一种多功能联网型热泵控制系统的设计与实现

0 引言
    热泵技术是一种以消耗少量电能或燃料能为代价，将大量无用的低温热能变为有用的高温热能的技术。目前市场上热泵的应用主要可以分为空调和热水2大方向。空调方面主要指冷暖通空调，热水方面主要指热泵热水器。近年来，空气源热泵热水器行业逆势活跃，国内各大空调公司相继推出多款热泵热水器产品，这与冷暖通空调低迷的行情形成了鲜明对比。
    本文提出了基于RS 485总线或CAN总线的联网式热泵热水器的硬件与软件实现方法，拥有分工明确的硬件模块和科学的软件算法。通过模仿实时系统(Re-al-time Operating System，RTOS)的基本原理，充分利用系统的硬件资源，使复杂的控制任务在有限硬件条件下的有序进行成为可能，降低了系统成本。

1 热泵技术概述
1．1 热泵的概念
    如果要让水从低处流动到高处，需要水泵来完成；如果要把低温物体的热量传送给高温物体，就需要用热泵。热泵工作原理如图1所示。热泵以水或者空气等低温热源作为热源，通过冷媒的物理状态变化，进行吸收和释放热量，并通过循环传递热量，实现热的转移，这样就可以把不能直接利用的低位热能转换为可以利用的高位热能，从而达到节约部分高位能的目的。

1．2 空气源热泵空调原理
    空气源空调的原理如图2所示，冷媒首先经过压缩机压缩做功后，变成高温高压的气态；然后经过冷凝器进行冷却，将热量传递给室外空气，液化成低温高压的气液混合态；接着经过膨胀阀膨胀对外做功，温度进一步降低，成为低温低压的气液混合态冷媒；再接着经过蒸发器，吸收室内环境的热量而温度变高；最后又回到压缩机进行新一轮的循环。

    热泵的原理其实与上述空调原理基本相同，不过空调是要吸收室内过高的热量然后排到室外去，起到室内温度调节的效果；而热泵则是吸收环境的低温热量(可以是大气、土壤、水的低温余热)然后泵送到有利用价值的高温热源中去供暖或者制造热水。图3为热泵热水器的原理简图。冷媒的循环原理与热传递原理都是跟空调的一致，惟一不同的就是热泵是将从环境中吸收的热量通过热交换器传递给冷水来加热冷水，然后将冷气排放到空气中。

    对比上面二者，可以看出无论是空调还是热泵热水器都会往大气中排放冷气或者废热，这不仅造成能源的利用率低，还会影响环境质量。如果将两者取长补短，结合在一起，则其意义和效益将是极其明显的。空气源热泵空调系统则是上面两者结合的产物。整个系统可以分为3个区：冷区(又称为室内风机区)、热区(又称为热交换区)和冷热区(又称为室外风机区)。冷区是热泵吸收外界热量排放冷气的区域，一般是指空调室内的冷风机；热区则是热泵输出高位热能的区域，对于本文研究的系统来说，这个区域的高位热能都是通过热交换器来将热量传递给热水加热，被加热的热水存储于热水箱之中，同时在冬天的时候也可以将部分热水引导到室内取暖；冷热区是一个比较特殊的区域，这里既可以吸收环境的低品位热量也可以释放高品位热量，一般情况下都是指室外风机所在的区域。通过切换四通阀、冷凝器电磁阀、蒸发器电磁阀和化霜电磁阀等阀门就可以实现热泵装置、制冷机、热泵制冷联合机之间等功能以及各功能之间的转换，而且切换灵活方便，随时可以根据实际需要来进行功能的选用。该系统各功能模块的冷媒循环通路如图4所示。

2 系统结构
    该系统的特点是多台热泵机组联网控制，因此必须具备一个功能强大的上位控制器，收集全系统各机组的工作状态，并根据收集回来的数据对各机组作统筹分析，以实现统一控制以及节能效应。而对于水箱以及安装在用户端的每台热泵机组，都必须配有一台控制器，连接在网络上的控制器接收来自顶端控制器的控制命令，以进行对本机组中各子设备的控制，实现热泵的基本功能。另外，由于热泵机组安装在用户端，需要配有一个用户作交互的接口，该接口安装需在用户室内。综上所述，本热泵控制系统划分成4种控制器：主面板(管理员控制板)，副面板(用户控制板)，水箱控制板和热泵控制板。
2．1 主面板
    主面板是整个系统的管理控制中心，主要负责整个系统的通信和协调，综合水箱控制板与热泵控制板的反馈状况对环境做出判断，实现对各热泵机组的控制和统一，并且提供一个良好的人机接口。同时主面板也具备E2PROM数据保存、防掉电和机组出错报警等功能。主面板硬件模块示意图如图5所示。

2．2 用户面板
    用户面板(副面板)是可选的功能板，其主要功能是通过模拟串口与热泵控制板通信，对热泵控制板进行空调功能的控制与设定。同时也需用来探测室内的温度。另外，副面板也要求具有良好的操作接口、实时时钟、E2PROM数据保存和防掉电等功能。每块副面板均对应一台热泵机组。用户面板硬件模块示意图如图6所示。

2．3 水箱控制板
    水箱控制板的主要功能是对蓄水箱进行水路循环泵、补水阀的控制和对水位、水流、过流、电源相序和热水温度等进行探测，以实现水箱的热水循环加热控制，也即热泵热水器的功能控制。水箱控制板硬件模块示意图如图7所示。

2．4 热泵控制板
    热泵控制板用于控制系统中的单台热泵空调机组，通过改变各个阀的开关实现冷媒流通的管路不同，以实现功能切换。热泵控制板既可以实现空调功能的控制，也可以实现热泵热水器的实现，而且也可以热泵热水器和热泵空调的功能同时实现。热泵控制板也是化霜管理部件。热泵控制板的控制功能包括：控制压缩机、控制室外风机、控制四通阀换向、控制蒸发器电磁阀、冷凝器电磁阀、化霜电磁阀、检测过流保护开关、检澍压缩机压力、检测外风机温度、决定是否进行化霜、控制空调室内机的开关及决定高中低空调风档。热泵控制板硬件模块示意图如图8所示。

    另外，热泵控制板还需要对冷凝温度、排气温度、压缩机温度、化霜温度、冷媒压力、电源相序等进行探测和监控，以确保系统安全运行将上面的几部分通过网络通信联合在一起就可以组成一个庞大的热泵控制系统，最多可以达到32台热泵机组。这个热泵机组控制系统的结构连接图如图9所示，主面板与水箱控制板以及各热泵板之间用RS485总线或CAN总线通信连接，而各单独的热泵机组与副面板的连接用RS488总线连接。

3 系统软件算法的实现
3．1 控制软件流程
    该系统共四套控制软件，分别对应硬件电路中的主面板、副面板、水箱控制板以及热泵控制板。其中，主面板和副面板的控制软件主要是实现联网通信、液晶显示、键盘输入以及多级用户菜单等功能。主面板还需实现对网络中所有分机的数据收集和统筹控制。水箱控制板和热泵控制板的控制软件主要就是实现联网通信、温度采集、各种安全检测以及子设备驱动等功能。
    主面板和副面板的软件控制流程如图10所示，热泵控制板和水箱控制板的软件控制流程如图11所示。

3．2 软件算法
    在实际的工程应用中，阀门开关组合与电机开关组合的切换有一定的先后顺序，这主要是出于保护压缩机的考虑。压缩机关闭之后必须至少延时3 min的时间才能再启动；而压缩机关闭之后，水泵也必须至少延时30 s再关闭，从而通过水路循环带走热交换机中的余热以冷却机组。作为一个符合工业标准的控制系统，在实现转换控制的同时还要对系统进行各种安全检测，例如冷媒压力过高、冷媒压力偏低、电流过大、水路没有水流、压缩机温度过高、水位探头故障以及温度探头故障等。如果系统探测到以上的安全警报，就会停机报警以保护系统的安全运作。空气源热泵空调的控制动作转换因此变得十分繁杂。
    为了使系统对各个阀门的控制任务有序地实现，引入了轮询法多任务调度的方法以及软件定时器，节省了中央控制器硬件资源的不足，提高了系统的处理效率。
3．2．1 轮询法多任务调度
    轮询法多任务调度模仿了实时系统(Real-timeOperating System，RTOS)的原理。实时系统的特点是，如果逻辑和时序出现偏差，将会出现严重的后果，这一点与热泵系统具有繁多任务的特点相符。轮询法多任务调度的宗旨是使各个任务尽快地执行，不要求限定某一任务在多长时间内完成。轮询法多任务调度中，各个任务具有同样的优先级。允许一个任务优先确认一段时间，然后切换给另一个任务。其中，时间段的计时由软定时器来实现，具体实施方法如下。
    在水箱控制器以及热泵控制器中，包含多项子设备的控制。该系统针对每个独立子设备的控制设计了专门的软件控制模块，工程应用中可根据实际需要裁剪所需的模块组合，如图12所示。每个软件功能模块，都采用状态机的方式，每次运行至某一个模块，如果该模块的当
前状态未完成，则切换至另一个模块，直到下次切换回该模块，且当前状态完成，才进入下一状态继续运行。每个挂载在主程序中的功能模块，等于是程序中的任务，对于不同任务之间的管理与调度，关乎程序的执行效率。程序中，考虑到任务切换的问题，所以给每个任务每一状态分配的代码执行时间不长，任务内部也并不需要进行占用资源较大的运算等操作。大多数时间任务处于延时等待状态，因此，当某一任务进入延时进程中，控制程序就可以去查询执行其他的任务，等延时完成再执行该任务的处理程序即可。由此可以实现在短时间内的任务循环切换。功能模块内部状态机结构如图13所示。

3．2．2 软定时器算法的实现
    在该系统中，延时也是系统输出的一个重要部分。但是在传统的延时算法里面，大多是让CPU执行空语句，这样非常浪费系统资源。这里采用单循环队列定时器算法。理论上可以把一个定时器扩展成任意多个定时器，以满足系统需求。
    单循环队列计时原理如下：
    可以通过声明一个具有n个元素的数组来拓展得到n个软件定时器。同时，定义一个指向数组元素的循环计时队列指针。每当定时中断发生时，循环计时队列指针所指向的定时器元素减1，并且移向下一个元素。当某个元素(软件定时器)的值减到0时，置位与该元素相应的定时器标志位，以便在程序中查询定时时间是否已到。当然，也可以在程序中通过查询该数组元素是否为0来确定。由上可见定时器的定时时间计算如下：
    定时时间=中断时间间隔×定时器元素数量
    一个软件定时器的简单例子如图14所示。

    该系统所采用的这种单循环队列定时器算法，实现简单，而且每个计时周期只需进行一次减法操作，突破了硬件定时器中的数量限制。从系统资源占用的角度来看，是最有效的定时器算法。

4 系统抗干扰措施
    在该系统中，压缩机、水泵、外风机等都是大功率强电设备，而且距离控制器比较近，这就使得控制板工作在一个比较恶劣的电磁环境中；另外，各控制器一般都是安装在户外环境，容易受到环境因素的影响，一个突出的影响来自雷电。因此，增强控制板的抗干扰能力是提高系统稳定性的重要途径。
    为此，该系统采用了隔离技术，即CPU通过继电器隔离控制交流接触器；而水箱控制板，热泵控制板分别具有3个电平区域，包括单片机电平区(5 V)、通信电平区(5 V)、继电器控制电平区(24 V)，它们之间均设置了光耦进行隔离。
    另外，该系统中采用了多种保护器件，包括自恢复保险丝PPTC、瞬变电压抑制器TVS和压敏电阻MOV。
    在RS 485通信模块中，采用TI公司的75LBC184。该芯片与普通的RS 485收发器相比的显著特点是片内A、B引脚接有高能量顺变干扰保护装置，可以承受峰值为400 W的过压顺变，因此能显著提高器件的可靠性。其驱动器设计成限斜率方式输出，使输出信号边沿不会过陡，有效的抑制传输线上的噪声高频分量。而且该芯片能承受高达8 kV的静电放电冲击，具有一定的防雷能力。对一些环境比较恶劣的现场，可直接与传输线相接而不需要任何外加保护元件。而CAN总线自身抗电磁干扰性高，传输距离远和可靠的错误处理和检测机制，也加强了系统通讯的可靠性。该系统采用自带CAN总线控制模块的dspic30F5011，以及PCA82C250作为CAN收发器。

5 结语
    基本完成了整个热泵空调控制系统的硬件和软件的实现。通过RS 485或CAN通信实现了远距离的通信控制，做到真正的大规模联网。对机组外部环境的多种因素进行探测，设计出一套根据实际情况进行模式转换，关机报警等动作的可靠系统。轮询法多任务调度以及软件定时器的引入提高了系统效率，突破了中央处理器的硬件局限。多种抗干扰措施更增强了系统对恶劣外部环境的适应能力。