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暖通空调系统的计算机控制管理(1) [2007-1-30]来源:正岛电器

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

Abstract   Delineates its fundamental composition, types of the system, the communication network software configuration and the system architecture. Reviews the history in this technical area and foresees its future.

Keywords  Computer, monitoring, control, system, digit communication, support software

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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、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,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测控制系统。计算机监测控制系统又称DDC(Direct Digitial Control)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K1~K4键输入要求的房间温度,单片计算机将此温度与AI1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K1~K4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,空调机是否处在停机状态等信息通过显示灯D1~D5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
点:
  (1) 计算机控制器的工作过程是完全由预先编制的软件决定的,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中的开关及显示灯。计算机的这一特点使其可以实现与使用者间的信息
    交流,根据要求实施大量的管理功能,这是常规仪表所远不能及的。
   这种单片计算机控制器自70年代末出现以来,近20年来持续高速发展,性能不断提高,价格持续下降,应用日广泛。据说平均每个美国人一天内接触到的单片机的数量要多于他所接触到的人的数量。目前,房间空调、电冰箱、洗衣机等家电产品中已广泛应用了这类单片机控制器,各种冷水机组、空调机组也陆续开始使用这类单片机计算机构成的控制器。看来在这一领域中,常规仪表迟早会被淘汰。
   单片计算机控制器由三部分构成:
  (1) 单片计算机本身 它是计算机控制器的核心,具有多路开关量和模拟量输入、输出通道与外电路相连,以实现测量控
    制管理的目的,它内部有数据和程序存储器,可以通过软件实现各种分析计算功能。
  (2) 传感器与执行器 传感器感测出需要监测控制的各种物理量并将这些物理量变为电信号送到计算机,它相当于计算机
    控制系统的眼睛。执行器指可由计算机直接控制的各种开关的阀。计算机通过开关和调整这些执行器来具体实现控制
    功能。执行器相当于计算机控制系统的手和脚。
  (3) 用户接口 即键盘及显示器等与使用者进行信息交流的装置。它使人一机对话成为可能,是管理和维护计算机系统必
    不可少的部分,相当于计算机控制系统的嘴和耳朵。
   大批量生产如图1-1所示的控制器,每台成本仅几百元。输入、输出接口数量列多,可存储的数据及软件空间更大的计算机控制器的单台成本为几千元,但这一类控制器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(smart sensor, smart actuator)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%以上。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道连接:
  (1) 模拟量输入通道AI(Analogy Input),此时变送器输出的可以是电流信号,例如0~10mA,也可以是电压信号,如0~2V或0~5V。计算机的模拟量输入通道AI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0~2V时,0~5V或0~10V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1-4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(Digital Input),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(如水流开关、风速开状或压差开关)就可以直接连接到DI通道上。图1-5为连接方法。图中1kΩ电阻R是为了防止开关开路时输入口空载成为随机状态而设置的。除了测量开关状态,DI通道还可直接对脉冲信号进行测量,测量脉冲频率,测量其高电平或低电平的脉冲宽度,或对脉冲个数进行计数。这些功能对常规仪表来说比较困难,但对计算机来说,由于它的基本信号处理对象就是0,1这种开关信号,并且有很准确的时钟,因此很容易高精度地对脉冲进行这种测量。由于这个原因,近年来出现各种脉冲形式输出的传感器和变送器,它们非常适合于计算机监测控制系统使用。当脉冲的频率不是很高时(10kHz以下),线路传输的抗干扰能力很强,因为它只有通断两种状态,小的干扰信号不会对其有任何影响
          
   计算机控制器的特点是:具有极强的计算功能;直接对数字量而不是模拟量进行处理;对现场调试测出的参数不易进行调整。而常规仪表内部需有复杂的模拟电路才能进行一些简单计算,因此很难具有很强的计算功能;它直接对模拟量进行测量和分析而不便处理脉冲类信号;它往往比较容易在现场调试时对所测参数进行整定。由于这三点的不同,导致对传感器及变送器有不同的选择。表1-1列出常用的温度传感器的主要特点。对于常规仪表,首先考虑的是传感器输出信号的线性程度,以避免复杂的非线性修正线路。由表中可见首选的是铂电阻或PN结器件,权衡灵敏度及一致性要求,再在这二者间选取。当采用计算机测量时,非线性很容易通过计算修正,因此更着重于灵敏度与一致性,于是热敏电阻便成为测温首选器件。

   无论是用铂电阻还是热敏电阻,在设计变送器时要将电阻信号变换为电流信号,同时又要避免测温元件本身通过电流过大而造成自然现象。因此要尽量减小通过测温电阻的电流,而通过放大器将小的电流或电压变化变为标准的电流信号。

  类似的情况还可以在一些湿度、压力、流量等变送器的产品中找到。针对计算机易于处理开关量信号的特点,这类变送器的输出形式为:
  (1) 满量程时频率一般为1kHz或10kHz。当被测量非常接近于零时,输出频率就接近于0,这样使测量无法进行。因此一般
    将信号输出范围设计成0.4~1kHz或4~10kHz。
  (2) 计数、变送器定时发出一串脉冲信号,其脉冲个数与被测的物理量成正比。计算机通过对脉冲个数的计数即可得到被
    测物理量的数值。
  (3) 占空比方式。
   目前开始出现内部装有单片计算机的智能传感器。它的输出完全采用数字通讯标准与控制器的通讯口连接,数据传递方式与控制器之间的方式相同,通讯接口一般采用RS232或RS485标准(详见通讯网一节)。由于内部装有计算机,它可以进行全部性化转换、数据滤波、各种误差修正等,实现真正的"智能化测量"。由于它以数字通讯方式传递测量结果,因此不会因干扰而产生误差,处理适当时还可实现长距离传递数据。这种一体化的传感器与变送器代表着今后的发展方向,目前的问题是尚无一致的数字通讯标准,一个厂家生产的智能化传感器很难与另一个厂家的控制器连接,这是阻碍这种技术发展的主要原因。

  1.2.2 执行器
   暖通空调领域控制系统中的执行器主要指风阀、水阀、交流开关等,是控制系统最终实现对系统进行调整、控制和启停操作的手段。控制器通过两类输出通道与这些执行器连接:
  (1) 开关量输出通道DO(Digital Output)。它可以由控制软件将输出通道置成高电平或低电平,通过驱动电路即可带动
    继电器或其他开关元件,也可以驱动指示灯显示状态。
  (2) 模拟量输出通道AO(Analogy Output).输出的信号是0~5V、0~10V间的电压或0~10Ma、4~20mA间的电流。其输出
   的电压或电流的大小由控制软件决定。由于计算机内部处理的信号都是开关量信号,因此这种可连接变化的模拟量信号
   是通过数字一模拟转换电路(D/A)产生的。
   各种执行器根据其特点不同,分别与这两种输出通道连接。
   交流接触器 这是启停风机、水泵及压缩机等设备的执行器。可以通过控制器的DO输出通道带动继电器,再由继电器的触头带动交流接触器线包,实现对设备的启/停控制。当触头通过的电流较大时,触头吸合前的一瞬间及触头刚断开的一瞬间都会产生电弧,此电弧是计算机的主要干扰源之一。采用由电容电阻构成的吸收电路并联于触头上,可有效地减少这种干扰。但此时要特别注意所用电容的耐压,防止电容被击穿烧毁。为了使计算机了解接触器是否真正吸合,一般要将接触器的一个辅助触头接至控制器的输入通道,从而使控制器能随时测出接触器的实际工作状况。
   在设计接触器与控制器的连接关系时,一定要注意控制器最初上电时DO口上的初始状态。有些控制器在通电一瞬间DO口上将一律置为高/低电平,然后置为程序要求的初始状态。此时应采取一些措施,以避免在这些交流开关开机瞬间的动作。
   有时需要两个接触器控制风机/水泵的电机在两种不同转速下运行,此时,一定要在接触器控制电路中加互锁电路。尽管控制器通过编程,不会同时启动两个接触器,但在控制器通电瞬间和偶然受干扰的情况下,会短时间在各个DO上同时出现高电平或低电平。无互锁 保护就有可能导致电机烧毁。
                 
  风阀、水阀有使用气动执行器和电动执行器的两种类型。采用气动执行器时需要将控制器的模拟量输出的信号(AO)接至电气转换器,电气转换器根据输入的电压或电流的大小,产生0~0.1Mpa压力的空气,再通过气路送至气动执行器的气室中,推动活塞或隔膜完成对阀的调节。也有的气动执行器本身带有电动定位装置,于是就可以直接将控制器输出的模拟量信号接到电动定位装置接线端子上。气动风阀、水阀动作可靠,故障率低,可以在较恶劣的环境下运行。在有现成的压缩空气源的场合,应该优先选择气动执行器。由于阀门执行机构是气动的,因此一般都没有阀位的电反馈信号,这种控制器不能获得真实的阀门位置信号,无法判别阀门的机械故障。在选择电气转换器或阀门定位器时,一定要注意它所要求的输入信号的形式、范围,如是要求0~5V,0~10V的电压信号还是0~10mA或4~20mA电流信号,应与相应的控制器输出通道相匹配。
   风阀、水阀的电动执行器一般由一台三相或单相电机通过机械减速系统与阀连接,控制电机的正转、反转或停转,可以使阀门开大、关小或不动。机械减速系统还与一可变电阻器相连,这样阀门的不同位置将使可变电阻器输出不同电阻值,成为反映阀位状态的电反馈信号。为了防止阀门全开后或全关后电机继续运转,执行器内还在相应位置设有限位开关。当阀门到达全开或全关位置时,通过机械装置直接切断限位开关,使电机停止。图1-9为常见的电动执行器的控制电路原理框图。与要求的阀位输出成正比的控制信号以0~5V,0~10V电压或0~10mA,4~20mA电流信号的形式送入比较器,与测出的实际阀位进行比较,当实际阀位小于设定值时,正转开关打开,电机正转,开大阀门直到比较器输出为0时,电机停止;反之则电机反转使阀门关小。计算机控制器必须将内部的数字信号通过D/A转换,成为模拟量输出信号AO,送到比较器。为了使计算机了解阀门的实际位置,识别机械故障,一般将阀位的测量信号接到控制器的模拟量输入通道AI中。有些电动阀门的控制器还允许将全开和全关的限位开关信号作为控制器DI口的输入信号,接入计算机,使计算机可以辨别这些超调状态。
    
   计算机输出的控制阀位的模拟量信号就是为了在比较器中与实测的阀位信号比较,以决定电机的正转或反转。既然还要将阀位信号接入计算机,那么,就可以直接在计算机内进行比较和分析,决定阀门电动机应该正转、反转还是停止,通过DO输出通道直接由继电器驱动阀门电动机。这样做可以直接用两个开关量输出通道DO和一个模拟量输入通道AI带动一个电动阀,省去计算机内D/A转换的环节和阀门控制器内的比较器部分,过程的简化可减少成本和提高可靠性。这样做的缺点是将使计算机内控制阀门的程序比较复杂,并且需具有很好的实时性,一旦测出阀位至达设定值能立即停止电机转动。
   
   变频器及可控硅 此类执行器是直接对电量进行调整,改变供电频率以改变风机、水泵的电机转速或改变供电电压以调整电加热器加热量。为了能与常规仪表相连,这些变频器和可控硅调压器产品一般都设计成要求电压或电流式的输入信号,因
此,要通过计算机控制器的模拟量输出口AO与其相连。由于此类设备都是直接调整电网供电参数,一般都会产生很大的电干
扰,有时使控制计算机不能正常工作。为此,在选择这类执行器时一定要充分注意,选择干扰小的产品,并在计算机一侧采取相应的措施。
   随着计算机和数字通讯技术的发展,以单片机为核心的新一代智能型执行器开始出现。例如电动阀内的单片机直接测量阀们和各种故障信号,通过好的控制算法准确确定电机正反转运行和启停时间,使阀门准确可靠地调到设定值处。还可以通过数字通讯方式与计算机控制器对话,获取要求的阀位信息,报告阀门的实际位置及故障状况。目前的大部分变频器内部由计算机控制,有些已具备通讯功能。但由于至今没有这种层次上的数字通讯标准,很难使一个厂家的计算机控制器与另一个厂家的智能执行器通过通讯连接,这是目前影响这种智能执行器发展的主要原因。
 
1.3 现场控制机

   现场控制机是分布式计算机监测控制系统的基本单元。它直接连接各种传感器、变送器对各种物理量进行测量;直接连接各类执行器,实现对被控制系统的调节与控制。同时,还与计算机通讯网相连接,与中央管理计算机及其它现场控制机进行信息交换,实现整个系统的自动化监测控制和管理。不同的系统形式和产品系列对现场控制机有不同的名称,例如UC(Unit Controller单元控制器)、DCU(Digital Control Unit数字控制单元)、RTU(Remote Terminal Unit远程终端)等。目前,可编程控制器(PLC)经过多年的发展、完善,各种功能及使用形式也接近于上述各类现场控制机,无本质区别。
 
  现场控制机的原理性它根据程序储存器存储的程序,一步步执行程序所规定的工作。这些工作包括:
  (1)各种数学运算和逻辑分析判断。运算分析的原始数据可从数据存储器中读出,运算分析的中间结果和最终结果都可以
    存放在数据存储器中。
  (2)从输入接口中读出经过输入接口进行了信号转换后的各种传感器的输入信号,并将这些信号以数字的形式存放于数据
    存储器中。按照上一节的讨论,传感器可以有模拟量、开关量等多种方式的输出信号,输入接口将这些信号都转换为
    数字信号,随时供CPU读出。
  (3)根据控制要求和存于数字存储器的分析计算结果,将对执行器的操作命令送到输出接口,输出接口根据所连接的执行
    器的种类将这些输出命令转换为相应的信号形式,使执行器产生相应的动作。
  (4)读取键盘状态,得到使用者健操作状态,对它进行分析处理。根据程序要求或使用者的键命令将相应的数据送到显示
    单元。
  (5)从通讯接口读入数据并将其存储于存储器中。根据程序要求,将数据存储器中的有关数据送至通讯接口,实现通讯。
   CPU除了按照程序中所设计的步骤执行上述各类工作外,还具有"中断"功能。所谓"中断"就是当某个中断信号出现时,CPU暂时停止按照程序顺序进行的正常操作,转为执行处理此中断信号的专门程序,待该程序执行后,再回到原来暂时停止的状态,继续执行原来的程序。所谓中断信号可产生于如下场合:
  (1) 时钟中断 时钟每间隔一定的时间(如1S或100ms)发出一个中断信号,强迫CPU执行一段需定时处理的程序。这样就
   可以实现测量和控制中的各种计时和定时控制。
  (2) 通讯中断 当通讯接口收到通讯网上传来的数据时,可发出中断信号,强迫CPU先处理此收数工作。这样即可保证通
   讯的实时性。
  (3 )输入通道中断 将输入接口中的某个通断信号(on-off信号)接入中断输入口或将某输入通道设置为中断入口。当此
   接口出现高电平(或低电平时),即发出中断信号,使CPU先去处理与此有关的工作。一些事故报警处理功能即可通过这
   种中断方式实现。
  (4) 键盘中断 使用者按动键盘后,也可产生中断信号,使CPU立即转到键盘读入及处理程序。
   这样,CPU与如图1-11所示的输入接口、时钟、存储器、通讯接口与键盘显示等部分合在一起,构成现场控制机,实现测量、控制、管理及与系统的其它部分进行数字交换等功能。下面进一步分别讨论图1-11中的各个功能块。

  1.3.1程序存储器
   程序存储器存放将由控制机执行的全部程序。它所存储的内容唯一地决定了控制机的工作内容。程序存储器可储存的容量以字节为单位给出。1~3个字节构成一条指令,成百上千条指令构成程序。程序存储器容量一般用"kB"或"MB"给出,1kB为1024个字节,1MB为1024×1024个字节。简单的控制器如窗式或分体空调器的单片控制器,其程序存储器容量为2kB或4kB,复杂一些的用于冷冻站或组合式空调箱的控制机程序存储器容量可达几十或几百kB。程序存储器的读写形式分ROM,EPROM,E2PROM和RAM型。ROM(Read Only Memory)为只读存储器,它的内容在器件生产厂生产时就已经写好,不能改动。这种存储器成本很低,但必须在器件生产厂大批量写入(至少是几千台以上),因此只适用于大批量的功能完全相同的控制器中。在暖通空调领域,目前只能用于窗机、分体空调机这类批量大的产品的控制器中。在暖通空调领域,目前只能用于窗机、分体空调机这类批量大的产品的这也是这类产品的控制器价格很低的主要原因。EPROM(Erasable Programmable Read-Only Memory)为可擦写编程的只读存储器这种存储器带有一个透光窗口,通过专用的紫外线擦写器可将以前写入的内容清除,然后通过专门的程序写入器再写入新的程序。这是目前大多数控制机使用的程序存储器。采用这种存储器可以对每台控制器单独编程,满足各自的不同要求。此种编程的和写入工作一般都需由专门的技术人员完成,这不单因为擦写和写入需要专门设备,更重要的是因为程序改写工作的困难性。一台控制器的程序与控制器的硬件设计、对外通讯方式等许多因素有关。即使仅改动很少的测量或控制要求,也需要对整个控制器的编程规则有全面的了解,必须掌握足够的与此控制机有关的编程资料才能进行此项工作。E2PROM(Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory)为电可擦可编程只读存储器,它储存的内容可在线修
改,断电后仍能保存。通过适当的软件支持,使用这种程序存储器的控制机可以通过键盘或外接的现场编程器修改其中的内
容,还可以通过通讯网,直接在中央控制机处对与通讯网相边连的各台控制机进行测量与控制要求的设定,实现所谓"下装载"编程方式。RAM(Random Access Memory)为随机存储器,它的内容可随时通过程序来修改,但断电后即消失,有些控制机通过专门的备用电池保证RAM的经常供电,用RAM作为程序存储器,从而也可以实现现场由键盘或外接编程器编程和通过通讯网的下装载方式编程。程序存储器的容量和形式以及由此决定的编程方式是区别控制机性能的一项重要指标,是在系统选型时应主要考虑的因素之一。

  1.3.2 数据存储器
   与程序存储顺不同,数据存储器用来存储各种测量结果、计算分析中间结果及最终的计算分析及控制结果。它的内容必须能随时改写。大多数控制机用RAM方式的数据存储器,当没有备用电池时,断电后储存内容将消失。有些控制机为了保存一些重要数据如温湿度设定值、空调启停时间等,也采用一部分E2PROM或带有备用电源的RAM作为数据存储器。当只需要简单的测量与控制、只保持当前测量参数时,仅几百个字节的数据存储器即可满足要求。当需要进行复杂的测量、数据处理和控制所要求的计算机分析时,尤其是要记录以往的测量数据供使用者通过键盘或通讯网查询时,就需要较大容量的数据存储器,一般可达几十kB或几百kB。RAM分动态存储器与静态存储器两种,前者的成本远低于后者,但需要专门的刷新电路,电耗较大。当需要在断电后通过备用电源长期保存存储器内容时,应当用静态存储器。

  1.3.3 输入接口
   输入接口与传感器或变送器连接,将传感器、变送器发出的反映所测物理量的各种信号转换为CPU能够处理的数字信号,被CPU读取。传感器、变送器发出的信号可分为:通断状态量(on-off)、连续脉冲的频率信号、电流或电压的模拟量信号3类。
  (1)通断定状态输入通道 又称DI(Digital Input),用于测量输入电平的状态,主要与一些继电器辅助触头、开关按钮
    等连接,以使计算机测出这些装置所连接的设备的工作状况。一些输出通断信号的传感器如风速开关、温度开关、压
    差开关等到及一些输出脉冲形式物理量的传感器、变送器(如前一节所讲的占空比方式输出的温度变送器),都通过
    DI通道接入。为防止干扰,保证CPU工作正常及为防止输入信号由于各种原因偶然接入高电压信号,毁坏整个计算机系
    统,DI通道可采用光电隔离型。图1-12为些种DI通道的电原理图。图中用虚线勾出的为光电隔离器,它将一个发光二
    级管与一个三极管封装在一起。当输入为高电平时,发光二极管侧有足够的电流通过,二极管发光导致三极管导通,
    从而计算机输入口处成为高电平;输入侧为低电平时,二极管无电流而熄灭,三极管截止,从而计算机输入口成为低
    电平。由于光电隔离,两侧只有光耦合而无任何电的连接,输入侧即使偶然接上上百V的高电压,也不会影响计算机工
    作。因此可有效地防止外界各种电干扰和偶然的短路事故,是提高系统可靠性的一条重要措施。不采用光电隔离的
    DI输入,就要将输入回路的地线直接与CPU的地线连接,否则外界电场、磁场变化很容易耦合到CPU中,造成干扰。选
    择现场控制机时要看其DI是隔离型还是非隔离型,同时还要使其DI的通道数大于或等于所需要的测量路数。
    
  (2)连续脉冲 一般来说如果控制机提供相应的测量程序,连续脉冲信号可直接接到DI输入通道进行测量。但有时要准确地
    对脉冲个数连续计数,DI口又不提供中断功能时,就要使用带有脉冲计数器的输入通道。脉冲个数自动在计数器中累
    加,CPU可定时读取计数器并对其清零。此种输入通道亦有光电隔离型和非隔离型之分。采用光电隔离型可有效地防止
    外界干扰。
  (3)模拟量输入通道 又称AI(Analogy Input).直接测量0~2V、0~5V或0~10V电压信号,输入阻抗一般在几MΩ以上。
    在输入口上并联适当的电阻,也可以测量0~10mA或4~20mA的电流信号。由于计算机只能处理数字量,因此连续变化
    的电压信号要通过A/D转换电路才能变为数字信号,被计算机所接收。A/D转换电路的功能就是对输入的电压信号进行
    测量,如同一台数字电压表。不同的A/D转换器具有不同测量转换精度。一般以A/D转换器输出的数字信号为二进制码
    的位数来度量A/D转换的精度。常见的A/D精度有8位即可分辨满量程的1/28=0.4%;10位精度即可分辨满量程的
    1/210=0.1%;12位精度即可分辨满量程式的1/212=0.025%。这样,若使用量程为0~100℃的铂电阻温度计测温,采用
    8位A/D时,测量精度不会优于100℃的0.4%即0.4℃。实际上再考虑变送器的误码差、A/D电路的准确性等因素,此时地
    测温准确性只能达到1℃。除非改变变送器,将量程缩小。当要求高的的测量准确性时,要注意选择具有多位A/D转换
    的接口通道。为了减少外界输入电路带来的干扰,也希望对输入信号进行隔离。但对连续变化的模拟量信号的隔离要
    远比通断量信号困难。可能的方式有两种:一是采用隔离放大器,放大器的的输入与输出间无电连接,但输出信号正
    比于输入信号。这种隔离放大器价格较高。再一方式是在A/D转换后的数字信号侧进行隔离。这样做有一定的难度且增
    加了电路的复杂性。一台控制机一般只设一个A/D转换电路。当需要测量多个模拟量时,一般在模拟信号侧接入CMOS开
    关(场效应管为基础电子开关),通过控制各种CMOS开关的通断,将要测量的模拟信号接入A/D转换电路的输入端。

   一般的现场控制机分别配有若干路DI、AI输入通道,有些还配有测量脉冲的计数器通道。在选用时可根据需要测量的信号的种类和个数选择相应的现场控制机。也有的现场控制机的输入通道为通用型,既可接入开关信号又可接入模拟量信号,只要在内部通过程序设置好即可。这种接口实际上全部为AI通道,在对通断量进行测量时只是在程序中设一阈值,高于此值判为是高电平,否则为低电平。由于模拟量隔离困难,这种通用型输入通道很少是隔离型的。还有的控制机将输入通道全部做成带隔离的DI通道,当某一路需要接入模拟信号时,在此路通道上外接V-F转换器,将电压信号变换为频率信号,再通过DI通道输出。这样既保证了输入通道的灵活性,又可以做到输入通道与CPU完全隔离。但由于每个模拟量测量都需要外接V-F转换转换
器。成本会略有提高,对频率进行测量也会使测量速度略有减慢。

  1.3.4 输出接口
   同输入接口电路一样,现场控制机的输出接口也分为用来带动继电器通断的数字量输出--DO(Digital Output)和用来驱动阀门、可控硅、变频器等需要连续变化的电压或电流信号的模拟量输出--AO(Anology Output),有时还有连续输出指定频率和占空比的脉脉冲信号的脉冲输出口。
  (1) 通断量输出通道(DO) 与DI通道一样,为了防止外电路的干扰,往往做成隔离型通道,即DO通道与主机间无直接电
    连接。由于DO一般用来直接驱动或通过继电器来带动电气设备,了解它的驱动能力很重要。有的控制机的DO输出通道
    是直接由光电隔离或小功率开关电路引出,它的驱动能力不大于20mA。这时要带动一个电气设备(如电机的交流接触
    器电动阀门的单相电机,电加热器等),必须通过中音继电器。有的现场控制机的DO输出通道内已装有常规继电器或
    可控硅构成的无触点继电器,通过电流可达1A或更大。此时一些功率不大的电设备就可以直接驱动。
  (2) 模拟量输出通道(AO) 输出范围一般为0~10mA或4~20mA电流型。如果需用要电压型输出,只要在输出通道上并联
    一相应的电阻即可,但这时与其相连接的设备的输入电阻要足够大。当要驱动的设备为电流型时,亦要注意其输入电
    阻不应超过额定值。由于计算机内部只能处理数字量,因此,输出的模拟量信号通过D/A(数字到模拟)转换而得到。
    同A/D一样也有其转换精度。8位精度的D/A输出分度值为最大输出值的1/256,已完全满足一般的控制要求,因此一般
    的现场控制机内的模拟量输出(AO)通道都是8位转换精度。由于模拟量输出信号要与被控制设备直接相连,直接决定
    被控制设备的状态,因此AO输出不能像AI那样用多路开关转换来产生多路通道,每路AO通道一般都是由独立的D/A转换
    电路得到。同AI通道一样,在模拟量线路侧要进行隔离有一定困难,或成本较高。也有的控制机将输出通道全部做成
    带有光电隔离的DO通道。再根据具体的使用要求分别连接输出继电器或D/A转换器来分别满足大电流通断输出或连续型
    电流输出。这样做成本略高,但系统组态灵活,并可使输出全部实现光电隔离,提高抗干扰能力。
  
1.3.5 通讯接口
   能否对外通讯,支持哪种通讯方式,是现场控制机的一个十分重要的性能指标。有关通讯接口、通讯方式及通讯标准的详细内容见下一节。
  
1.3.6 键盘与显示
   当控制机带有通讯接口,能够与其它现场控制机及中央控制机构成分布系统时,它的状态检查和工作任务设定往往在中央控制机处通过通讯网进行,此时现场控制机的键盘和显示器仅仅是供维护、维修和调试时使用。键盘一般仅设几个按键,显示器采用数码管或仅用一些显示灯来表示状态。也有的控制机干脆不设键盘,仅有几个表示运行状态的显示灯。通过外接带有键盘和显示器的操作器来进行维护维护和设定工作。由于现场控制机与使用者的信息交换主要靠通讯网通过中央控制机进行,因此键盘和显示方式不应作为现场控制机的主要性能指标。
  
1.3.7 整机结构
   现场控制机的CPU不同,上述各种功能电路不同,导致整机结构大不相同,大致可分为如下3类:
  (1) 采用PC型CPU通用型控制机。如采用目前个人电脑中的80386、80486或Pentium芯片作为CPU,其基本结构也与个人电
    脑类似。可以配大量的程序存储器和数字存储器,从而直接运行C语言写成的程序或其它高级语言编译的程序。通过各
    种接口电路构成DI、AI、DO和AO输入输出通道。通过增加通讯接口板以支持各种通讯。这类控制机计算能力及存储器
    容量远远超过控制和管理一台空调设备的要求,但为解决输入输出需大量的接口线路。线路的复杂和器件数量的增多
    一方面增加了成本,另一方面是否也会降低系统的可靠性和抗干优能力呢?
  (2) 采用单片机作为CPU的通用型控制机。目前有大量不同型号的专门作为实时监测控制用的单片机问世,它们除具有
    CPU的功能外,还将大量的输入输出接口电路、时钟、通讯和部分程序和数据存储器都集成到一个芯片中,只要外接一
    部分程序和数据存储器并扩充部分输入输出接口电路,就可以构成完全满足空调设备控制监测要求的现场控制器。目
    前大量的"可编程控制器"及一些专业厂商推出的暖通空调领域的现场控制机都是采用这种形式。由于单片机的CPU为
    4位、8位或16位,寻址能力有限,因此不易配置太大容量的程序存储器和数据存储器。这在一般情况下也足以满足要
    求。只是难以直接采用PC机中通用的高级语言进行编程,而要采用汇编语言或控制机厂商各自推出的专用编程语言。
    由于单片机集成的内容全面,因此这类控制机线路要简单些,器件少,成本低,同时抗干扰性和可靠性也会相应高一
    些。
  (3) 采用单片机的专用型控制机。这是以单片机为主体,专门为某种空调设备(如新风机组、变风量末端装置等)设计的
    控制机。为了尽量使用单片机内的存储器和输入输出通道资源,程序被设计为专用程序,被控设备的形式及传感器、
    变送器及执行器都被确定或仅能作有限的选择,使用者很难对程序进行修改。这样做换来的好处是线路简单、器件
    少、成本低、抗干扰能力强。如果这种控制机所支持的通讯方式与通讯网兼容,所控制的设备及要求的传感器、执行
    器与工程要求一致,这类控制机应为最优先的选择。
  
1.3.8 编程方式
   要使现场控制机完成要求的测量控制和管理工作,除要有适宜的硬件,还必须有相应的软件。现场控制的软件涉及输入输出接口通道的具体方式、地址、中断、通讯、内存寻址方式等许多与具体硬件结构有关的内容,无详尽的硬件资料不可能对其从头编程。即使掌握全套的硬件资料,一台现场控制机的全面编程和程序的全面试验与验证也是一项很大的工程,从论证到全面完成将是1人1年左右的工作量。因此很难对一个具体的暖通空调控制工程从头编制现场控制机软件。作为一个现场控制机产品,必须提供相应的用户编程手段。编程手段的强弱、易用性、灵活性等是考察和选择现场控制机系列的重要考虑因素之
一。目前常见的现场控制机有如下几种编程。
  (1) 填表方式。从指定的测量元件、控制元件和控制功能中根据要求进行选择。通过输入计算机中一批指定的代码来确定
   这些选择。这些代码可以直接写入EPROM程序存储器中,也可以通过外接操作器输入或通过下装载方式从中央控制机设
   定。输入和设定后的结果存于现场控制机的EPROM中或带有备用电源的RAM中,以供长期运行时用。这种方式操作编程简
   单,易掌握,但局限性大,只能从已有的测量控制元件和功能中选择,无法实现任何特殊的测量控制和管理要求。有时
   使用者的一些对测量和控制的很简单的改动也难以实现。这种方式的适用与否取决于设备厂商提供的供选择的测量控制
   管理功能。
  (2) 专用控制语言。根据实时控制测量的特殊性,各厂商陆续开发出一些专用控制语言。用它可以很方便地描述各种测量
   控制管理要求。这种语言描述的功能要求很容易被读懂。因此它还可以同时作为工程软件文档。通过专用的编译工具可
   以将控制语言写成的控制要求直接编译成汇编语言或二进制机器码,将其写到EPROM中后,即可在现场控制机中直接运
   行。图1-13为用RH系列控制机的专用控制语言写成的用风阀和末端加热器控制房间温湿度的一段程序。其中第一部分为
   所使用传感器和执行器的定义。第二部分为具体的控制逻辑。这种控制语言编程灵活,可适合各种测量控制及管理要
   求。使用者也可很容易掌握。越来越多的控制机产品采用这种方式编程。目前的问题是尚无统一标准。各厂家自行制定
   开发控制语言,相互之间差异很大,无法进行交流,在某系列控制器产品中开发研制出的控制算法不能直接用到其它的
   控制器产品系列中。
  (3) C语言编程。C语言是目前个人计算机领域使用越来越广泛的编程工具。一些控制厂商也开始使用C语言编程,向用户
   提供大批的测量控制功能模块及C语言编译器。用户可用C语言编写所要求的控制管理功能,并调用测量、控制驱动等标
   准模块,然后编译成可在现场控制机上直接运行的程序。由于C语言不是专门为实时测量控制而设计的,因此在描述时钟
   及中断处理等要求时有一定困难。与专用控制语言相比,用户编程工作量较大,程序的可读性也较差。然而这毕竟是一
   种通用编程工具,可交流性、可移植性远优于用专用控制语言编程的方式。

1.4 数字通讯网络

   分布式计算机控制系统依靠通讯网络将各台现场机及中央控制管理计算机连接在一起,实现它们之间的数据交换。通讯网如同控制系统的中枢神经。它的通讯方式、速度、效率直接关系到整个系统的工作性能。通讯故障、中断则将使用权各控制机成为孤立单机,整个分布式系统瘫痪。随着信息业的发展,数字通讯技术发展迅速,人类对它的要求更高。控制管理系统也逐渐由以现场控制装置为核心向以通讯网络为核心过渡,通讯网络逐渐成为控制系统中最重要的环节。

  1.4.1 数字通讯基本概念
   数字通讯顾名思义就是通过传递数字信号来实现信息交换。控制机A定时测出连续变化的温度,将每次测出的温度数值转换为由一串0和1构成的二进制数。通讯接口相当于开关K。根据要传输的这个二进制数依次接通和关断开关,以分别表示0和1,从而使控制机B接收到此通断信号,由此得到控制机A测出的温度数值。  
  为常规的直接将模拟量的电压/电流信号长线连接实现遥测的原理图。同样是连续变化的温度信号,经变送器后变为随时间连续变化的电压或电流信号,长距离送至电压表后,仍为连续变化的电压或电流信号。比较二者有如下不同:
  (1) 数字通讯传输的是由"通""断"这样的开关信号构成的数值,可以完全无误地传输。如果由于硬件故障或线路干扰,使
   某一位传输错误,那么此错误发生在最低位与发生在最高位的概率相同,即出现故障时将32.5℃传输成32.4℃与传输成
   12.5℃的可能性完全一样。通过校码技术,很容易发现错码,从而重新传输。而模拟信号传输信息依赖于电压或电流的  变化,由于各种干扰必然带来传输误差。例如将32.5℃传输成32.4℃或32.6℃,但误差仅限于系统的最大传输误差范围内
   ,绝不可能将32.5℃传输成12.5℃。同时,模拟信号不可能进行校验,因此只能是误差在一定范围内的"有误传输",数
   字传递的误码可以通过校验发现,并通过重发校正,从而做到完全无误。"无误传输"与"有误传输"是数字通讯与模拟量
   传输的最主要差别。
  (2) 数字通讯一次传输一个数值,最多只能是间断地给出某个物理量的定时采样时刻下的测量数值,而模拟信号传输却是
   连续不断地传输某个物理量的连续变化。反之如果不考虑采样时间,数字通讯的一个通道可以输送任意多个物理量或任
   何其它信号,而模拟量传输只能传输一个物理量。这样,数字通讯的传输容量远远大于模拟量传输。
  由于无误传输和传输容量大这两个特点,数据通讯逐渐代替了各种场合下的模拟量传输。

  1.4.2 数字通讯传输速度
   数字通讯中的一个通断信号称一位(1bit),传输速度以每秒传输多少位来度量,称波特率(Baud rate)。数据通讯的波特率视通讯介质、距离及通讯方式不同可以在300bit/s到2~5Mbit/s之间。如果波特率为1000,每个字节为10位,则每秒种可以传输100个字节,当采用标准ASCII码传递时,一个字符为一个字节,32.5℃包括小数点和符号℃共5个字符,则每秒钟最多仅能传递20个数据;当波特率为1Mbit/s时,则每秒钟可传递这样的数据20000个。表1-2列出一些典型的传输介质和传输方式下的传输距离与波特率。其中采用双绞线或同轴电缆是直接以电平的高低变化传输0,1信号,而采用电话电路或无线电台则是将0,1的数字信号经过调制解调器(modem)调制成连续变化的模拟信号再通过普通的电话线路或无线电台传输、接收再通过调制解调器将其转换回数字信号。
  1.4.3 通讯网络结构
   一个分布式计算机控制系统,需要许多台计算机连在一起相互交换信息,这就要考虑它们之间的连接关系,这称之为网络的拓扑结构。
  1.4.4 通讯协议
   要使各节点上的计算机控制器彼此进行数据交换,除网络结构硬件连接外,更重要的是要有相应的通讯协议(protocol)。所谓通讯协议指各节点间按照何种方式相互配合,实现通讯。这主要包括如下内容:
  (1)物理连接与数据传输方式的协议。即连接通讯线路的接口,设备的电信号标准,确定怎样将0和1这两种信号从一端传到另一端。目前常用的RS232,RS485,RS422,RS449方式及电流环方式均指这一层次上的协议。
   数据传输格式则规定发和收的速度(波特率),规定信息传递的基本单元的格式,例如发送1200bit/s,每10bit(位)构成一个字节,第一位为高电平的起始位,中间八位为以高、低电平表示的0或1的八位二进制数,最后为一位高电平的停止位。也有11位、9位或8位构成一个基本字节的数据传输格式。
   这两层协议不同就不可能直接通讯,但可以以中间变换设备,将通讯信号从一种协议转换为另一种协议,以实现在这两个层次上协议不同的设备间的通讯。
  (2)多个通讯节点连接到一起后,相互对话和网络管理的协议。例如,每个通讯节点的地址(名字)规定采用"主从式"还是"点对点"方式,"主从式"时主机呼叫下位机的格式及下位机回答后发送数据的格式;"点对点"方式时相互寻址方式,纠正碰撞方法,校验错码与纠正错码方式等。这些协议是保证通讯网连接在一起的各节点间能够有效地传输信息的基础。通讯系统的功能及效率在很大程度上与此层次上的协议有关。例如采用主从式协议,只有上位机呼叫下位机时,下位机才能将实测的数据与工作状态送至上位机。当作为下位机的现场控制机发现被控制设备出现异常时,也只能等上位机呼叫时,才能发出报警信号。而采用"点对点"通讯时,连在网中的各个通讯节点地位平等,随时可向任何一个节点发出信息。有故障时可及时报警,各台下位机之间也可以直接通讯相互配合进行控制管理工作。当中央管理机需要连续监视单台空调机的工作状况时,如采用"主从式"通讯方式,每10s向管理该台空调机的现场控制机呼叫一次,现场控制机将此时测出的温湿度及风机、阀门的工作状态送回。如每次仅呼叫一个参数,则双方传输内容中真正有用的信息不足20%,其余全用于呼叫、对话、校核等。如每次发出反映系统工作状态的全部数据,则传输内容中的有用信息为50%~60%。当采用"点对点"通讯时,不需主机询问,现场控制机可自动定是报告,这就进一步提高了信息传递的有效性。再进一步,现场控制机可以以每5min发一次数据,同时在某参数发生变化时(如温度变化0.2℃以上,风机开关状态变化等)及时发出该参数信息。由于空调机中大部分参数变化并不频繁,因此,这可以使网络上的数据传输量很小而中央管理机则得到系统参数的变化状况比每10s通讯一次的"主从式"更及时。有例子表明,上述方式网络上要求的数据传输量仅为"主从式"时的1/20左右。于是点到点方式波特率为2400bit/s时即可实现波特率为48kbit/s的主从式通讯的同样效果。
  (3)用户层协议。前面各种协议使各通讯节点间能传递信息,但并不能使接收方理解收到的信息,用户层协议指明用何种编码形式来实现用户间的对话。例如,信息可用ASCII码的方式表述,任何一个数字、字母都可以用一个字节的二进制数表示。测点1的温度为23.5℃,可直接用"t1=23.5℃"8个ASCII码给出。另一种方式是直接用二进制码传递数据,数据在数据串中的位置决定其物理意义。这样上述温度的信息仅用3个字节即可给出。但此时通讯的双方需严格约定各个要传递的物理量在数据串中的位置。在实际的暖通空调控制管理系统中,通讯信息要涉及多种内容,如开关设备、调整阀门、故障报警、物理量测量等,这就需要一套完整的用户层协议来支持。
   目前分布式控制管理系统都是由各生产厂家自行开发研制,因此,其通讯系统的协议都不相同,尤其是用户层的协议彼此不同,这导致不同的控制系统很难相互通讯。目前大量的冷水机组、柜式空调机都装有计算机控制器,并具有通讯功能。但当采用不同的计算机控制器,并具有通讯功能。但当采用不同的计算机控制系统全面控制管理整个空调系统时,这些控制器都难以与系统进行通讯。为此有时中间还要增加许多信号变换设备来解决通讯协议不相同的问题。一座建筑包括消防、保安、空调、电力管理等许多控制系统,有必要实现各系统之间的信息交换。当各个控制系统采用不同厂家的产品时,由于协议不同,也造成相互之间无法通讯。有时为此增加大量的硬件和软件来解决不同系统之间的通讯问题。随着计算机控制系统发展的日益广泛,通讯系统越来越重要,制定统一的通讯协议使不同系统间能够通讯成为广大用户的迫切要求。为些,美国ASHRAE委托NIST(美国国家标准局)研究出BACnet标准,于1996年初正式推出。如果各厂家的通讯系统都按照这个标准设计,则各种控制器、各种控制系统之间就可以自由通讯。BACnet推出后,ASHRAE用很大的力量来宣传推广,许多控制厂商也纷纷宣布他们可以提供符合BACnet通讯标准的控制系统,但直到此标准正式推出一年后的今日,仍没有一个厂家用BACnet标准通讯取代自己原有的通讯标准。这是由于要完全实现此标准,各公司的硬件、软件都要进行较大改动。看来真正实现各种控制设备和控制系统间的自由通讯还需要相当一段时间。
   目前信息通讯产业飞速发展,信息高速公路、Internet等成为发展热点,这将为分布式控制系统的通讯系统提供大量的技术支持,同时亦对其提出更高的要求。现在在局部通讯网之上搭乘Internet,实现对控制系统大范围远距离的管理已经可以实现,然而对于服务于控制系统的局部通讯网,它仍有许多与Internet所不同的要求,例如实时性,对各种复杂的控制命令的理解等,许多方面还需要发展与此相适应的技术。

1.5 中央控制机

   中央控制是控制管理系统与使用者进行交流的主要接口。中央控制机接收各现场控制机通过通讯系统传来的系统运行参数,以图形、数表或打印报表的形式向使用者显示。使用者则通过中央计算机向各现场控制机发出各种调节的命令,如开启/停止风机、水泵等设备,调整风阀、水阀,修改系统设定值等。此外,作为控制管理系统的中心,中央计算机还可以具有如下功能:
  (1)建立数据库,储存系统长期的运行记录,供显示和分析用;
  (2)统计分析系统的运行参数,如各台设备运行时间、运行能耗等,供管理人员参考;
  (3)协调各现场控制机的工作,指挥整个系统的运行调节。例如当发现各台空调机组都将其冷水阀开到最大,而送风温
    度或湿度仍偏高时,即送命令给冷冻站将冷冻水出水温度调低;
  (4) 分析各现场机送来的数据,判断系统中是否有些部件出现问题,例如某些传感器、执行器出故障,风机皮带松动转
    速降低,空气过滤器阻力过大需清洗等,及时向使用者报警。
   根据系统通讯网络结构的不同,可以仅设一台中央控制机实现上述各功能,也可以在系统中设置多台中央机,分摊上述各项分析、管理与控制功能。有时中央控制机可分别安装在值班室、维修人员办公室或管理人员办公室,供各部门人员随时掌握系统运行状况。可以仅设一台向下发关命令的主计算机,其他各台仅记录和显示系统状况,也可以是几台计算机分摊控制、管理和故障诊断的工作。
   80年代较多铁系统使用专门的计算机人作为中央计算机。有些是要求系统容量大,软件平台功能强,使用UNIX操作系
统;有些则完全是由于商业原因,近年来个人计算机发展迅速,各种以486、Pentium为CPU的个人机完全可以胜任中央机的各种要求,在Pentium机上运行的UNIX操作系统也已推出,因此从功能上看个人计算机完全可以用作中央计算机。从硬件的可靠性看,个人计算机也可以长期连续运行,在一般场合设置中央机的现场环境不会太恶劣,完全可以满足个人计算机长期使用的要求。中央机主要承担系统参数显示等管理任务,短期出现故障时,现场控制机仍可正常执行其控制任务,因此,不会给系统运行带来危害。在要求较高的场合,只在采用双机热备份方式,即两台计算机同时执行同样工作,只是其中的一台不向发送控制命令,当一台临时出现故障时,另一台可立即转换成承担全部工作。个人计算机的硬件价格已降至人民币1万元左右,远低于其软件价格和专用的中央控制机了。
   对于中央控制机,其功能的优劣主要取决于它的软件系统。这包括中央控制机实时运行的软件和为用户提供的该软件的开发和设定环境。
   中央控制机实时运行软件目前都采用一些商品化的工控软件或由控制公司开发的专用软件。可以从如下几方面考查其性能:
  · 与使用者交流信息的界面。一般的实时控制管理软件都具有显示各种实测参数及由使用者输入设定值或启停和调整设
    备等功能。不同之处在于是否有图形界面,使用者操作是否简单方便。
  ·  数据库功能。能否存储长期的实测数据,储存周期为一年,一个月,一周还是一天。所存的历史数据能否以曲线等
    形式方便地显示并允许使用者进行各种查询。
  ·  计算分析功能。能否在与用户对话、显示系统运行状况的同时还进行一些分析计算和数据处理工作。如统计能耗、
    统计设备运行时间及至对系统进行全面分析和统一的调节。目前能够同时支持这种分析计算功能的中央控制机软件还
    需要太多。
   为了使中央控制机的实时软件能按照具体的使用要求运行,需要根据被控制系统的具体情况进行二次开发或设定,从而确定需要显示的参数,显示格式、图形画面,具体的统计计算要求等。这就需要有所谓的"开发环境"或"定义工具"等与中央控制机实时软件相配套的专用软件来完成。这些软件都应由实时软件的提供者同时提供。一般有如下的定义开发方式:
  · 在线定义。开发定义软件与中央实时软件集成在一起,使用者在运行时可随时定义新的显示参数,增加或修改图形画
    面等。这种方式使用灵活、方便,但一般只能在有限的功能范围内定义,很难实现一些分析计算或其他特殊要求。
  · 离线编程。根据具体的使用要求,按照指定的方法或利用C语言或其他计算机语言编写一部分程序,以实现各种特殊
    要求。要进行这项工作就需要熟悉整个系统的数据结构、参数输入输出方式等,因此,往往都是由控制系统的承包商
    完成,用户很难自行修改和扩充。
  · 利用专用的开发工具。由控制系统厂家提供离线开发工具,又称开发环境,使用者可根据具体要求设计图形画面,定
    义显示参数,指定分析计算功能,还可以进一步根据指定的方式设计分析控制算法。开发工具可根据使用者对具体系
    统的描述,自动生成中央控制机的实时软件。这种方式定义灵活,可以实现一些特殊的分析计算要求,开发工具设计
    好的话,使用者也不会感到太困难,比离线编程要容易得多,但还是比在线定义方式转换环节多,使用起来麻烦些。
   实时软件及其开发定义方式是相互配套的,并且与整个控制系统结构有关,而与中央控制机具体型号无太大关系,主要由系统的通讯网结构、通讯协议决定。目前各种分布式控制系统的中央机实时软件及其开发手段很难相互通用。
   本讲介绍了组成暖通空调计算机控制系统的各主要组成部分:传感器与执行器,现场控制机,通讯网和中央控制机。根据监测控制管理的具体要求,由这些基本构件即可搭配成各种形式的计算机控制系统。以后各讲将结合暖通空调工程中各种系统具体介绍它们将如何构成控制系统,从而实现监测控制管理功能。

1.6 参考文献
  
  1 Thomas B, Hartman. Direct Digital Controls for HVAC systems. McGraw-Hill, inc.
  2 Michael Newman. Direct Digital Control for building systems. John wileg and sons.
  3 江亿等.用于供热空调系统实时控制与管理的QHRH系统及其辅助设计系统.1990年全国暖通空调制冷学术年会论文集.
  4 Shim K E. A Specifier's Guide to BACnetTM. ASHRAE J, 1993,(4).
  5 BACnetTM问题和回答.ASHRAE J ,1996,(2).
  6 陈功富,韩贤东.计算机网设计与实现.人民邮电出版社.


 

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