暖通空調(diào)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的幾點(diǎn)想法

1、暖通空調(diào)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的幾點(diǎn)想法摘要： 本文就 目前 流行的樓宇自動(dòng)化技術(shù)，談了幾點(diǎn)關(guān)于暖通空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng) 應(yīng)用 的實(shí)際 問題 。RS-485技術(shù)在控制 網(wǎng)絡(luò) 中的應(yīng)用；利用VC+技術(shù)自編監(jiān)控軟件；模糊控制與PID算法的結(jié)合應(yīng)用。 關(guān)鍵詞： RS485 面向?qū)ο?PID 模糊控制1 前言 21世紀(jì)信息化的 時(shí)代 已經(jīng)到來，以網(wǎng)絡(luò)通訊和 計(jì)算 機(jī)技術(shù)為背景的建筑智能化正是順應(yīng)這一時(shí)代潮流的必然趨勢(shì)。作為智能建筑3A系統(tǒng)之一的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)（BAS）對(duì)大樓的水電暖通等機(jī)電設(shè)備進(jìn)行集中的監(jiān)控和管理已日益成為 現(xiàn)代 建筑中必不可少的配置。下面就其中暖通空調(diào)系統(tǒng)的監(jiān)控談幾點(diǎn)看法。2 RS485網(wǎng)絡(luò) 中

2、央空調(diào)系統(tǒng)管理復(fù)雜，運(yùn)行工況多變，是建筑物能耗大戶。為此，實(shí)施BA系統(tǒng)一般將空調(diào)系統(tǒng)作為監(jiān)控的重點(diǎn)，往往投入60以上的監(jiān)控點(diǎn)和超過水電監(jiān)控投資總和的投入。但是不同廠商提供了不同功能的產(chǎn)品和系統(tǒng)，采用不同的通信協(xié)議，致使它們之間依靠網(wǎng)關(guān)和大量軟件的互聯(lián)成為高成本、低性能的解決方案。從資源的利用，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試、擴(kuò)張、更新、維護(hù)等方面來看，都給業(yè)主帶來不利。因此，目前BAS 發(fā)展 的技術(shù)趨勢(shì)是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)（FCS）。美國(guó)Echelon公司于1990年12月推出的Lonworks技術(shù)正是采用了FCS技術(shù)，這是一種開放系統(tǒng)的通用總線。它的技術(shù)核心是神經(jīng)元芯片（Neuron Chip）和LonTalk

3、協(xié)議。但對(duì)于中小型的監(jiān)控系統(tǒng)，全面采用Lonworks技術(shù)，并不具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)和完善的工程實(shí)現(xiàn)。部分采用或支持現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的產(chǎn)品在目前大量的中小型系統(tǒng)中更具有應(yīng)用性。以控制網(wǎng)絡(luò)而言，LonTalk總線在 理論 上可以組成任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。這種布線設(shè)計(jì)的隨意性，如果運(yùn)用不當(dāng)，在工程實(shí)踐中仍然是有技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的，并可能造成系統(tǒng)投資的增加。所以，中小型工程推薦運(yùn)用基于RS-485總線的控制網(wǎng)絡(luò)。該技術(shù)抗噪聲干擾性好，廣泛應(yīng)用于過程控制領(lǐng)域，技術(shù)成熟，實(shí)現(xiàn)成本也較低。在使用RS-485接口的總線時(shí)，對(duì)于特定的傳輸線路，從發(fā)生器到負(fù)載，其數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸所允許的最大電纜長(zhǎng)度是數(shù)據(jù)信號(hào)速率的函數(shù)，這個(gè)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)主要

4、是受信號(hào)失真及噪聲等 影響 所限制，兩者成反比。圖一所示的最大電纜長(zhǎng)度與信號(hào)速率的關(guān)系曲線是使用24AWG銅芯雙絞電話電纜（線徑為0.51mm），線間旁路電容為52.5PF/M，終端負(fù)載電阻為100歐時(shí)所得出。（曲線引自GB11014-89附錄A）。由圖中可知，當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)速率降低到90Kbit/S以下時(shí)，假定最大允許的信號(hào)損失為6dBV時(shí)， 則電纜長(zhǎng)度可達(dá)1200m。實(shí)際上，圖中的曲線是很保守的，在實(shí)際使用時(shí)是完全可以取得比它大的電纜長(zhǎng)度。圖一 電纜長(zhǎng)度與信號(hào)速率的關(guān)系曲線對(duì)于總線上的連接點(diǎn)的問題，根據(jù)規(guī)定，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RS-485接口的輸入阻抗為12k，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為32。為適應(yīng)更多節(jié)點(diǎn)

5、的通信場(chǎng)合，有些芯片的輸入阻抗設(shè)計(jì)成1/2負(fù)載（24k）、1/4負(fù)載（48k）、甚至1/8負(fù)載（96k），相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)可增加到64、128和256。下表為一些常見芯片的可連接節(jié)點(diǎn)數(shù)。節(jié)點(diǎn)數(shù) 型 號(hào) 32 SN75176，SN75276，SN75179，SN75180，MAX485，MAX488，MAX490 64 SN75LBC184 128 MAX487，MAX1487 256 MAX1482，MAX1483，MAX3080MAX3089 這樣RS-485接口在總線上允許連接多達(dá)256個(gè)收發(fā)器。即具有多站能力,便于我們方便的利用單一的RS-485接口方便地建立起連接若干個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)

6、。以暖通空調(diào)系統(tǒng)典型的溫控來說，每個(gè)節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)控制器，可掛接多片溫度傳感器，以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)，距離在2050m。從監(jiān)控范圍和監(jiān)控對(duì)象來說，足以滿足一般中小型暖通空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)的要求。對(duì)于更大范圍的系統(tǒng)來說，也可通過在RS-485總線加裝中繼器來實(shí)現(xiàn)。3 系統(tǒng)軟件 從系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)來看，由組態(tài)軟件進(jìn)行二次設(shè)計(jì)，一定程度上可以縮短開發(fā)周期。目前樓宇設(shè)備控制組態(tài)軟件市場(chǎng)為Johnson Controls，Simens，Honeywell等幾家公司所主宰。這些軟件功能豐富，借助其完善的樓宇自控硬件設(shè)備，占有絕大部分的市場(chǎng)份額。但存在著硬件設(shè)備要求較高的問題，出于對(duì)內(nèi)嵌的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（I/O Server

7、）,及被處理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等原因的考慮，一般需要配用其專用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。而且它的一些核心技術(shù)封裝在模塊中，非廠家專業(yè)人員很難進(jìn)行維護(hù)、調(diào)試。對(duì)于大量的中小型空調(diào)系統(tǒng)來說，其價(jià)格成本也較高。 所以借鑒組態(tài)軟件面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，以實(shí)際系統(tǒng)中與各硬件直接相關(guān)的各控制量為對(duì)象名，作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。軟件系統(tǒng)則以與控制量映射的對(duì)象名作為各種操作的對(duì)象，通過對(duì)對(duì)象名的屬性和值進(jìn)行定義、賦值來實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)的狀態(tài)變化。在此核心思想的基礎(chǔ)上，以Windows為平臺(tái)，VC+作為開發(fā)工具，建立CobjectName(對(duì)象名信息類)，包括AI型、AO型、DI型、DO型四類，每一個(gè)類中包括控制量的屬性和相關(guān)信息；CtreeV

8、iew（樹形顯示類），幫助建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；Ccomm(串行通信類)，實(shí)現(xiàn)RS-485總線上多機(jī)系統(tǒng)之間的通信功能，包括創(chuàng)建、初始化、讀寫、關(guān)閉等操作；CODBCRecord(數(shù)據(jù)記錄類)，實(shí)現(xiàn)重要運(yùn)行參數(shù)的保存，及相關(guān)查詢更新操作；CalarmError(故障記錄報(bào)警類)，對(duì)參數(shù)值超過設(shè)定上下限的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀況進(jìn)行提示。整個(gè)軟件系統(tǒng)則分為三個(gè)功能模塊：設(shè)置模塊，定義各硬件地址，IO口對(duì)象名等；界面模塊，建立人機(jī)對(duì)話界面；后臺(tái)模塊，控制硬件采集、傳輸現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，及相關(guān)操作。由于該軟件系統(tǒng)基于面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，使得它的穩(wěn)定、高效、及維護(hù)、擴(kuò)展等性能得到了保證。4 控制算法 對(duì)于中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)來說，傳

9、統(tǒng)的控制器多為PID控制算法。即，以設(shè)定值w與實(shí)際輸出值y構(gòu)成的控制偏差e(e=w-y)的比例，積分，微分通過線性組合構(gòu)成控制量式中：K p 是比例系數(shù)，T i 為積分時(shí)間，T d 為微分時(shí)間。在控制器中改寫成差分形式，在采樣時(shí)刻t=iT(T為采樣周期)時(shí)： 采用增量形式：這樣只要保存近兩個(gè)控制周期的輸出值u i 、u i-1 ，和近三個(gè)控制周期的偏差e i 、e i-1 、e i-2 就可以了。由于具有積分環(huán)節(jié)，PID控制器可消除穩(wěn)態(tài)誤差，在工作點(diǎn)附近有較好的穩(wěn)態(tài)精度。但對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)特有的大慣性、純滯后、時(shí)變等特點(diǎn)，單純的PID調(diào)節(jié)，會(huì)存在積分飽和現(xiàn)象，使系統(tǒng)超調(diào)較大，延長(zhǎng)了過渡過程。而如果

10、簡(jiǎn)單的采用高PID系數(shù)，雖然可以縮短過渡過程，但容易使控制失穩(wěn)，而導(dǎo)致室溫振蕩。所以，利用雙回路控制，在較大偏差下利用模糊控制，屏蔽積分作用，實(shí)時(shí)整定PID系數(shù)，以改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，成為高精度空調(diào)控制系統(tǒng)的考慮。信號(hào)處理流程如圖二所示。首先，確定控制規(guī)則：IFe i ANDé i THEN K其中e i 、é i 為誤差e、誤差變化率é的模糊變量集合，K為比例控制系數(shù)K P 、積分控制系數(shù)K I 、和微分控制系數(shù)K D 的集合。然后，建立模糊變量集合和模糊控制規(guī)則表，以明確輸出的模糊量。5 結(jié)論 隨著 社會(huì) 經(jīng)濟(jì) 的 發(fā)展 ，空調(diào)系統(tǒng)的舒適性和節(jié)能性對(duì)系統(tǒng)的控制提出了更高的要求。計(jì)算 機(jī)及 網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)逐步要求或被要求進(jìn)入暖通行業(yè)，對(duì)這方面 內(nèi)容 的 研究 必將促進(jìn)暖通行業(yè)新的發(fā)展。參考 文獻(xiàn) 1 王學(xué)慧 微機(jī)模糊控制 理論 及其 應(yīng)用 .北京: 電子 工業(yè) 出版社,19872 江億 暖