暖通空調數據管理論文

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摘要：本文就目前流行的樓宇自動化技術，談了幾點關于暖通空調監控系統應用的實際問題。RS-485技術在控制網絡中的應用；利用VC++技術自編監控軟件；模糊控制與PID算法的結合應用。

關鍵詞：RS485面向對象PID模糊控制

1前言

21世紀信息化的時代已經到來，以網絡通訊和計算機技術為背景的建筑智能化正是順應這一時代潮流的必然趨勢。作為智能建筑3A系統之一的樓宇自動化系統（BAS）對大樓的水電暖通等機電設備進行集中的監控和管理已日益成為現代建筑中必不可少的配置。

下面就其中暖通空調系統的監控談幾點看法。

2RS485網絡

中央空調系統管理復雜，運行工況多變，是建筑物能耗大戶。為此，實施BA系統一般將空調系統作為監控的重點，往往投入60％以上的監控點和超過水電監控投資總和的投入。

但是不同廠商提供了不同功能的產品和系統，采用不同的通信協議，致使它們之間依靠網關和大量軟件的互聯成為高成本、低性能的解決方案。從資源的利用，系統的設計、調試、擴張、更新、維護等方面來看，都給業主帶來不利。

因此，目前BAS發展的技術趨勢是現場總線技術（FCS）。美國Echelon公司于1990年12月推出的Lonworks技術正是采用了FCS技術，這是一種開放系統的通用總線。它的技術核心是神經元芯片（NeuronChip）和LonTalk協議。但對于中小型的監控系統，全面采用Lonworks技術，并不具有技術優勢和完善的工程實現。部分采用或支持現場總線技術的產品在目前大量的中小型系統中更具有應用性。

以控制網絡而言，LonTalk總線在理論上可以組成任意拓撲結構的網絡。這種布線設計的隨意性，如果運用不當，在工程實踐中仍然是有技術風險的，并可能造成系統投資的增加。所以，中小型工程推薦運用基于RS-485總線的控制網絡。該技術抗噪聲干擾性好，廣泛應用于過程控制領域，技術成熟，實現成本也較低。

在使用RS-485接口的總線時，對于特定的傳輸線路，從發生器到負載，其數據信號傳輸所允許的最大電纜長度是數據信號速率的函數，這個長度數據主要是受信號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度與信號速率的關系曲線是使用24AWG銅芯雙絞電話電纜（線徑為0.51mm），線間旁路電容為52.5PF/M，終端負載電阻為100歐時所得出。（曲線引自GB11014-89附錄A）。由圖中可知，當數據信號速率降低到90Kbit/S以下時，假定最大允許的信號損失為6dBV時，則電纜長度可達1200m。實際上，圖中的曲線是很保守的，在實際使用時是完全可以取得比它大的電纜長度。

圖一電纜長度與信號速率的關系曲線

對于總線上的連接點的問題，根據規定，每個標準RS-485接口的輸入阻抗為≥12kΩ，相應的標準驅動節點數為32。為適應更多節點的通信場合，有些芯片的輸入阻抗設計成1/2負載（≥24kΩ）、1/4負載（≥48kΩ）、甚至1/8負載（≥96kΩ），相應的節點數可增加到64、128和256。

下表為一些常見芯片的可連接節點數。

節點數

型號

32

SN75176，SN75276，SN75179，SN75180，MAX485，MAX488，MAX490

64

SN75LBC184

128

MAX487，MAX1487

256

MAX1482，MAX1483，MAX3080～MAX3089

這樣RS-485接口在總線上允許連接多達256個收發器。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現場控制子系統的網絡。

以暖通空調系統典型的溫控來說，每個節點現場控制器，可掛接多片溫度傳感器，以實現多點溫度監測，距離在20~50m。從監控范圍和監控對象來說，足以滿足一般中小型暖通空調監控系統的要求。對于更大范圍的系統來說，也可通過在RS-485總線加裝中繼器來實現。

3系統軟件

從系統軟件的設計來看，由組態軟件進行二次設計，一定程度上可以縮短開發周期。目前樓宇設備控制組態軟件市場為JohnsonControl′s，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備，占有絕大部分的市場份額。但存在著硬件設備要求較高的問題，出于對內嵌的設備驅動程序（I/OServer）,及被處理數據結構等原因的考慮，一般需要配用其專用的網絡設備。而且它的一些核心技術封裝在模塊中，非廠家專業人員很難進行維護、調試。對于大量的中小型空調系統來說，其價格成本也較高。

所以借鑒組態軟件面向對象的設計思想，以實際系統中與各硬件直接相關的各控制量為對象名，作為系統設計的核心。軟件系統則以與控制量映射的對象名作為各種操作的對象，通過對對象名的屬性和值進行定義、賦值來實現硬件系統的狀態變化。

在此核心思想的基礎上，以Windows為平臺，VC++作為開發工具，建立①CobjectName(對象名信息類)，包括AI型、AO型、DI型、DO型四類，每一個類中包括控制量的屬性和相關信息；②CtreeView（樹形顯示類），幫助建立系統結構；③Ccomm(串行通信類)，實現RS-485總線上多機系統之間的通信功能，包括創建、初始化、讀寫、關閉等操作；④CODBCRecord(數據記錄類)，實現重要運行參數的保存，及相關查詢更新操作；⑤CalarmError(故障記錄報警類)，對參數值超過設定上下限的現場運行狀況進行提示。

整個軟件系統則分為三個功能模塊：①設置模塊，定義各硬件地址，IO口對象名等；②界面模塊，建立人機對話界面；③后臺模塊，控制硬件采集、傳輸現場數據，及相關操作。

由于該軟件系統基于面向對象的設計思想，使得它的穩定、高效、及維護、擴展等性能得到了保證。

4控制算法

對于中央空調監控系統來說，傳統的控制器多為PID控制算法。即，以設定值w與實際

輸出值y構成的控制偏差e(e=w-y)的比例，積分，微分通過線性組合構成控制量

式中：Kp是比例系數，Ti為積分時間，Td為微分時間。

在控制器中改寫成差分形式，在采樣時刻t=iT(T為采樣周期)時：

采用增量形式：

這樣只要保存近兩個控制周期的輸出值ui、ui-1，和近三個控制周期的偏差ei、ei-1、ei-2就可以了。

由于具有積分環節，PID控制器可消除穩態誤差，在工作點附近有較好的穩態精度。但對于空調系統特有的大慣性、純滯后、時變等特點，單純的PID調節，會存在積分飽和現象，使系統超調較大，延長了過渡過程。而如果簡單的采用高PID系數，雖然可以縮短過渡過程，但容易使控制失穩，而導致室溫振蕩。

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，實時整定PID系數，以改善系統動態性能，成為高精度空調控制系統的考慮。信號處理流程如圖二所示。

首先，確定控制規則：

IF｛ei｝AND｛éi｝THEN｛K｝

其中｛ei｝、｛éi｝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KP、積分控制系數KI、和微分控制系數KD的集合。

然后，建立模糊變量集合和模糊控制規則表，以明確輸出的模糊量。

5結論

隨著社會經濟的發展，空調系統的舒適性和節能性對系統的控制提出了更高的要求。

計算機及網絡技術的發展已經逐步要求或被要求進入暖通行業，對這方面內容的研究必將促進暖通行業新的發展。

參考文獻

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4霍振龍RS-485總線在多機通信系統中的應用,工礦自動化,2002年第3期

5龍馬工作室VisualC++6.0程序設計學與用教程,機械工業出版社,2003-05-01