、從控制器對應的風機相互配合，使得系統最終工作在穩定的狀態；在保證系統快速響應的同時，又能夠防止系統出現過大的超調，既達到了控制的要求，又起到了節能的效果。
附圖說明
圖1為本發明的基於主從邏輯的風量控制系統結構圖。
圖2為本發明的基於主從邏輯的風量控制系統中主控制器與從控制器的結構圖。
圖3為本發明的基於主從邏輯的風量控制系統實現的風量控制方法流程圖。
其中，1-風量檢測裝置，2-風道，3-主控制器，4-從控制器，5-主風機，6-從風機。
具體實施方式
下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。
實施例1：
如圖1所示，本實施例的基於主從邏輯的風量控制系統包括多颱風機和風量檢測裝置1，所述多颱風機並聯在一個風道2上，每颱風機配置一個控制器，其中一颱風機的控制器為主控制器3，其他風機的控制器為從控制器4(圖中所示第一從控制器、第二從控制器、第三從控制器、第四從控制器、第五從控制器……)，所述風量檢測裝置1設置在風道2上，並與主控制器3連接，所述主控制器3通過通訊總線與從控制器4連接；主控制器3對應的風機為主風機5，從控制器4對應的風機為從風機6；
所述主控制器3，用於接收風量檢測裝置1和從控制器4反饋的信號，並將風量檢測值和風量設定值進行比較，決定是否對風機(含主風機5和從風機6)進行變頻調速；
所述從控制器4，用於接收主控制器3的頻率給定指令和啟停指令，並根據主控制器的查詢命令，將從風機6的運行狀態信息反饋給主控制器3；
如圖2所示，所述主控制器3和從控制器4採用相同的結構，由於結構相同，主控制器與從控制器之間可以進行靈活的切換，包括數位訊號處理器(Digital Signal Processor，DSP)、現場可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型電晶體)驅動電路、整流逆變模塊、輸入按鍵、顯示面板和通訊接口；所述整流逆變模塊分別與IGBT驅動電路、三相電源以及對應的風機(若是主控制器，則是主風機，若是從控制器，則是從風機)連接，所述數位訊號處理器分別與現場可編程門陣列、輸入按鍵、顯示面板、通訊接口以及風量檢測裝置連接，所述現場可編程門陣列與IGBT驅動電路連接；其中，所述數位訊號處理器通過SPI總線與顯示面板連接，通過數據總線和地址總線與現場可編程門陣列連接；
現場可編程門陣列通過IGBT驅動電路可以驅動整流逆變模塊的IGBT，可以對整流逆變模塊進行是否過流、過壓、過溫(是否電流過高、電壓過高、溫度過高)進行檢測，對系統過流、過壓、過溫等情況做硬體保護，保護動作速度快；
數位訊號處理器主要用於風機控制算法的實現、AD採樣、輸入按鍵的操作、與顯示面板的通信以及各控制器間進行通訊；利用輸入按鍵可以設置風量設定值，並由顯示面板進行顯示；數位訊號處理器具有ADC轉換器，可以對母線電壓和風機三相電流進行採樣，利用通訊接口可以實現控制器之間的通訊，所述風量檢測裝置1包括壓力傳感器、溫溼度傳感器和壓差變送器，數位訊號處理器可以將風量檢測裝置1採集的模擬信號轉換為數位訊號，並計算風道中的風量，具體計算過程如下：
1)空氣含溼量計算：
式中：d為空氣含溼量(g/kg)，P為大氣壓力，為相對溼度(％)，Ps為水蒸氣的飽和蒸氣壓(Pa，查表可得)。
2)溼空氣密度計算：
式中：Pt為進口處空氣全壓(Pa)，P為大氣壓力(Pa)，d為空氣含溼量(g/kg)，T為空氣絕對溫度(K)，ρ為溼空氣密度(kg/m3)。
3)風量計算：
式中：Qv為風量值(m3/s)，α為流量係數，ε為膨脹係數，D為管道內徑(m)，ρ為溼空氣密度(kg/m3)，ΔP為壓差(Pa)。
所述整流逆變模塊採用PIM模塊(Power Integrated Module，功率集成模塊)，該PIM模塊集成了三相橋式二極體整流器與三相橋式IGBT逆變器，所述三相橋式二極體整流器的三相輸入端接三相電源，所述三相橋式IGBT逆變器的三相輸出端與對應的風機(若是主控制器，則是主風機，若是從控制器，則是從風機)連接，三相交流電網電壓進過三相橋式二極體整流器得到直流電，並通過母線電容穩壓，然後通過控制器(主控制器或從控制器)輸出的PWM驅動信號，控制三相橋式IGBT逆變器，輸出電壓幅值、頻率均可變的三相交流電，從而控制對應的風機(若是主控制器，則是主風機，若是從控制器，則是從風機)的運行，即實現了AC-DC-AC的轉換過程。
如圖3所述，本實施例還提供了一種風量控制方法，該方法基於上述系統實現，包括以下步驟：
S1、在各颱風機的控制器上，設置主控制器和各個從控制器的地址號；
S2、主控制器對風量值進行設定，得到運行信號後，啟動主風機，同時通過通訊總線連續發送啟動指令給各個從控制器，各個從控制器接收到與設定地址一致的數據後，分別控制各臺從風機啟動，使得各臺從風機運行在初始給定頻率狀態；
S3、主控制器通過風量檢測裝置實時檢測風道中的風量，若實時檢測的風量達到風量設定值，系統處於穩定狀態，從控制器定頻運行，主控制器進行PID(Proportion Integration Differentiation，比例積分微分)自動調節，對風量進行微調，保證系統一直處於穩定狀態；若實時檢測的風量小於風量設定值時，進入步驟S4的加速調節；若實時檢測的風量大於風量設定值時，進入步驟S5的減速調節；
S4、主控制器進行PID自動調節，自動增加主風機的運行頻率，一定時間後，若實時檢測的風量還小於風量設定值，則主控制器每隔一定的時間，在從風機初始給定頻率的基礎上，每次以一定的頻率步長增加從風機的給定頻率，並且向各個從控制器發送新的頻率給定指令，使各臺從風機的頻率升高，從而增加系統的實時風量，主控制器仍然進行PID自動調節；一定時間後，當風量仍無法上升到設定值時，重複上述對從風機的控制過程，直至實時檢測的風量達到風量設定值，並且主風機的頻率低於最高運行頻率(50Hz)時，認為系統處於穩定狀態，此時，從控制器開始定頻運行，主控制器繼續進行PID自動調節，對風量進行微調，保證系統一直處於穩定運行狀態；
S5、主控制器進行PID自動調節，自動減少主風機的運行頻率，一定時間後，若實時檢測的風量還大於風量設定值，則主控制器每隔一定的時間，在從風機初始給定頻率的基礎上，每次以一定的頻率步長減少從風機的給定頻率，並且向各個從控制器發送新的頻率給定指令，使各臺從風機的頻率降低，從而減少系統的實時風量，主控制器仍然進行PID自動調節；一定時間後，當風量仍無法下降到設定值時，重複上述對從風機的控制過程，直至實時檢測的風量達到風量設定值時，認為系統處於穩定狀態，此時，從控制器開始定頻運行，主控制器繼續進行PID自動調節，對風量進行微調，保證系統一直處於穩定運行狀態。
步驟S5中，若主風機的輸出已經達到最低運行頻率，並且各臺從風機均已運行到最低運行頻率，而實時檢測的風量仍然大於風量設定值，則主控制器給第一臺從風機發送停機指令，使第一臺從風機停止運行，然後主控制器繼續進行PID自動調節，若一定時間後實時檢測的風量仍然大於風量設定值，則主控制器，則主控制器給第二臺從風機發送停機指令，使第二臺從風機停止運行，按照上述邏輯進行控制，逐臺關閉從風機，直至實時檢測的風量達到風量設定值時，認為系統處於穩定狀態，此時，主控制器繼續進行PID自動調節，對風量進行微調，保證系統一直處於穩定運行狀態。
在進行步驟S1～S5的過程中，在通訊總線空閒的時間，主控制器每隔一定的時間對各臺從風機的運行狀態進行查詢，從控制器在接收到主控制器的查詢命令後，將從風機的運行狀態信息反饋給主控制器；其中，所述從風機的運行狀態信息包括從風機的工作電壓、電流、頻率、故障等信息。
綜上所述，本發明將多颱風機並聯在一個風道上，每颱風機配置一個控制器，並對控制器進行主從設定，主控制器根據風量要求，決定是否對風機進行變頻調速，以便使風道的風量快速達到風量設定值，其中只有主控制器接收風量設定信號和反饋信號，而從控制器根據主控制器的頻率給定指令和啟停指令對其對應的風機進行控制，減少了傳感器的使用數量，降低了傳感器的使用成本；此外，使用通訊總線進行通訊，數據結構採用符合標準的通訊協議，通訊可靠。
以上所述，僅為本發明專利較佳的實施例，但本發明專利的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明專利所公開的範圍內，根據本發明專利的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都屬於本發明專利的保護範圍。