暖通空調(diào)系統(tǒng)的計算機(jī)控制管理(1)
提要介紹計算機(jī)監(jiān)測控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成
關(guān)鍵詞計算機(jī)，監(jiān)測
AbstractDelineatesitsfundamentalcomposition,typesofthesystem,thecommunicationnetworksoftwareconfigurationandthesystemarchitecture.Reviewsthehistoryinthistechnicalareaandforeseesitsfuture.
KeywordsComputer,monitoring,control,system,digitcommunication,supportsoftware
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編者按近年來隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和硬件成本的持續(xù)下降
，計算機(jī)在暖通空調(diào)領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。其應(yīng)用的一個重要方面，就是利用計算機(jī)系統(tǒng)取代常規(guī)儀表對暖通空調(diào)進(jìn)行智能化監(jiān)測、控制和管理。目前我國一半以上的房間空調(diào)器、整體式空調(diào)機(jī)和冷水機(jī)組都已采用以計算機(jī)為核心的智能控制器。大量空調(diào)1.1什么是計算機(jī)控制
計算機(jī)監(jiān)測控制系統(tǒng)就是以計算機(jī)為核心部分的監(jiān)測控制系統(tǒng)。計算機(jī)監(jiān)測控制系統(tǒng)又稱DDC（DirectDigitialControl）系統(tǒng)
--用戶可通過K1～K4鍵輸入要求的房間溫度
--用戶可通過K1～K4鍵輸入希望的風(fēng)機(jī)高/低速狀態(tài)，單片計算機(jī)根據(jù)此命令對繼電器J2
、J3進(jìn)行相應(yīng)操作；--用戶可通過K1～K4鍵預(yù)置希望空調(diào)機(jī)啟停的時間
，使單片機(jī)按時啟停壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)；--單片機(jī)可將壓縮機(jī)與風(fēng)機(jī)工作狀況
--當(dāng)電源電壓過低或過高
到底實(shí)現(xiàn)哪些功能
這就是最簡單的計算機(jī)控制器實(shí)例
點(diǎn)：
(1)計算機(jī)控制器的工作過程是完全由預(yù)先編制的軟件決定的
實(shí)現(xiàn)，這就是為什么計算機(jī)控制又稱DDC的原因
主要區(qū)別
(2)計算機(jī)控制是將各種輸入信號都直接接到計算機(jī)輸入口上
關(guān)的輸出口上，實(shí)現(xiàn)各種控制保護(hù)管理功能
電路構(gòu)成
管理
(3)計算機(jī)控制器可通過按鍵
的
同內(nèi)容
交流，根據(jù)要求實(shí)施大量的管理功能
這種單片計算機(jī)控制器自70年代末出現(xiàn)以來，近20年來持續(xù)高速發(fā)展
單片計算機(jī)控制器由三部分構(gòu)成：
(1)單片計算機(jī)本身它是計算機(jī)控制器的核心
，具有多路開關(guān)量和模擬量輸入、輸出通道與外電路相連，以實(shí)現(xiàn)測量控制管理的目的
，它內(nèi)部有數(shù)據(jù)和程序存儲器，可以通過軟件實(shí)現(xiàn)各種分析計算功能。(2)傳感器與執(zhí)行器傳感器感測出需要監(jiān)測控制的各種物理量并將這些物理量變?yōu)殡娦盘査偷接嬎銠C(jī)
控制系統(tǒng)的眼睛
功能
(3)用戶接口即鍵盤及顯示器等與使用者進(jìn)行信息交流的裝置
不可少的部分
，相當(dāng)于計算機(jī)控制系統(tǒng)的嘴和耳朵。大批量生產(chǎn)如圖1-1所示的控制器
，每臺成本僅幾百元。輸入、輸出接口數(shù)量列多，可存儲的數(shù)據(jù)及軟件空間更大的計算機(jī)控制器的單臺成本為幾千元，但這一類控制器的軟件寫入后無法修改，根據(jù)控制功能的要求重新編寫這樣一個軟件也是一項(xiàng)耗資很大的工程，需反復(fù)測試、檢驗(yàn)。這樣，對于批量小的被控設(shè)備或根據(jù)工程要求單獨(dú)設(shè)計組裝的裝置就無法采用這種控制器。這主要是由于：(1)當(dāng)每臺設(shè)備選擇不同的傳感器
、執(zhí)行器時，就要有相應(yīng)不同的輸入輸出程序；(2)監(jiān)測
(3)通過人一機(jī)接口與用戶對話的具體要求不同，則要求的軟件不同
。由此，需要有能夠根據(jù)具體的要求編程或修改程序的控制器
。要求這種控制器的輸入、輸出接口電路具有靈活性和通用性，從而可以方便地與有不同電信號特點(diǎn)的傳感器和執(zhí)行器連接。為了編程方便，又需要有較多的存儲空間和復(fù)雜的支撐軟件
，這就使這種通過控制器的價格較上述不可重新編程的專用控制器高出一個數(shù)量級。暖通空調(diào)領(lǐng)域一般都需要用這種可以由用戶編程的計算機(jī)控制器構(gòu)成計算機(jī)監(jiān)測控制系統(tǒng)。本文也準(zhǔn)備著重介紹這一類系統(tǒng)及其應(yīng)用。計算機(jī)技術(shù)發(fā)展中最重要的成果是數(shù)字通訊技術(shù)
。利用計算機(jī)的數(shù)字通訊技術(shù)，從80年代開始分布式系統(tǒng)的關(guān)鍵就是數(shù)字通訊網(wǎng)，它與常規(guī)儀表系統(tǒng)中的遙測遙調(diào)系統(tǒng)完全不同。遙測遙調(diào)系統(tǒng)的信號傳輸線路中傳遞的是電流或電壓量
由于分布式系統(tǒng)具有這些優(yōu)點(diǎn)
目前數(shù)字通訊已作為一個專門的重要領(lǐng)域飛速發(fā)展
數(shù)字通訊技術(shù)的不斷完善，計算機(jī)設(shè)備硬件成本的不斷降低及軟件成本的不斷升高
，導(dǎo)致新一代控制系統(tǒng)--智能傳感器、智能執(zhí)行器（smartsensor,smartactuator）的出現(xiàn)歸納本節(jié)內(nèi)容：用于暖通空調(diào)系統(tǒng)的計算機(jī)控制分為3種類型：
(1)不具備通訊功能
，不能根據(jù)具體要求改寫程序的控制器。它們可低成本大批量生產(chǎn)，用于各種定型設(shè)備的控制。(2)具備通訊功能，控制程序可根據(jù)要求編寫修改的控制器及由此構(gòu)成的分布式控制系統(tǒng)
。這是目前在暖通空調(diào)工程中應(yīng)用最廣泛的計算機(jī)控制系統(tǒng)
。(3)采用智能傳感器
、智能執(zhí)行器綜合上述各種系統(tǒng)集成方式
，計算機(jī)控制系統(tǒng)主要由如下幾部分構(gòu)成：傳感器與執(zhí)行器；控制器；通訊網(wǎng)；中央管理計算機(jī)。下面對這幾部分內(nèi)容進(jìn)行介紹。
1.2傳感器與執(zhí)行器
傳感器和執(zhí)行器是計算機(jī)控制系統(tǒng)的眼睛和手腳，離開它們就無法進(jìn)行任何監(jiān)測與控制工作
。目前盡管計算機(jī)硬件價格不斷下跌，但傳感器和執(zhí)行器的價格卻居高不下，甚至上漲。對于一套組合式空調(diào)機(jī)的控制系統(tǒng)來說，傳感器（即送、回風(fēng)及新風(fēng)三套溫濕度測量、過濾器壓差開關(guān)、表冷器水溫測量）、執(zhí)行器（三個風(fēng)閥的電動執(zhí)行器及兩個電動水閥）的成本占此控制系統(tǒng)成本的60%以上1.2.1傳感器及其變送器
傳感器感應(yīng)出所測量的物理量
，經(jīng)過變送器成為電信號送入計算機(jī)輸入通道中。根據(jù)信號形式的不同，主要與如下兩種輸入通道連接：(1)模擬量輸入通道AI(AnalogyInput)，此時變送器輸出的可以是電流信號
，例如0～10mA,也可以是電壓信號，如0～2V或0～5V。計算機(jī)的模擬量輸入通道AI一般是電壓測量通道，也就是說它可以測量出接至輸入端的電壓值。當(dāng)AI的輸入范圍為0～2V時，0～5V或0～10V的變送器輸出信號就要進(jìn)行分壓(2)開關(guān)量輸入通道DI（DigitalInput）,此時計算機(jī)只能判斷DI通道上電平高/低兩種狀態(tài)
計算機(jī)控制器的特點(diǎn)是：具有極強(qiáng)的計算功能
；直接對數(shù)字量而不是模擬量進(jìn)行處理；對現(xiàn)場調(diào)試測出的參數(shù)不易進(jìn)行調(diào)整無論是用鉑電阻還是熱敏電阻，在設(shè)計變送器時要將電阻信號變換為電流信號，同時又要避免測溫元件本身通過電流過大而造成自然現(xiàn)象
。因此要盡量減小通過測溫電阻的電流，而通過放大器將小的電流或電壓變化變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的電流信號。類似的情況還可以在一些濕度、壓力
、流量等變送器的產(chǎn)品中找到。針對計算機(jī)易于處理開關(guān)量信號的特點(diǎn)，這類變送器的輸出形式為：(1)滿量程時頻率一般為1kHz或10kHz
。當(dāng)被測量非常接近于零時，輸出頻率就接近于0，這樣使測量無法進(jìn)行。因此一般將信號輸出范圍設(shè)計成0.4～1kHz或4～10kHz。
(2)計數(shù)、變送器定時發(fā)出一串脈沖信號
，其脈沖個數(shù)與被測的物理量成正比。計算機(jī)通過對脈沖個數(shù)的計數(shù)即可得到被測物理量的數(shù)值
。(3)占空比方式。
目前開始出現(xiàn)內(nèi)部裝有單片計算機(jī)的智能傳感器
。它的輸出完全采用數(shù)字通訊標(biāo)準(zhǔn)與控制器的通訊口連接，數(shù)據(jù)傳遞方式與控制器之間的方式相同，通訊接口一般采用RS232或RS485標(biāo)準(zhǔn)（詳見通訊網(wǎng)一節(jié)）。由于內(nèi)部裝有計算機(jī)，它可以進(jìn)行全部性化轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)濾波、各種誤差修正等，實(shí)現(xiàn)真正的"智能化測量"。由于它以數(shù)字通訊方式傳遞測量結(jié)果，因此不會因干擾而產(chǎn)生誤差，處理適當(dāng)時還可實(shí)現(xiàn)長距離傳遞數(shù)據(jù)。這種一體化的傳感器與變送器代表著今后的發(fā)展方向1.2.2執(zhí)行器
暖通空調(diào)領(lǐng)域控制系統(tǒng)中的執(zhí)行器主要指風(fēng)閥、水閥
(1)開關(guān)量輸出通道DO（DigitalOutput）。它可以由控制軟件將輸出通道置成高電平或低電平
，通過驅(qū)動電路即可帶動繼電器或其他開關(guān)元件，也可以驅(qū)動指示燈顯示狀態(tài)
。(2)模擬量輸出通道AO（AnalogyOutput）.輸出的信號是0～5V
、0～10V間的電壓或0～10Ma、4～20mA間的電流。其輸出的電壓或電流的大小由控制軟件決定
。由于計算機(jī)內(nèi)部處理的信號都是開關(guān)量信號，因此這種可連接變化的模擬量信號是通過數(shù)字一模擬轉(zhuǎn)換電路（D/A）產(chǎn)生的
。各種執(zhí)行器根據(jù)其特點(diǎn)不同
交流接觸器這是啟停風(fēng)機(jī)
在設(shè)計接觸器與控制器的連接關(guān)系時
有時需要兩個接觸器控制風(fēng)機(jī)/水泵的電機(jī)在兩種不同轉(zhuǎn)速下運(yùn)行
風(fēng)閥、水閥有使用氣動執(zhí)行器和電動執(zhí)行器的兩種類型
風(fēng)閥、水閥的電動執(zhí)行器一般由一臺三相或單相電機(jī)通過機(jī)械減速系統(tǒng)與閥連接
，控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停轉(zhuǎn)，可以使閥門開大、關(guān)小或不動。機(jī)械減速系統(tǒng)還與一可變電阻器相連，這樣閥門的不同位置將使可變電阻器輸出不同電阻值，成為反映閥位狀態(tài)的電反饋信號。為了防止閥門全開后或全關(guān)后電機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，執(zhí)行器內(nèi)還在相應(yīng)位置設(shè)有限位開關(guān)計算機(jī)輸出的控制閥位的模擬量信號就是為了在比較器中與實(shí)測的閥位信號比較
，以決定電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。既然還要將閥位信號接入計算機(jī)變頻器及可控硅此類執(zhí)行器是直接對電量進(jìn)行調(diào)整
，改變供電頻率以改變風(fēng)機(jī)、水泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速或改變供電電壓以調(diào)整電加熱器加熱量。為了能與常規(guī)儀表相連，這些變頻器和可控硅調(diào)壓器產(chǎn)品一般都設(shè)計成要求電壓或電流式的輸入信號，因此
，要通過計算機(jī)控制器的模擬量輸出口AO與其相連。由于此類設(shè)備都是直接調(diào)整電網(wǎng)供電參數(shù)，一般都會產(chǎn)生很大的電干擾
隨著計算機(jī)和數(shù)字通訊技術(shù)的發(fā)展
1.3現(xiàn)場控制機(jī)
現(xiàn)場控制機(jī)是分布式計算機(jī)監(jiān)測控制系統(tǒng)的基本單元
現(xiàn)場控制機(jī)的原理性它根據(jù)程序儲存器存儲的程序，一步步執(zhí)行程序所規(guī)定的工作。這些工作包括：
(1)各種數(shù)學(xué)運(yùn)算和邏輯分析判斷
存放在數(shù)據(jù)存儲器中。
(2)從輸入接口中讀出經(jīng)過輸入接口進(jìn)行了信號轉(zhuǎn)換后的各種傳感器的輸入信號
存儲器中
數(shù)字信號
(3)根據(jù)控制要求和存于數(shù)字存儲器的分析計算結(jié)果
器的種類將這些輸出命令轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的信號形式
，使執(zhí)行器產(chǎn)生相應(yīng)的動作。(4)讀取鍵盤狀態(tài)