基于云计算的吸收式制冷机组管理系统

第 1 章 绪 论1.1 课题研究背景及意义随着制冷技术的不断发展，人们的生产、生活越来越离不开制冷设备。空调作为调节室内舒适度的重要设备在建筑物中越来越普及。目前，我国成为制冷设备最大的生产国与销售市场。在十二五;期间制冷机行业生产销售额保持持续增长趋势，2021 年我国制冷行业工业总产值达到 2780 亿美元，市场需求数量与种类不断扩大。同时制冷行业也为国民经济的发展贡献了巨大力量[1]。 制冷设备如今已经渗入到人们社会生活的各个领域。在食品行业，制冷技术被应用于食品加工、存储、运输、销售的全产业流程中，冷库、冷藏车、冷藏柜台广泛应用以维持食品新鲜。在化工领域，制冷设备为特殊化学试剂提供了低温的存储与反应环境。在农业，制冷设备不仅被广泛应用于种子、蔬菜的存储，还被应用于加快农作物生长、提高农作物产品质量。在医疗行业，医用制剂的存储与低温手术都离不开制冷设备。在建筑业，空调普及率快速提高，2021 年整体市场容量已超过 700 亿元[2]。 在制冷设备的普及的同时也产生了多社会问题。首先，制冷设备消耗了大量的化石能源。根据《世界能源统计年鉴》2021 年全球一次能源消耗比 2021 年增长 1.0%,而我国作为世界最大的能源消耗增长国，比 2021 年增长 1.5%，占全球能源消耗的 23%[3]。建筑能耗占我国总能耗的 33%,制冷设备能耗占建筑总能耗的三分之二，化石燃料的燃烧造成温室气体增长迅速，制冷设备的节能目前成为我国节能的热点问题[4]。其次，制冷工质生产、使用过程中的泄漏对大气产生了污染。据研究表明，氯氟烃和氢氯氟烃类制剂是造成臭氧层破坏的主要物质之一，而且还产生了较强的温室效应[5]。根据《蒙持利尔协议》和《京都议定书》协议规定氢氯氟烃和氢氯氟烃类制剂将逐渐被淘汰[6]。.........1.2 国内外研究现状吸收式制冷通过吸收热能驱动制冷剂产生物理现实的转化，实现对环境的降温[8]。制冷过程分为正循环和逆循环两个热力学过程。正循环中吸收剂在高温热库中吸热蒸发与吸收剂分离，在低温热库中被吸收剂吸收、释放放热。在逆循环中，制冷剂在高温热库放热液化，在低温热库中吸热气化，实现制冷的目的。与同样采用逆卡诺原理制冷的蒸汽压缩式冷系统相比，两者都是通过利用低沸点的液体在低温下气化，吸取气化潜热而产生冷效应。不同的是，吸收式制冷通过消耗热能作为能源，从而实现逆向传热，而且能源利用范围范围广，可以采用工业余热、废热、太阳能等低品位能源。 吸收式制冷工质是决定制冷机制冷最低温度与制冷效率（COP）主要因素之一[9]。目前，氨水吸收式制制冷机与溴化锂吸收式制冷机使用较为广泛[10]。氨水吸收式制冷机采用氨水工质对[11]，氨作为制冷剂极易溶于作为吸收剂的水。氨水的吸收式制冷机使用范围广，可满足-30℃~ 10℃的制冷要求[12]，多应用与冷库与石油化工行业。但由于氨与水的沸点相差较小，为了获得纯度较高的氨蒸汽，制冷系统必须添加精馏装置，系统比较复杂[13]。溴化锂吸收式制冷机采用水溴化锂工质对。与氨水吸收式制冷相比，溴化锂吸收式制冷工质对更加安全，并且制冷效率更高，但也存在着缺点：首先由于以水作为制冷剂，限制了制冷机的制冷温度，使得制冷机应用于 0℃以上的制冷环境。其次，当溴化锂制冷机操作不当时，系统容易产生结晶，影响系统运行，并且若制冷机组密封不严时，吸收剂溴化锂对机体金属有腐蚀性。.......第 2 章 基于计算管理系统设计概述2.1 管理系统设计需求基于云计算的管理系统以实验室自主研发的新型吸收式制冷机组作为监控对象。机组除了具有传统制冷机组监控系统存在的，工作环境电磁干扰强且制冷机组结构复杂的监控问题外，由于本机组是实验机组，机组结构与监控系统需要随实验推进而调整并且实验后需要对实验数据进行分析与共享，这增加了机组的管理难度。为保证新型吸收式制冷机组运行与数据管理可靠、稳定，基于云集算的机组管理系统需要实现以下几项功能： （1） 数据采集功能 运行数据监控系统是云计算制冷机组管理系统数据采集端，需要具有能够对 24 组以上的 0~20m A 与 0~10V 的模拟量信号进行数据采集与处理的能力。 （2） 机组控制功能 吸收式制冷机组控制主要有电子膨胀阀与节流阀实现。在设计中，管理系统需要能够在电磁干扰的工况下，精确、可靠的控制电子膨胀阀、节流阀动作。 （3） 数据管理的功能 管理系统中，对于实时上传的数据需要建立数据管理机制，对数据按上传时间、传感器标号、数值、单位等数据进行分类管理，为机组运行控制与机组控制优化提供依据。 （4） 机组采集、控制系统可扩展 监控系统作为管理系统中与机组连接的部分，采用灵活的网络结构、预留足够的结点，以方便机组硬件设备升级时，对监控系统增加传感器与执行器进行监控。.......2.2 管理系统设计总体架构根据对系统需求的分析，本设计将管理系统分为四层结构，分别为感知执行层、管理层、通信层与平台层。感知执行层主要通过对系统工作原理的分析，选取性能参数合适的传感器与执行器，并根据工艺要求，选取合适的检测点位置；管理层完成数据汇总管理的任务。数据采集卡通过接收传感器采集的模拟量数据，实现对机组运行情况的实时检测，并将数据上传至嵌入式网关。嵌入式云网关连接现场控制 PC 与上层云平台，进行数据通信。当嵌入式云网关接收到控制命令后，向数据采集卡下发控制指令，数据采集通过 CAN 总线向电子膨胀阀与节流阀节点发送运行指令。通信层建立了嵌入式网关与云平台的连接，嵌入式网关采用 GPRS 网络与以太网络两种方式接入 Inter 中。平台层是系统最上层，通过云平台实现数据的远程存储、查看与机组远程监控，云计算管理系统网络结构图如图 2.1 所示。本设计在山东省国际合作项目（2002GH20306）的支持下，以自助研发的新型吸收式制冷机组作为监控对象。制冷机组工质对采用 R134aDMF。R134a 除了其无毒、环保的特性之外，其热力学特性好，沸点可低至-26.1℃，良好的制冷效果解决了传统溴化锂吸收式制冷、氨水吸收式制冷制冷温度高的缺陷。系统设计主要由吸收剂、制冷剂、水加热三个循环回路达到系统的制冷要求，吸收式制冷系统工作原理与传感器点位图如图 2.2 所示，其中 T 表示温度传感器，L 表示液位传感器，P 表示压力传感器。

......第 3 章 硬件设计3.1 机组硬件总体框架 ......... 153.2 嵌入式云网关硬件设计 ........ 16....... 193.3 制冷机数据采集系统设计 .... 203.4 电子膨胀阀控制系统设计 .... 213.5 本章小结 .......... 25第 4 章 软件设计4.1 嵌入式系统协议栈 ......... 274.1.1 TCP/IP 协议栈 .......... 274.1.2 CAN 通信协议 .......... 294.1.3Modbus 协议 ....... 294.1.4 云平台通信协议 ...... 304.2 嵌入式 Linux 系统 ......... 314.3 智能云网关程功能模块程序设计 ....... 404.4 电子膨胀阀控制节点软件设计 .... 454.5 本章小结 .......... 47第 5 章 云平台软件开发5.1 云平台特性....... 495.2 云平台总体设计 ...... 515.3 云平台设备接入与管理 ........ 535.4 监控平台应用开发 ......... 555.5 本章小结 .......... 56第 5 章 云平台软件开发5.1 云平台特性Paa S 云平台主要解决了系统开发中服务器部署、维护与开发环境搭建的问题，为用户提供了系统集成、数据管理与开发测试条件。Paa S 云平台作为一个软件全生命周期开发、运行平台，在云平台方面，通过分布式技术，对底层硬件设施进行虚拟化，完成对资源的行整合；采用弹性伸缩机制，动态的分配运算与存储资源；采用消息机制，为不同的应用提供可靠的异步通信方法；搭建软件开发平台，为用户提供软件开发环境与数据库管理系统；提供云接入与平台开发 SD、IDE 等开发套件；建立应用测试与部署环境。在用户方面，软件应用搭建、运行于云平台应用服务器，无需搭建硬件环境；软件开发时，使用云平台提供的开发环境，设计软件应用并完成应用云部署与更新[68]。One 云平台是移动公司采用 Paa S 技术研发的设备云平台。One 设备云平台作为 Paa S 层，在 Iaa S 层提供的运算、存储于网络资源的基础上，开发了基于设备接入、管理的云平台应用开发环境。为开发者提供设备接入、平台数据管理、应用发布、应用二次开发等多种服务，减少了系统开发时间与开发成本[70]。.........总结目前能源短缺越来越成为社会热点问题，以低品位能源驱动的吸收式制冷机为当下研究的一大热点。开发吸收式制冷机的远程监控系统有利于提高机组运行的安全性与制冷效率。同时针对本课题研究的新型吸收式制冷机组远程监控有利于实验过程数据分析与远程实验。 云平台作为近几年迅速发展的互联网技术，通过运营商对硬件资源的虚拟化，为用户提供了基本的开发环境，降低了用户对硬件系统的维护难度。平台可以根据用户需求动态提供运算与存储资源，同时云端存储、计算也减少了用户开发的设备成本。云技术在物联网系统监控有着巨大潜力。 本文针对研究新型制冷机组缺少数据共享与远程管理的问题，开发了一套采用云接入技术的机组数据远程管理系统。通过对制冷机组工作原理的分析与系统控制需求，确定系统安全运行采参数变化范围，得出系统总体设计思路。根据制冷机组的监控要求，完成对系统硬件设计、协议分析与软件设计，主要研究成果为以下几个方面。 首先，根据制冷机组的监控要求，设计了硬件框架，采用集中与总线控制相混合的控制方式。对电子膨胀阀和节流阀的运行设计了控制节点，以单片机作为控制核心，驱动 CAN 通信芯片与步进电机驱动器，数据采集卡通过总线的通信方式与单片机通信，实现对电子膨胀阀、节流阀开度控制。其他运行数据，通过数据采集卡集中采集。 其次，在数据采集卡的上层设计嵌入式云网关。嵌入式云网关作为异构网络的连接节点，设计多种硬件接口，包括两个与数据采集卡和上层 PC 通信的 RS232 接口；与云平台的数据通信的 GPRS 和以太网卡接口。 接着，分析了系统中存在的 CAN 协议、Modbus 协议、TCP/IP 协议与 EDP 协议的数据通信特点。通过对通信机制与数据帧的分析，设计完成了嵌入式云网关的协议转换方式。在对嵌入式软件开发中，裁剪移植了 Linux 操作系统，并根据应用需求定制了 TCP/IP协议，通过 Qtopia 开发了可视化的云网关操作界面，采用 Linux 多线程机制完成了多种协议间的相互通信与机组控制。.........参考文献（略）