暖通空调系统的计算机控制管理.pdf

筑龙网 WWW.ZHULONG.COM 筑龙网 WWW.ZHULONG.COM 暖通空调系统的计算机控制管理暖通空调系统的计算机控制管理 江亿教授 目 录目 录 第一讲 计算机监测控制系统第二讲 空调系统的监测控制第三讲 冷热源及水系统的监测控制第四讲 建筑设备自动化系统第五讲 供暖系统的计算机监控管理第六讲 计算机在暖通空调工程中的应用实例筑龙网 暖通空调系统的计算机控制管理 暖通空调系统的计算机控制管理 第1讲 计算机监测控制系统第1讲 计算机监测控制系统 清华大学 江亿 Computer aided monitoring and control system in HVAC(Part 1):Computer aided monitoring and control system Computer aided monitoring and control system in HVAC(Part 1):Computer aided monitoring and control system By Jiang Yi 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编者按编者按 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。图1-1为最简单的窗式空调器的计算机控制器。图中单片计算机是仅由一块集成电路芯片构成的控制用计算机，只要外接晶体振子（图1-1中的M）、直流5V电源及很简单的启动电路即成为一台计算机，可按照预先在芯片中写入的程序，进行测量与控制工作。房间温度由图1-1中热敏度电阻Rt测出，其电阻值随房间温度而变化。温度变送器进一步将电阻信号变为02V电压信号，接到单片计算机的模拟量输入口AI1处（这实际对应着单片机芯片的一个管脚），此信号即可被单片机读出，通过软件将此电压信号换算成温度数值。单片机的一个开关量输出DO1（Digital Output）可以根据软件命令成为高于2.4V的高电平或低于0.4V的低电平。当软件将此管脚的电压置为高电平时，晶体管T1导通，使继电器J1吸合，从而使J1的触头接通，压缩机通电，开始制冷。当软件命令将DO1管脚置于低电平时，晶体管T1截止，J1释放，压缩机断电。同样，另外两个开关量输出口DO2、DO3通过晶体管T2、T3可控制继电器J2、J3，使风机处于高速、低速或停止的状态。220V电源变压器上分出一路参考电压通过二极管D整流后送入另一个模拟量通道AI2，从而计算机可得到电网电压的信息，发现电压过高或过低时，可及时停止压缩机运行，进行保护。图1-1中单片机右侧有5个发光二极管分别与单片机DO4DO8开关量输出管脚连接。软件可将这5个开关量输出口分别设为高电平或低电平，从而使这些发光二极管亮或灭，以表示计算机和空调系统所处的工作状态。图1-1中的DI1DI4为单片机的开关量输入管脚。当按键K1K4导通时，相应管脚的电平就会从低转为高，软件读出这些管脚的电平高低状态，就可知使用者按键状态。单片计算机是一台完整的计算机，它的内部有数据存储器（存放数据）、筑龙网 程序存储器（存放预先编制的软件（程序）及内部时钟（可提供准确的时间）。单片机还具有各种逻辑分析与数值计算功能，并能读出输入管脚上的模拟信号数值（电压高低）和开关量状态（高或低电平），按照要求向输出管脚上输出模拟信号（可连续变化的电压）或开关信号（高或低电平）。仔细地设计软件，可以使图1-1所示的空调器的控制器实现多种控制和管理功能，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AI1脚测出的温度比较，确定压缩机的启停；-用户可通过K1K4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。图1-1 窗式空调器的单片机控制器 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。图1-1中的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；筑龙网 (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。图1-2是一个建筑物内用分布式计算机系统控制管理各台空调机组及冷冻站的实例。图1-2 分布式计算机控制系统 图1-2中K1K5是5台空调机的控制器，它们可与被控制的空调机组一起安装在各个楼层，R1、R2分别控制热交换站和冷冻站，它们可安装地下层的热交换站及冷冻站内；C为中央控制机，安装在中央控制室。由一对双绞线可以将这8台控制设备连在一起，构成数据通讯网，实现这8台计算机间的信息传递。控制每台空调机的控制器可测量与该台空调有关的送回风、新风和房间空气的温湿度以及各风阀、水阀的开度，通过分析计算，发出命令控制调整各个阀门。所有这些温湿度及开度的测量信息及控制命令又定时通过通讯网传递到中央控制机C，中央控制机C可将接受到的各空调机、换热站和冷冻站送来的运行参数在屏幕上显示，打印报表，或存贮在硬盘存贮器中供以后任何时间查询。中央控制机还可以根据要求，通过通讯网向所连接的控制器发出命令，修改控制器内温湿度设定参数，或通过相应的控制器启停风机和调整阀门。这种分布式系统将许多台计算机联合起来，共同承担监测与控制管理的工作，所连接的每一台计算机既可以独立进行监测和控制工作，又可以在中央控制机指导下工作，还可以与其他计算机协调交换信息，共同完成某控制任务。这样它的灵活性、可靠性要远高于单台控制器。由于所有的运行参数都可以在中央控制机上显示和控制，因此使用人员只需要操作中央控制机，在正常情况下不再需要直接操作通讯网上的其他控制器，这样极大地方便了系统管理。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，图1-3为这种新型控制系统示例。与一般的控制器相比，它的可靠性更高，系统组态更为灵活，控制器内的软件容易编制和修改，系统安装调试也简单。这种系统的发展是以通讯技术的不断完善和硬件成本的不断降低为前提的。随着计算机技术的不断发展，这种新型系统的成本将逐渐低于目前的控制器与传感 筑龙网 器、执行器，而可靠性、灵活性则远超过当前的计算机系统。图1-3 采用智能化传感器和执行器的控制系统 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010mA,也可以是电压信号，如02V或05V。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02V时，05V或010V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。筑龙网 图1-4 变送器与AI口的连接 (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1k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。图1-5开关型传感器的连接方法 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。表1-1 几种温度传感器的主要特点 传感器类型 灵敏度 一致性 线性 铂电阻 铜电阻 热敏电阻 热电偶 PN结器件 差 差 好 差 好 最好 好 好 好 好 好 中 差 中 好 筑龙网 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。图1-6 模拟量型变送器的测温过程 图1-6为此信号变换过程的原理框图。表示温度的电阻信号经过了放大、电压/电流转换、A/D转换三个环节才最终成为计算机可直接处理的数字量。既然计算机善于处理开关型信号，为何不直接将电阻信息变为脉冲信号送入计算机而避免这许多转换环节呢？按此思路近年来出现过许多专门用于计算机的温度变送器。图1-7 脉冲输出的温度变送器 图1-7为RH型温度变送器，它以配对式热敏电阻为传感器元件，不一致性小于0.1。上电后5V电源经标准电阻R和二极管D1向电容C充电。此时555电路3脚为低电平，7脚为高电平，故二极管D2截止。当电容C上的电压逐渐升高到2/3电源电压时，555翻转，脚3成为高电平，脚7变低。此时D1截止D2导通，电容C通过D2、热敏电阻Rt向脚7放电。当电容C的电压降到1/3电源电压后，555的脚3、7重新翻转，又开始了下一个充放电过程，这样脚3输出的是如图1-7所示的方波，其高电平宽度T1与热敏电阻阻值Rt、电容C及电源电压成正比，低电平宽度T2与标准电阻R、电容C及电源电压成正比。于是测出T1、T2的宽度即可计算出热敏电阻的阻值为：，由此即可由Rt值求出被测温度。由于此电路是交替用标准电阻R和特测电阻Rt对电容C进行充放电，因此即使电容C的容量随环境温度变化，电源电压由于各种原因变化，都只能使T1、T2值变化却不会改变T1与T2之比，因此不会影响最终对热敏电阻阻值的测量。同时热敏电阻Rt仅在其测量周期T1内有电流通过，适当调整R的阻值，就可以缩短Rt的通电周期，从而减少其自然热现象。此温度变送器的输出信号可直接接入控制器的DI通道，由此避免了图1-6所示的A/D、V/I等一系列信号转换环节，即减少了各转换环节可能带来的误差，也降低了成本。采用低温度系数的标准电阻作为R，图1-7线路对温度的最终测量转换和计算误差可控制在0.15。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0.41kHz或410kHz。(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，如上面讨论的温度测量线路图1-7。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05V、010V间的电压或010Ma、420mA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。筑龙网 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。图1-8为用两个DO输出通道控制两个作为测量反馈信号的DI输入通道控制两个接触器，以实现一台风机的三相电机以四级或六级方式两转速运行的例子。图1-8 用两个DO口和两个DI口控制双速电机 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00.1Mpa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05V，010V的电压信号还是010mA或420mA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05V，010V电压或010mA,420mA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。图1-9 常规的电动执行器控制原理图 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。既然还要将筑龙网 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（见图1-10），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。图1-10 直接用开关量输出控制电动执行器 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。（本讲未完，待续）筑龙网 暖通空调系统的计算机控制管理暖通空调系统的计算机控制管理 第1讲 计算机监测控制系统(续)第1讲 计算机监测控制系统(续)清华大学 江亿 1.3 现场控制机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。图1-11 现场控制机原理框图 图1-11为一般的现场控制机的原理性结构框图。图的中心框CPU（Central Processing Unit）即中央控制处理单元，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，实现测筑龙网 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。13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10241024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