暖通空调系统的计算机控制管理.docx

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1、暖通空调系统的计算机控制管理提要介绍计算机监测控制系统的基本构成，控制器种类，与计算机系统适应的传感器和执行器，计算机数字通讯网，控制系统的总体结构方案，以及常用的支撑软件形式。在介绍现有技术状况的同时，简要回顾了历史发展过程并展望了未来。关键词计算机，监测，控制，系统，数字通讯，支撑软件编者按近年来随着计算机技术的不断发展和硬件成本的持续下降，计算机在暖通空调领域有了广泛的应用。其应用的一个重要方面，就是利用计算机系统取代常规仪表对暖通空调进行智能化监测、控制和管理。目前我国一半以上的房间空调器、整体式空调机和冷水机组都已采用以计算机为核心的智能控制器。大量空调、供热系统开始使用计算机监测、

2、控制系统。随着楼宇自动化的发展，对建筑设备系统进行全面计算机管理的智能大厦等也开始增多。妥善地运用计算机技术于暖通空调系统的控制管理中，可以有效地改善系统运行品质，节省运行能耗，提高管理水平，并减少运行管理劳动强度，取得良好的经济效益和社会效益，这在国内许多工程中都已得到证实。然而不恰当地使用计算机，盲目地上计算机控制项目，也会因投资多，收效差而造成很大浪费，这样的工程实例并非罕见。经验表明，只有根据暖通空调工艺过程要求，结合实际的需求情况，充分发挥计算机技术的特点，恰当地确定系统功能，明确主要需解决的问题，才能收到投资少、效益高的效果。为做到这点，需要暖通空调专业人员了解计算机的原理、特点，

3、与计算机专业人员真正沟通，从而相互配合，确实用计算机解决暖通空调中关键问题。为配合这一需要，并根据广大读者的要求，本刊组织了这一系列讲座。物约本刊编委清华大学江亿教授撰稿，分6讲授课：首先介绍有关计算机硬件、软件和通讯网的基本知识，然后分别介绍计算机技术在空调、供热、制冷等具体工程中应用的主要特点，最后一讲介绍一些已完成的工程实例及其运行结果。希望本讲座能对我国暖通空调领域计算机实时控制管理工作起到一定的促进作用。欢迎广大读者将意见、看法及时反馈本刊编辑部或讲座作者，以使我们及时修改完善续各讲的内容，更好地满足广大读者的需求。1.1 什么是计算机控制计算机监测控制系统就是以计算机为核心部分的监

4、测控制系统。计算机监测控制系统又称DDC(DirectDigitia1ContrOD系统，即直接控制系统，它对测量数据的处理以及控制算法都是以数字计算为基础，通过软件实现的。这是20多年来监测控制系统从常规模拟仪表向计算机逐渐过渡的结果。如：- -用户可通过K1K4键输入要求的房间温度，单片计算机将此温度与An脚测出的温度比较，确定压缩机的启停；- 用户可通过K1-K4键输入希望的风机高/低速状态，单片计算机根据此命令对继电器J2、J3进行相应操作;- -用户可通过K1K4键预置希望空调机启停的时间，使单片机按时启停压缩机和风机；- 单片机可将压缩机与风机工作状况，房间温度是否超出设定值，空调

5、机是否处在停机状态等信息通过显示灯D1D5显示：- -当电源电压过低或过高，停止压缩机以实现保护。同时通过显示灯显示报警。到底实现哪些功能，怎样实现这些功能完全由软件决定。软件是预先根据此窗式空调器的运行和管理要求精心编制的，经反复实验证实无误后，再写入单片计算机中。目前，具有上述功能的单片机若由芯片生产厂家在生产芯片时直接将要求的软件写入，当批量大时，每片售价仅为1美元左右；而由软件开发人员个别一次性写入程序且不能再改的单片机每片约为2至4美元。这就是最简单的计算机控制器实例。将它与常规的双金属片或相变液体式温控器相比，可看出计算机控制器有如下特占八、(1)计算机控制器的工作过程是完全由预先

6、编制的软件决定的，而常规仪表是由电子逻辑电路或其它直接机械硬件逻辑实现，这就是为什么计算机控制又称DDC的原因。控制管理功能是由软件还是由硬件实现，是计算机与常规仪表控制的主要区别。(2)计算机控制是将各种输入信号都直接接到计算机输入口上，通过软件进行统一的计算分析后，再将其结果送到各有关的输出口上，实现各种控制保护管理功能。而不是象常规仪表控制器那样由各自独立的一对一的单回路控制或保护电路构成。这样，采用计算机控制器就有可能全面考虑被控对象的各种参数，对其进行统一的系统性的控制、保护及管理。(3)计算机控制器可通过按键、显示灯等输入输出器件建立与使用者间的联系。由于这些按键及显示灯是与计算机

7、相连的，因此可根据要求通过它们实现使用者与计算机间的各种信息交流，每个键和每个显示灯在不同状态下均可表示不同内容，完全不同于具有固定意义的常规仪表的软件写入后无法修改，根据控制功能的要求重新编写这样一个软件也是一项耗资很大的工程，需反复测试、检验。这样，对于批量小的被控设备或根据工程要求单独设计组装的装置就无法采用这种控制器。这主要是由于：(1)当每台设备选择不同的传感器、执行器时，就要有相应不同的输入输出程序；(2)监测、控制要求中即使有微小的差别，也需要对软件做相应修改；(3)通过人一机接口与用户对话的具体要求不同，则要求的软件不同。由此，需要有能够根据具体的要求编程或修改程序的控制器。要

8、求这种控制器的输入、输出接口电路具有灵活性和通用性，从而可以方便地与有不同电信号特点的传感器和执行器连接。为了编程方便，又需要有较多的存储空间和复杂的支撑软件，这就使这种通过控制器的价格较上述不可重新编程的专用控制器高出一个数量级。暖通空调领域一般都需要用这种可以由用户编程的计算机控制器构成计算机监测控制系统。本文也准备着重介绍这一类系统及其应用。计算机技术发展中最重要的成果是数字通讯技术。利用计算机的数字通讯技术，从80年代开始，暖通空调领域就逐渐开始使用由多个计算机控制器和数字通讯网构成的分布式计算机监测控制系统。分布式系统的关键就是数字通讯网，它与常规仪表系统中的遥测遥调系统完全不同。遥

9、测遥调系统的信号传输线路中传递的是电流或电压量，电流或电压的高低代表所传输的物理量的大小。每对异线或每个信道只能传输一个物理参数（有时通过开关转换去实现多个物理参数的传递），被传递的物理参数（如某个温度）的任何变化都将毫无延迟地传递到另一方。在计算机数字通讯中，传输线路中传递的是以高低电平形式出现的0,1数字，由这些0,1二进制数构成所传递的信息。这样一对导线可以传递任意多个物理参数，但每个参数是按一定的时间间隔一次次发出的。参数个数愈多，每个参数每次传递的时间间隔就愈长。因此物理参数的变化并不是毫无延迟地传递至另一方，而只能按时间间隔将各采样时刻的物理参数值送出。常规仪表输送线路上的电流、电

10、压信号由于线路的干扰和衰减，使接收到的数据有所变化。而数据通讯网的0,1信号不会由于地线路衰减而变化，即使由于线路干扰造成误码，也能经过纠错算法得以纠正或剔除，因此是无任何误差的信息传递。由于分布式系统具有这些优点，在暖通空调及建筑楼宇自动化系统中被广泛地采用。计算机控制器能否通讯，能在哪种网络结构下按照哪种通讯协议进行通讯，成为判别计算机控制器性能的重要指标。分布式系统的结构设计、任务分解、通讯方式等成为计算机控制系统设计中的主要内容。图1.2所示仅为最简单的分布式系统。根据控制和管理要求，实际通讯网可分为若干级，通讯介质也可以是光纤、同轴电缆、双绞线或借用电话线及无线电通讯。系统跨越的范围

11、远不止一座建筑物，目前已可以在一个建筑小区内，一个城市内乃至几个城市间实现长距离的通讯和综合的控制管理。目前数字通讯已作为一个专门的重要领域飞速发展，成为信息革命的支柱技术。分布式控制系统的通讯网与高速信息通讯网搭接，使控制系统所涉及的暖通空调及建筑管理信息成为高速信息网所管理的信息的一部分，按照同样的方式来传递和管理这睦信息，已成为目前发展趋势。数字通讯技术的不断完善，计算机设备硬件成本的不断降低及软件成本的不断升高，导致新一代控制系统-智能传感器、智能执行器(smartsensor,smartactuator)的出现。智能传感器是将单片计算机与传感器、变送器做在一起,直接通过数字通讯方式发

12、送所测出的物理参数。智能执行器则是将计算机与传感器变送器做在一起，直接通过数字通讯方式发送所测出的物理参数。智能招待器则是将计算机与执行器的机械装置、驱动控制及保护装置做在一起，可使其直接接受以数字通讯方式发来的命令，同时还可将执行结果及故障状况以数字通讯方式发出。这样的智能传感器、执行器可以实现低成本大批量生产。采用这种智能装置，可直接通过通讯网与控制器连接。控制器不再需要任何输入、输出接口，只需要与各智能传感器、执行器通讯，与其他控制器通讯，并进行计算分析，以发送控制命令.归纳本节内容：用于暖通空调系统的计算机控制分为3种类型：(1)不具备通讯功能，不能根据具体要求改写程序的控制器。它们可

13、低成本大批量生产，用于各种定型设备的控制。(2)具备通讯功能，控制程序可根据要求编写修改的控制器及由此构成的分布式控制系统。这是目前在暖通空调工程中应用最广泛的计算机控制系统。(3)采用智能传感器、智能执行器，用通讯网将它们及控制器连在一起的新型控制系统。这种系统较好地解决了专用性与灵活性这一矛盾，将是今后的发展方向。综合上述各种系统集成方式，计算机控制系统主要由如下几部分构成：传感器与执行器；控制器；通讯网；中央管理计算机。下面对这几部分内容进行介绍。1.2 传感器与执行器传感器和执行器是计算机控制系统的眼睛和手脚，离开它们就无法进行任何监测与控制工作。目前尽管计算机硬件价格不断下跌，但传感

14、器和执行器的价格却居高不下，甚至上涨。对于一套组合式空调机的控制系统来说，传感器（即送、回风及新风三套温湿度测量、过滤器压差开关、表冷器水温测量）、执行器（三个风阀的电动执行器及两个电动水阀）的成本占此控制系统成本的60%以上，并且，目前计算机监测控制系统中故障率最高的也是传感器和执行器，它们约占故障总数70%以o因此全面了解传感器和执行器性能，根据需要恰当地选用并正确地使用和维护它们，对于构成经济可靠的计算机监控制系统，并能使其正常工作具有十分重要的意义。1.2.1 传感器及其变送器传感器感应出所测量的物理量，经过变送器成为电信号送入计算机输入通道中。根据信号形式的不同，主要与如下两种输入通

15、道连接：(1)模拟量输入通道AI(Ana1ogyInput),此时变送器输出的可以是电流信号，例如。IomA,也可以是电压信号,如。2V或。5V。计算机的模拟量输入通道A1一般是电压测量通道，也就是说它可以测量出接至输入端的电压值。当AI的输入范围为。2V时，。5V或。IOV的变送器输出信号就要进行分压，以变换量程。当变送器输出为电流时，就需将电流信号变换为相应的电压信号。图14为变换电路。一般一个控制器可能与多个变送器相连。当这些变送器均为电流输出型，且统一由控制器的直流（24V）供电时，公共地线上将有较大电流渡过，如果变送器接地点与控制器内部测量的接地点不一致，两点间很容易有较大电位差，此

16、电位差还会随其它变送器输出电流的变化而变化，造成较大的测量误差。这一点在一个控制器连接多个变送器时，尤其要注意。控制器模拟量输入通道AI接入电压信号后，要经过模拟量/数字量间的转换（A/D转换），将其变为数字量后，再由计算机进行分析处理。A/D转换器的输入阻扰都很高，如果变送器的输出为电压信号，则变送器至控制器间距离较长(几十m),导线上很容易受到环境电场和磁场的干扰，叠加上其它的电压，导致测量误差很大乃至无效。当变送器为电流输出时，长线输送抗干扰的能力较强。(2)开关量输入通道DI(Digita1InPUt),此时计算机只能判断DI通道上电平高/低两种状态，直接将其转换为数字量1或0,进而对其进行逻辑分析和计算。对于以开关状态作为输出的传感器(如水