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1、中央空调网络测控系统应用摘要：针对楼宇中央空调系统的特点，介绍了其网络测控系统的结构、功能和控制方案，并以实际工程为背景叙述一个中央空调网络实时测控系统实例的设计与实现。关键词：中央空 调网络测控 控制软件 现场控制器1 引言近年来，我国控制技术发展迅速，已由传统的单回路控制、多回路控制、多功能仪表控制发展到计算机自动控制。同时随着网络技术的迅速发展，网络凭借其统一标准和协议，方便的操作及良好的性价比，使得在自动控制中实行计算机网络控制成为一种趋势。现代化的高档酒店、办公写字楼层出不穷，其楼内空调系统的有效管理和控制显得越来越重要。在传统的管理方式中，通过定期生产报表、运行总结传送等方法获得运
2、行信息，这种管理方式工作量大、效率低、处理不及时。采用网络测控系统可以实现在线管理、远程办公、远程故障诊断、远程指挥调度和管理。本文以实际工程为例阐述了中央空调网络测控系统的设计与实现。2 系统的构成和工作原理所研制的网络测控系统应用于天津某机关大楼的中央空调，结合工程设计的要求，本系统主要有以下三级体系构成：现场工作级、监控中心工作站级、远程网上监控级。其工作原理图如图1 所示。整个系统采用总线式网络结构，远程网上监控级由打印机、数据库服务器、Web 服务器和Internet网络等组成，主要负责数据传输，远程数据查询、修改和数据报表等功能。监控中心工作站级（即上位机）是整个系统的核心，它起到
3、承上启下的作用。采用了Pentium 系列机， 与现场控制器之间通过RS-485 总线进行通信；采用Windows 操作平台，用Visual Basic 6.0 开发控制软件，以图形方式即时地显示制冷系统及各空调机组的运行状态，同时还可以对它们的运行数据进行分析，得出切合实际的运行方案。现场工作级由制冷系统、空调机组、现场控制器组成，主要负责现场实时数据的采集和实时控制。现场控制器（即下位机）是本网络监控系统的终端控制环节，它以MCS-51 单片机为核心开发，其内置A/D、D/A 并有完善的控制软件，即可独立工作，又可接受监控中心的监督控制。空气处理机组现场控制器的原理图如图2 所示，制冷系统
4、现场控制器的原理图与此类似。其主要功能有：1定期采集各相应现场数据并存储，定期上传存储的采样数据；2接受主监控机下达的指令，接受主监控机下传的修改后的控制规则；3根据主监控机发出的指令和现场采样数据控制相应调节阀的开度及电磁阀的开关，完成控制任务；4具有即时数据的显示，控制参数的设定（如PID 控制参数、设定温度、开关机时间等等）及参数的在线自整定功能；5越限、故障等报警。3 中央空调系统的监控此处结合工程实际主要介绍制冷系统、空气处理机组的监控。3.1 制冷系统的监控制冷系统是中央空调的心脏，其主要由三部分组成：主机系统、冷却水系统、冷冻水系统。目前，冷水机组是由设备生产厂成套供应，机组系统
5、本身均带有传感器和控制器，由于各厂家的设备没有统一的标准通讯协议，不同品牌的产品不能与楼宇控制系统通讯，因此设计中一般需另外考虑安装各种传感器以监视这些主机的工作状况。冷却水系统是通过冷却塔、冷却水泵及管道系统向制冷机组的冷凝器、压缩机提供冷却水的。冷冻水系统是由冷冻水泵，通过管道系统连接冷冻机组蒸发器及用户各种冷水设备而组成的。对这些设备进行自动控制的主要目的是协调设备之间的连锁控制关系进行自动启停，同时根据供回水温度、流量、压力等参数计算系统冷量，控制机组运行以达到节能的目的。其控制原理图如图3所示。3.2 空气处理机组的监控在空调系统中，全空气空调系统实际上是通过室内空气循环方式将加热器
6、（或表冷器）内水的热量（或冷量）带入室内，同时排除室内的污浊空气，并适量补充新风的空调机组设备。其监控原理图如图4 所示。空气处理机组的主要监控：1监测空调机组送/ 回风机的运行状态、风机过载报警及手动/ 自动状态。2监测机组送风温度，回风温度。根据回风温度与设定值的偏差值由预先编制的控制算法控制电动水阀的开度。根据回风湿度与设定值的偏差控制加湿阀的开闭。3过滤器压差报警，请求清洗或替换服务。4按程序启停设备，实现风机与电动水阀的联锁。紧急状态下关闭空调机组，实现与防排烟系统的联动。5冬/ 夏模式自动转换；手动/ 自动/ 设定三种控制模式的转换。6空调机组所有监控参数在现场控制器屏幕上均可动态
7、显示，并可直接修改参数的设定值。4 积分分离的带死区的PID 控制算法选择应用在暖通空调领域，PI、PID 等传统的控制算法一直以来占据统治地位1。但在一般的PID 调节控制中，由于系统的执行机构线性范围受到限制，当偏差e 较大时，如果系统在开工、停工或大幅度提降时，由于积分项的作用，将会产生一个很大的超调量，使系统不停的振荡。这种现象对于变化比较缓慢的对象（如温度、液面调节系统等），其影响更为严重。在计算机控制系统中，为了消除这一现象，可以采用积分分离方法，即在控制量开始跟踪时，取消积分作用，直至被调量接近给定值时，才产生积分作用。另外，为了避免控制动作过于频繁，以消除由于频繁动作所引起的振
8、荡，可采用带死区的PID 控制系统。笔者根据中央空调自控系统的实际要求，采用上述两种方案的结合即积分分离的带死区的PID 控制。即当控制偏差较大时限制积分作用以减小超调；当控制偏差在允许的控制偏差范围内时避免控制动作，从而达到提高调节品质的目的。其中的控制死区选定为0.1C， 积分分离的最大允许偏差选定为2.0C，实践证明控制效果良好。它的控制算法可用下式进行表示：式中，P(k)、P(k-1 )第k、（k-1 ）次的输出控制量；N积分分离的修正系数，当|E (k)| 2.0C时，N=0 ；否则，N=1 ；T采样周期；KP 调节器的比例系数；TI 调节器的积分时间；TD 调节器的微分时间。E(k
9、)、E(k-1 )、E(k-2 )第k、（k- 1）、（k-2 ）次采样时的偏差值；此式的程序实现可参见图5 的程序流程图：5 监控中心工作站软件编制监控中心工作站作为整个系统的核心，其软件编制应实现的主要功能有：5.1 巡检并记录制冷系统、空调机组等的运行参数，对数据进行统计处理并存入数据库，运行人员可随时观察实时和历史数据；接受运行人员的指令，并将握手、阀位远程控制、巡检等指令传送到下位机；可以与楼宇网络系统联机，使得管理人员也能够实时看到数据，及时做出各种决定。5.2 分析有关参数，对系统可能出现的故障进行监测并做出诊断，及时报警并显示诊断结果，保证系统正常运行。5.3 根据下位机上传数
10、据进行优化计算，得到优化的调度指令，实现空调机组的优化管理，达到均匀送风和节约能源的目的。利用VB作为平台开发软件，开发出的人机操作界面友好、美观。人机界面是用户和计算机进行交互的桥梁。界面的开发不仅要完成程序的操作和功能，而且要给用户提供一个人性的自然的人机对话环境，从而对程序本身进行有效的管理。人机界面程序包括工艺流程及其各采集点的实时数据显示、运行状态显示、趋势曲线显示及接收并发送相应用户给出的各种操作命令。提供了丰富的诸如Button 、Image 、Picture Box 控件及窗体、菜单、对话框等对象资源，再利用图像处理软件(如Photoshop 、Word图像处理功能等)对图片进
11、行处理，就可得到较满意的图形界面效果。此处仅给出本软件的两个窗体界面如图6、7 所示。其他的界面窗口可查阅参考资料2。6 通讯和网络测控如上文所述本网络测控系统的通讯大体由三大部分构成：现场工作级的数据采集传输系统、监控中心工作站承上启下的通讯、SEVER/CLIENT数据管理系统。现场工作级负责将温度、压力传感器等的模拟输入信号(AI)通过A/D 转换变成数字信号或直接将数字输入信号（DI）输入CPU，由CPU 进行数据处理，并为通讯做准备。CPU 将数据传给通讯芯片，经RS-485 通讯线将数据发送给装设在监控中心工作站计算机内的中间通讯器，它负责接收数据，并对接收的数据进行整理，然后由编
12、制的监控中心工作站人机操作机面进行显示、打印等。最后监控中心工作站将收集到并处理过的所有数据送给SEVER（数据库服务器），SEVER 将由COM 口接收的数据进行整理存入数据库，以供CLIENT（客户端）使用。CLIENT使用SEVER 的数据进行事实监控，对数据进行整理，做出日报表、日曲线、周曲线、月曲线，为调度提供可靠的依据。为了使上下位机的串行通讯数据严格可靠，采用了异步数据块方式。当上位机向下位机发送数据时，CPU 将接收的数据放入缓存中，先取第一个字节进行判断，再判断结束符，最后进行奇偶校验、和校验，经过几步校验以后，如果符合设定，才能进行数据处理。因为在串行数据传输中，如果处理不
13、好信号干扰问题，将会导致系统的死机、数据不准等现象。对数据分析后，取出主站发来的命令，根据命令做出相应的回复。由于本系统的主要功能就是传递温度、湿度、压差等数据，每个数据经过CPU 的处理以后都变成定字节的数据，所以本系统采用定字长的通讯方式，不仅处理简单，而且可靠性好。当进行其他命令的通讯时会浪费一些字节数，但是其他命令的运行一般仅用在调试或维护时。所以采用定字长的通讯方式是合理可行的。上位机采用了Visual Basic6.0 所提供的MSComm 控件，可以简单便捷地实现应用程序的串行通讯，还可创建功能完备、事件驱动的高级通信工具。该网上监控系统采用J avaBe an 组件技术，提供了
14、动态页面制作环境，可以灵活地制作各种各样的监控页面，通过接口驱动程序与现存的自动化控制系统链接，通过Inte rne t/Intrane t 实现远程监控功能。7 结语本文介绍的远程网络测控系统具有较好的实用性、操作性、可靠性和可维护性等特点，同时具有一系列控制报警措施及较好的计算机质量跟踪、计算机远程监控等功能。该系统已投入使用两年多，取得了良好的效果，达到了预期目标，2002 年经过了有关主管部门的技术鉴定。使用该系统后，节约了能源，明显改善了空调效果，同时增加了中央空调系统管理的透明性。参考文献：1 陈焕新，周雄辉.智能建筑中暖通空调系统控制方法初探.暖通空调，2003 ，33(3):30-322 曹国庆.自整定PID 控制在空调自控系统中应用的研究：硕士学位论文 .天津：天津大学，20033 邓耀华，吴黎明等.实时热处理网络测控系统设计和实现.广东自动化与信息工程，2001 ,22（4）：75-774 张树兵，戴红，陈哲.Visual Basic 6.0 中文版从入门到提高M .北京：清华大学出版社，19995 王福瑞.单片微机测控系统设计大全.北京：北京航空航天大学出版社，19996 李金川，郑智慧.空调制冷自控系统运行与管理.北京：中国建材工业出版社.2002
