暖通空調(diào)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制管理(1)

　　提要介紹計(jì)算機(jī)監(jiān)測控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成，控制器種類，與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)適應(yīng)的傳感器和執(zhí)行器，計(jì)算機(jī)數(shù)字通訊網(wǎng)，控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)方案，以及常用的支撐軟件形式。在介紹現(xiàn)有技術(shù)狀況的同時(shí)，簡要回顧了歷史發(fā)展過程并展望了未來。

　　關(guān)鍵詞計(jì)算機(jī)，監(jiān)測，控制，系統(tǒng)，數(shù)字通訊，支撐軟件

　　AbstractDelineatesitsfundamentalcomposition,typesofthesystem,thecommunicationnetworksoftwareconfigurationandthesystemarchitecture.Reviewsthehistoryinthistechnicalareaandforeseesitsfuture.

　　KeywordsComputer,monitoring,control,system,digitcommunication,supportsoftware

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　　編者按近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和硬件成本的持續(xù)下降，計(jì)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(gè)重要方面，就是利用計(jì)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(jì)算機(jī)為核心的智能控制器。大量空調(diào)、供熱系統(tǒng)開始使用計(jì)算機(jī)監(jiān)測、控制系統(tǒng)。隨著樓宇自動化的發(fā)展，對建筑設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行全面計(jì)算機(jī)管理的智能大廈等也開始增多。妥善地運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)于暖通空調(diào)系統(tǒng)的控制管理中，可以有效地改善系統(tǒng)運(yùn)行品質(zhì)，節(jié)省運(yùn)行能耗，提高管理水平，并減少運(yùn)行管理勞動強(qiáng)度，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，這在國內(nèi)許多工程中都已得到證實(shí)。然而不恰當(dāng)?shù)厥褂糜?jì)算機(jī)，盲目地上計(jì)算機(jī)控制項(xiàng)目，也會因投資多，收效差而造成很大浪費(fèi)，這樣的工程實(shí)例并非罕見。經(jīng)驗(yàn)表明，只有根據(jù)暖通空調(diào)工藝過程要求，結(jié)合實(shí)際的需求情況，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)技術(shù)的特點(diǎn)，恰當(dāng)?shù)卮_定系統(tǒng)功能，明確主要需解決的問題，才能收到投資少、效益高的效果。為做到這點(diǎn)，需要暖通空調(diào)專業(yè)人員了解計(jì)算機(jī)的原理、特點(diǎn)，與計(jì)算機(jī)專業(yè)人員真正溝通，從而相互配合，確實(shí)用計(jì)算機(jī)解決暖通空調(diào)中關(guān)鍵問題。為配合這一需要，并根據(jù)廣大讀者的要求，本刊組織了這一系列講座。物約本刊編委清華大學(xué)江億教授撰稿，分6講授課：首先介紹有關(guān)計(jì)算機(jī)硬件、軟件和通訊網(wǎng)的基本知識，然后分別介紹計(jì)算機(jī)技術(shù)在空調(diào)、供熱、制冷等具體工程中應(yīng)用的主要特點(diǎn)，最后一講介紹一些已完成的工程實(shí)例及其運(yùn)行結(jié)果。希望本講座能對我國暖通空調(diào)領(lǐng)域計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制管理工作起到一定的促進(jìn)作用。歡迎廣大讀者將意見、看法及時(shí)反饋本刊編輯部或講座作者，以使我們及時(shí)修改完善續(xù)各講的內(nèi)容，更好地滿足廣大讀者的需求。

　　1.1什么是計(jì)算機(jī)控制

　　計(jì)算機(jī)監(jiān)測控制系統(tǒng)就是以計(jì)算機(jī)為核心部分的監(jiān)測控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)監(jiān)測控制系統(tǒng)又稱DDC（DirectDigitialControl）系統(tǒng)，即直接控制系統(tǒng)，它對測量數(shù)據(jù)的處理以及控制算法都是以數(shù)字計(jì)算為基礎(chǔ)，通過軟件實(shí)現(xiàn)的。這是20多年來監(jiān)測控制系統(tǒng)從常規(guī)模擬儀表向計(jì)算機(jī)逐漸過渡的結(jié)果。如：

　　--用戶可通過K1～K4鍵輸入要求的房間溫度，單片計(jì)算機(jī)將此溫度與AI1腳測出的溫度比較，確定壓縮機(jī)的啟停；

　　--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(jì)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(shí)間，使單片機(jī)按時(shí)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，房間溫度是否超出設(shè)定值，空調(diào)機(jī)是否處在停機(jī)狀態(tài)等信息通過顯示燈D1～D5顯示：

　　--當(dāng)電源電壓過低或過高，停止壓縮機(jī)以實(shí)現(xiàn)保護(hù)。同時(shí)通過顯示燈顯示報(bào)警。

　　到底實(shí)現(xiàn)哪些功能，怎樣實(shí)現(xiàn)這些功能完全由軟件決定。軟件是預(yù)先根據(jù)此窗式空調(diào)器的運(yùn)行和管理要求精心編制的，經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)無誤后，再寫入單片計(jì)算機(jī)中。目前，具有上述功能的單片機(jī)若由芯片生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)芯片時(shí)直接將要求的軟件寫入，當(dāng)批量大時(shí)，每片售價(jià)僅為1美元左右；而由軟件開發(fā)人員個(gè)別一次性寫入程序且不能再改的單片機(jī)每片約為2至4美元。

　　這就是最簡單的計(jì)算機(jī)控制器實(shí)例。將它與常規(guī)的雙金屬片或相變液體式溫控器相比，可看出計(jì)算機(jī)控制器有如下特

　　點(diǎn)：

　　(1)計(jì)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，而常規(guī)儀表是由電子邏輯電路或其它直接機(jī)械硬件邏輯

　　實(shí)現(xiàn)，這就是為什么計(jì)算機(jī)控制又稱DDC的原因?？刂乒芾砉δ苁怯绍浖€是由硬件實(shí)現(xiàn)，是計(jì)算機(jī)與常規(guī)儀表控制的

　　主要區(qū)別。

　　(2)計(jì)算機(jī)控制是將各種輸入信號都直接接到計(jì)算機(jī)輸入口上，通過軟件進(jìn)行統(tǒng)一的計(jì)算分析后，再將其結(jié)果送到各有

　　關(guān)的輸出口上，實(shí)現(xiàn)各種控制保護(hù)管理功能。而不是象常規(guī)儀表控制器那樣由各自獨(dú)立的一對一的單回路控制或保護(hù)

　　電路構(gòu)成。這樣，采用計(jì)算機(jī)控制器就有可能全面考慮被控對象的各種參數(shù)，對其進(jìn)行統(tǒng)一的系統(tǒng)性的控制、保護(hù)及

　　管理。

　　(3)計(jì)算機(jī)控制器可通過按鍵、顯示燈等輸入輸出器件建立與使用者間的聯(lián)系。由于這些按鍵及顯示燈是與計(jì)算機(jī)相連

　　的，因此可根據(jù)要求通過它們實(shí)現(xiàn)使用者與計(jì)算機(jī)間的各種信息交流，每個(gè)鍵和每個(gè)顯示燈在不同狀態(tài)下均可表示不

　　同內(nèi)容，完全不同于具有固定意義的常規(guī)儀表中的開關(guān)及顯示燈。計(jì)算機(jī)的這一特點(diǎn)使其可以實(shí)現(xiàn)與使用者間的信息

　　交流，根據(jù)要求實(shí)施大量的管理功能，這是常規(guī)儀表所遠(yuǎn)不能及的。

　　這種單片計(jì)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，性能不斷提高，價(jià)格持續(xù)下降，應(yīng)用日廣泛。據(jù)說平均每個(gè)美國人一天內(nèi)接觸到的單片機(jī)的數(shù)量要多于他所接觸到的人的數(shù)量。目前，房間空調(diào)、電冰箱、洗衣機(jī)等家電產(chǎn)品中已廣泛應(yīng)用了這類單片機(jī)控制器，各種冷水機(jī)組、空調(diào)機(jī)組也陸續(xù)開始使用這類單片機(jī)計(jì)算機(jī)構(gòu)成的控制器?？磥碓谶@一領(lǐng)域中，常規(guī)儀表遲早會被淘汰。

　　單片計(jì)算機(jī)控制器由三部分構(gòu)成：

　　(1)單片計(jì)算機(jī)本身它是計(jì)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(jì)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?jì)算機(jī)，它相當(dāng)于計(jì)算機(jī)

　　控制系統(tǒng)的眼睛。執(zhí)行器指可由計(jì)算機(jī)直接控制的各種開關(guān)的閥。計(jì)算機(jī)通過開關(guān)和調(diào)整這些執(zhí)行器來具體實(shí)現(xiàn)控制

　　功能。執(zhí)行器相當(dāng)于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的手和腳。

　　(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。它使人一機(jī)對話成為可能，是管理和維護(hù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必

　　不可少的部分，相當(dāng)于計(jì)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(jì)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(gè)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(jì)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(shí)，就要有相應(yīng)不同的輸入輸出程序；

　　(2)監(jiān)測、控制要求中即使有微小的差別，也需要對軟件做相應(yīng)修改；

　　(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(jià)格較上述不可重新編程的專用控制器高出一個(gè)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(jì)算機(jī)控制器構(gòu)成計(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)的數(shù)字通訊技術(shù)，從80年代開始，暖通空調(diào)領(lǐng)域就逐漸開始使用由多個(gè)計(jì)算機(jī)控制器和數(shù)字通訊網(wǎng)構(gòu)成的分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)測控制系統(tǒng)。

　　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，電流或電壓的高低代表所傳輸?shù)奈锢砹康拇笮?。每對異線或每個(gè)信道只能傳輸一個(gè)物理參數(shù)（有時(shí)通過開關(guān)轉(zhuǎn)換去實(shí)現(xiàn)多個(gè)物理參數(shù)的傳遞），被傳遞的物理參數(shù)（如某個(gè)溫度）的A變化都將毫無延遲地傳遞到另一方。在計(jì)算機(jī)數(shù)字通訊中，傳輸線路中傳遞的是以高低電平形式出現(xiàn)的0，1數(shù)字，由這些0，1二進(jìn)制數(shù)構(gòu)成所傳遞的信息。這樣一對導(dǎo)線可以傳遞任意多個(gè)物理參數(shù)，但每個(gè)參數(shù)是按一定的時(shí)間間隔一次次發(fā)出的。參數(shù)個(gè)數(shù)愈多，每個(gè)參數(shù)每次傳遞的時(shí)間間隔就愈長。因此物理參數(shù)的變化并不是毫無延遲地傳遞至另一方，而只能按時(shí)間間隔將各采樣時(shí)刻的物理參數(shù)值送出。常規(guī)儀表輸送線路上的電流、電壓信號由于線路的干擾和衰減，使接收到的數(shù)據(jù)有所變化。而數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)的0，1信號不會由于地線路衰減而變化，即使由于線路干擾造成誤碼，也能經(jīng)過糾錯(cuò)算法得以糾正或剔除，因此是無任何誤差的信息傳遞。

　　由于分布式系統(tǒng)具有這些優(yōu)點(diǎn)，在暖通空調(diào)及建筑樓宇自動化系統(tǒng)中被廣泛地采用。計(jì)算機(jī)控制器能否通訊，能在哪種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下按照哪種通訊協(xié)議進(jìn)行通訊，成為判別計(jì)算機(jī)控制器性能的重要指標(biāo)。分布式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、任務(wù)分解、通訊方式等成為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的主要內(nèi)容。圖1-2所示僅為最簡單的分布式系統(tǒng)。根據(jù)控制和管理要求，實(shí)際通訊網(wǎng)可分為若干級，通訊介質(zhì)也可以是光纖、同軸電纜、雙絞線或借用電話線及無線電通訊。系統(tǒng)跨越的范圍遠(yuǎn)不止一座建筑物，目前已可以在一個(gè)建筑小區(qū)內(nèi)，一個(gè)城市內(nèi)乃至幾個(gè)城市間實(shí)現(xiàn)長距離的通訊和綜合的控制管理。

　　目前數(shù)字通訊已作為一個(gè)專門的重要領(lǐng)域飛速發(fā)展，成為信息革命的支柱技術(shù)。分布式控制系統(tǒng)的通訊網(wǎng)與高速信息通訊網(wǎng)搭接，使控制系統(tǒng)所涉及的暖通空調(diào)及建筑管理信息成為高速信息網(wǎng)所管理的信息的一部分，按照同樣的方式來傳遞和管理這睦信息，已成為目前發(fā)展趨勢。

　　數(shù)字通訊技術(shù)的不斷完善，計(jì)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)。智能傳感器是將單片計(jì)算機(jī)與傳感器、變送器做在一起，直接通過數(shù)字通訊方式發(fā)送所測出的物理參數(shù)。智能執(zhí)行器則是將計(jì)算機(jī)與傳感器變送器做在一起，直接通過數(shù)字通訊方式發(fā)送所測出的物理參數(shù)。智能招待器則是將計(jì)算機(jī)與執(zhí)行器的機(jī)械裝置、驅(qū)動控制及保護(hù)裝置做在一起，可使其直接接受以數(shù)字通訊方式發(fā)來的命令，同時(shí)還可將執(zhí)行結(jié)果及故障狀況以數(shù)字通訊方式發(fā)出。這樣的智能傳感器、執(zhí)行器可以實(shí)現(xiàn)低成本大批量生產(chǎn)。采用這種智能裝置，可直接通過通訊網(wǎng)與控制器連接?？刂破鞑辉傩枰魏屋斎?、輸出接口，只需要與各智能傳感器、執(zhí)行器通訊，與其他控制器通訊，并進(jìn)行計(jì)算分析，以發(fā)送控制命令.

　　歸納本節(jié)內(nèi)容：用于暖通空調(diào)系統(tǒng)的計(jì)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

　　(3)采用智能傳感器、智能執(zhí)行器，用通訊網(wǎng)將它們及控制器連在一起的新型控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)較好地解決了專用性與靈活性這一矛盾，將是今后的發(fā)展方向。

　　綜合上述各種系統(tǒng)集成方式，計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)硬件價(jià)格不斷下跌，但傳感器和執(zhí)行器的價(jià)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(gè)風(fēng)閥的電動執(zhí)行器及兩個(gè)電動水閥）的成本占此控制系統(tǒng)成本的60%以上，并且，目前計(jì)算機(jī)監(jiān)測控制系統(tǒng)中故障率最高的也是傳感器和執(zhí)行器，它們約占故障總數(shù)70%以上。因此全面了解傳感器和執(zhí)行器性能，根據(jù)需要恰當(dāng)?shù)剡x用并正確地使用和維護(hù)它們，對于構(gòu)成經(jīng)濟(jì)可靠的計(jì)算機(jī)監(jiān)控制系統(tǒng)，并能使其正常工作具有十分重要的意義。

　　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(jì)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(shí)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(jì)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(shí)，0～5V或0～10V的變送器輸出信號就要進(jìn)行分壓，以變換量程。當(dāng)變送器輸出為電流時(shí)，就需將電流信號變換為相應(yīng)的電壓信號。圖1-4為變換電路。一般一個(gè)控制器可能與多個(gè)變送器相連。當(dāng)這些變送器均為電流輸出型，且統(tǒng)一由控制器的直流（24V）供電時(shí)，公共地線上將有較大電流渡過，如果變送器接地點(diǎn)與控制器內(nèi)部測量的接地點(diǎn)不一致，兩點(diǎn)間很容易有較大電位差，此電位差還會隨其它變送器輸出電流的變化而變化，造成較大的測量誤差。這一點(diǎn)在一個(gè)控制器連接多個(gè)變送器時(shí)，尤其要注意?？刂破髂M量輸入通道AI接入電壓信號后，要經(jīng)過模擬量/數(shù)字量間的轉(zhuǎn)換（A/D轉(zhuǎn)換），將其變?yōu)閿?shù)字量后，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。A/D轉(zhuǎn)換器的輸入阻擾都很高，如果變送器的輸出為電壓信號，則變送器至控制器間距離較長（幾十m），導(dǎo)線上很容易受到環(huán)境電場和磁場的干擾，疊加上其它的電壓，導(dǎo)致測量誤差很大乃至無效。當(dāng)變送器為電流輸出時(shí)，長線輸送抗干擾的能力較強(qiáng)。

　　(2)開關(guān)量輸入通道DI（DigitalInput）,此時(shí)計(jì)算機(jī)只能判斷DI通道上電平高/低兩種狀態(tài)，直接將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量1或0，進(jìn)而對其進(jìn)行邏輯分析和計(jì)算。對于以開關(guān)狀態(tài)作為輸出的傳感器（如水流開關(guān)、風(fēng)速開狀或壓差開關(guān)）就可以直接連接到DI通道上。圖1-5為連接方法。圖中1kΩ電阻R是為了防止開關(guān)開路時(shí)輸入口空載成為隨機(jī)狀態(tài)而設(shè)置的。除了測量開關(guān)狀態(tài)，DI通道還可直接對脈沖信號進(jìn)行測量，測量脈沖頻率，測量其高電平或低電平的脈沖寬度，或?qū)γ}沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。這些功能對常規(guī)儀表來說比較困難，但對計(jì)算機(jī)來說，由于它的基本信號處理對象就是0，1這種開關(guān)信號，并且有很準(zhǔn)確的時(shí)鐘，因此很容易高精度地對脈沖進(jìn)行這種測量。由于這個(gè)原因，近年來出現(xiàn)各種脈沖形式輸出的傳感器和變送器，它們非常適合于計(jì)算機(jī)監(jiān)測控制系統(tǒng)使用。當(dāng)脈沖的頻率不是很高時(shí)（10kHz以下），線路傳輸?shù)目垢蓴_能力很強(qiáng)，因?yàn)樗挥型〝鄡煞N狀態(tài)，小的干擾信號不會對其有任何影響

　　計(jì)算機(jī)控制器的特點(diǎn)是：具有極強(qiáng)的計(jì)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。而常規(guī)儀表內(nèi)部需有復(fù)雜的模擬電路才能進(jìn)行一些簡單計(jì)算，因此很難具有很強(qiáng)的計(jì)算功能；它直接對模擬量進(jìn)行測量和分析而不便處理脈沖類信號；它往往比較容易在現(xiàn)場調(diào)試時(shí)對所測參數(shù)進(jìn)行整定。由于這三點(diǎn)的不同，導(dǎo)致對傳感器及變送器有不同的選擇。表1-1列出常用的溫度傳感器的主要特點(diǎn)。對于常規(guī)儀表，首先考慮的是傳感器輸出信號的線性程度，以避免復(fù)雜的非線性修正線路。由表中可見首選的是鉑電阻或PN結(jié)器件，權(quán)衡靈敏度及一致性要求，再在這二者間選取。當(dāng)采用計(jì)算機(jī)測量時(shí)，非線性很容易通過計(jì)算修正，因此更著重于靈敏度與一致性，于是熱敏電阻便成為測溫首選器件。

　　無論是用鉑電阻還是熱敏電阻，在設(shè)計(jì)變送器時(shí)要將電阻信號變換為電流信號，同時(shí)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(jì)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(shí)頻率一般為1kHz或10kHz。當(dāng)被測量非常接近于零時(shí)，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(jì)成0.4～1kHz或4～10kHz。

　　(2)計(jì)數(shù)、變送器定時(shí)發(fā)出一串脈沖信號，其脈沖個(gè)數(shù)與被測的物理量成正比。計(jì)算機(jī)通過對脈沖個(gè)數(shù)的計(jì)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(jì)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(jì)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(shí)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，目前的問題是尚無一致的數(shù)字通訊標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)廠家生產(chǎn)的智能化傳感器很難與另一個(gè)廠家的控制器連接，這是阻礙這種技術(shù)發(fā)展的主要原因。

　　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、交流開關(guān)等，是控制系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整、控制和啟停操作的手段?？刂破魍ㄟ^兩類輸出通道與這些執(zhí)行器連接：

　　(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(jì)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，分別與這兩種輸出通道連接。

　　交流接觸器這是啟停風(fēng)機(jī)、水泵及壓縮機(jī)等設(shè)備的執(zhí)行器。可以通過控制器的DO輸出通道帶動繼電器，再由繼電器的觸頭帶動交流接觸器線包，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的啟/?？刂?。當(dāng)觸頭通過的電流較大時(shí)，觸頭吸合前的一瞬間及觸頭剛斷開的一瞬間都會產(chǎn)生電弧，此電弧是計(jì)算機(jī)的主要干擾源之一。采用由電容電阻構(gòu)成的吸收電路并聯(lián)于觸頭上，可有效地減少這種干擾。但此時(shí)要特別注意所用電容的耐壓，防止電容被擊穿燒毀。為了使計(jì)算機(jī)了解接觸器是否真正吸合，一般要將接觸器的一個(gè)輔助觸頭接至控制器的輸入通道，從而使控制器能隨時(shí)測出接觸器的實(shí)際工作狀況。

　　在設(shè)計(jì)接觸器與控制器的連接關(guān)系時(shí)，一定要注意控制器最初上電時(shí)DO口上的初始狀態(tài)。有些控制器在通電一瞬間DO口上將一律置為高/低電平，然后置為程序要求的初始狀態(tài)。此時(shí)應(yīng)采取一些措施，以避免在這些交流開關(guān)開機(jī)瞬間的動作。

　　有時(shí)需要兩個(gè)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，此時(shí)，一定要在接觸器控制電路中加互鎖電路。盡管控制器通過編程，不會同時(shí)啟動兩個(gè)接觸器，但在控制器通電瞬間和偶然受干擾的情況下，會短時(shí)間在各個(gè)DO上同時(shí)出現(xiàn)高電平或低電平。無互鎖保護(hù)就有可能導(dǎo)致電機(jī)燒毀。

　　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。采用氣動執(zhí)行器時(shí)需要將控制器的模擬量輸出的信號（AO）接至電氣轉(zhuǎn)換器，電氣轉(zhuǎn)換器根據(jù)輸入的電壓或電流的大小，產(chǎn)生0～0.1Mpa壓力的空氣，再通過氣路送至氣動執(zhí)行器的氣室中，推動活塞或隔膜完成對閥的調(diào)節(jié)。也有的氣動執(zhí)行器本身帶有電動定位裝置，于是就可以直接將控制器輸出的模擬量信號接到電動定位裝置接線端子上。氣動風(fēng)閥、水閥動作可靠，故障率低，可以在較惡劣的環(huán)境下運(yùn)行。在有現(xiàn)成的壓縮空氣源的場合，應(yīng)該優(yōu)先選擇氣動執(zhí)行器。由于閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)是氣動的，因此一般都沒有閥位的電反饋信號，這種控制器不能獲得真實(shí)的閥門位置信號，無法判別閥門的機(jī)械故障。在選擇電氣轉(zhuǎn)換器或閥門定位器時(shí)，一定要注意它所要求的輸入信號的形式、范圍，如是要求0～5V，0～10V的電壓信號還是0～10mA或4～20mA電流信號，應(yīng)與相應(yīng)的控制器輸出通道相匹配。

　　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)。當(dāng)閥門到達(dá)全開或全關(guān)位置時(shí)，通過機(jī)械裝置直接切斷限位開關(guān)，使電機(jī)停止。圖1-9為常見的電動執(zhí)行器的控制電路原理框圖。與要求的閥位輸出成正比的控制信號以0～5V，0～10V電壓或0～10mA,4～20mA電流信號的形式送入比較器，與測出的實(shí)際閥位進(jìn)行比較，當(dāng)實(shí)際閥位小于設(shè)定值時(shí)，正轉(zhuǎn)開關(guān)打開，電機(jī)正轉(zhuǎn)，開大閥門直到比較器輸出為0時(shí)，電機(jī)停止；反之則電機(jī)反轉(zhuǎn)使閥門關(guān)小。計(jì)算機(jī)控制器必須將內(nèi)部的數(shù)字信號通過D/A轉(zhuǎn)換，成為模擬量輸出信號AO，送到比較器。為了使計(jì)算機(jī)了解閥門的實(shí)際位置，識別機(jī)械故障，一般將閥位的測量信號接到控制器的模擬量輸入通道AI中。有些電動閥門的控制器還允許將全開和全關(guān)的限位開關(guān)信號作為控制器DI口的輸入信號，接入計(jì)算機(jī)，使計(jì)算機(jī)可以辨別這些超調(diào)狀態(tài)。

　　計(jì)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(jì)算機(jī)，那么，就可以直接在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行比較和分析，決定閥門電動機(jī)應(yīng)該正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)還是停止，通過DO輸出通道直接由繼電器驅(qū)動閥門電動機(jī)。這樣做可以直接用兩個(gè)開關(guān)量輸出通道DO和一個(gè)模擬量輸入通道AI帶動一個(gè)電動閥，省去計(jì)算機(jī)內(nèi)D/A轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)和閥門控制器內(nèi)的比較器部分,過程的簡化可減少成本和提高可靠性。這樣做的缺點(diǎn)是將使計(jì)算機(jī)內(nèi)控制閥門的程序比較復(fù)雜，并且需具有很好的實(shí)時(shí)性，一旦測出閥位至達(dá)設(shè)定值能立即停止電機(jī)轉(zhuǎn)動。

　　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(jì)成要求電壓或電流式的輸入信號，因

　　此，要通過計(jì)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，有時(shí)使控制計(jì)算機(jī)不能正常工作。為此，在選擇這類執(zhí)行器時(shí)一定要充分注意，選擇干擾小的產(chǎn)品，并在計(jì)算機(jī)一側(cè)采取相應(yīng)的措施。

　　隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)字通訊技術(shù)的發(fā)展，以單片機(jī)為核心的新一代智能型執(zhí)行器開始出現(xiàn)。例如電動閥內(nèi)的單片機(jī)直接測量閥們和各種故障信號，通過好的控制算法準(zhǔn)確確定電機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)行和啟停時(shí)間，使閥門準(zhǔn)確可靠地調(diào)到設(shè)定值處。還可以通過數(shù)字通訊方式與計(jì)算機(jī)控制器對話，獲取要求的閥位信息，報(bào)告閥門的實(shí)際位置及故障狀況。目前的大部分變頻器內(nèi)部由計(jì)算機(jī)控制，有些已具備通訊功能。但由于至今沒有這種層次上的數(shù)字通訊標(biāo)準(zhǔn)，很難使一個(gè)廠家的計(jì)算機(jī)控制器與另一個(gè)廠家的智能執(zhí)行器通過通訊連接，這是目前影響這種智能執(zhí)行器發(fā)展的主要原因。

　　1.3現(xiàn)場控制機(jī)

　　現(xiàn)場控制機(jī)是分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)測控制系統(tǒng)的基本單元。它直接連接各種傳感器、變送器對各種物理量進(jìn)行測量；直接連接各類執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)對被控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與控制。同時(shí)，還與計(jì)算機(jī)通訊網(wǎng)相連接，與中央管理計(jì)算機(jī)及其它現(xiàn)場控制機(jī)進(jìn)行信息交換，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的自動化監(jiān)測控制和管理。不同的系統(tǒng)形式和產(chǎn)品系列對現(xiàn)場控制機(jī)有不同的名稱，例如UC（UnitController單元控制器）、DCU（DigitalControlUnit數(shù)字控制單元）、RTU（RemoteTerminalUnit遠(yuǎn)程終端）等。目前，可編程控制器（PLC）經(jīng)過多年的發(fā)展、完善，各種功能及使用形式也接近于上述各類現(xiàn)場控制機(jī)，無本質(zhì)區(qū)別。

　　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。運(yùn)算分析的原始數(shù)據(jù)可從數(shù)據(jù)存儲器中讀出，運(yùn)算分析的中間結(jié)果和最終結(jié)果都可以

　　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，并將這些信號以數(shù)字的形式存放于數(shù)據(jù)

　　存儲器中。按照上一節(jié)的討論，傳感器可以有模擬量、開關(guān)量等多種方式的輸出信號，輸入接口將這些信號都轉(zhuǎn)換為

　　數(shù)字信號，隨時(shí)供CPU讀出。

　　(3)根據(jù)控制要求和存于數(shù)字存儲器的分析計(jì)算結(jié)果，將對執(zhí)行器的操作命令送到輸出接口，輸出接口根據(jù)所連接的執(zhí)行

　　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)，得到使用者健操作狀態(tài)，對它進(jìn)行分析處理。根據(jù)程序要求或使用者的鍵命令將相應(yīng)的數(shù)據(jù)送到顯示

　　單元。

　　(5)從通訊接口讀入數(shù)據(jù)并將其存儲于存儲器中。根據(jù)程序要求，將數(shù)據(jù)存儲器中的有關(guān)數(shù)據(jù)送至通訊接口，實(shí)現(xiàn)通訊。

　　CPU除了按照程序中所設(shè)計(jì)的步驟執(zhí)行上述各類工作外，還具有"中斷"功能。所謂"中斷"就是當(dāng)某個(gè)中斷信號出現(xiàn)時(shí)，CPU暫時(shí)停止按照程序順序進(jìn)行的正常操作，轉(zhuǎn)為執(zhí)行處理此中斷信號的專門程序，待該程序執(zhí)行后，再回到原來暫時(shí)停止的狀態(tài)，繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。所謂中斷信號可產(chǎn)生于如下場合：

　　(1)時(shí)鐘中斷時(shí)鐘每間隔一定的時(shí)間（如1S或100ms）發(fā)出一個(gè)中斷信號，強(qiáng)迫CPU執(zhí)行一段需定時(shí)處理的程序。這樣就

　　可以實(shí)現(xiàn)測量和控制中的各種計(jì)時(shí)和定時(shí)控制。

　　(2)通訊中斷當(dāng)通訊接口收到通訊網(wǎng)上傳來的數(shù)據(jù)時(shí)，可發(fā)出中斷信號，強(qiáng)迫CPU先處理此收數(shù)工作。這樣即可保證通

　　訊的實(shí)時(shí)性。

　　(3)輸入通道中斷將輸入接口中的某個(gè)通斷信號（on-off信號）接入中斷輸入口或?qū)⒛齿斎胪ǖ涝O(shè)置為中斷入口。當(dāng)此

　　接口出現(xiàn)高電平（或低電平時(shí)），即發(fā)出中斷信號，使CPU先去處理與此有關(guān)的工作。一些事故報(bào)警處理功能即可通過這

　　種中斷方式實(shí)現(xiàn)。

　　(4)鍵盤中斷使用者按動鍵盤后，也可產(chǎn)生中斷信號，使CPU立即轉(zhuǎn)到鍵盤讀入及處理程序。

　　這樣，CPU與如圖1-11所示的輸入接口、時(shí)鐘、存儲器、通訊接口與鍵盤顯示等部分合在一起，構(gòu)成現(xiàn)場控制機(jī)，實(shí)現(xiàn)測量、控制、管理及與系統(tǒng)的其它部分進(jìn)行數(shù)字交換等功能。下面進(jìn)一步分別討論圖1-11中的各個(gè)功能塊。

　　1.3.1程序存儲器

　　程序存儲器存放將由控制機(jī)執(zhí)行的全部程序。它所存儲的內(nèi)容唯一地決定了控制機(jī)的工作內(nèi)容。程序存儲器可儲存的容量以字節(jié)為單位給出。1～3個(gè)字節(jié)構(gòu)成一條指令，成百上千條指令構(gòu)成程序。程序存儲器容量一般用"kB"或"MB"給出，1kB為1024個(gè)字節(jié)，1MB為1024×1024個(gè)字節(jié)。簡單的控制器如窗式或分體空調(diào)器的單片控制器，其程序存儲器容量為2kB或4kB，復(fù)雜一些的用于冷凍站或組合式空調(diào)箱的控制機(jī)程序存儲器容量可達(dá)幾十或幾百kB。程序存儲器的讀寫形式分ROM，EPROM，E2PROM和RAM型。ROM（ReadOnlyMemory）為只讀存儲器，它的內(nèi)容在器件生產(chǎn)廠生產(chǎn)時(shí)就已經(jīng)寫好，不能改動。這種存儲器成本很低，但必須在器件生產(chǎn)廠大批量寫入（至少是幾千臺以上），因此只適用于大批量的功能完全相同的控制器中。在暖通空調(diào)領(lǐng)域，目前只能用于窗機(jī)、分體空調(diào)機(jī)這類批量大的產(chǎn)品的控制器中。在暖通空調(diào)領(lǐng)域，目前只能用于窗機(jī)、分體空調(diào)機(jī)這類批量大的產(chǎn)品的這也是這類產(chǎn)品的控制器價(jià)格很低的主要原因。EPROM(ErasableProgrammableRead-OnlyMemory)為可擦寫編程的只讀存儲器這種存儲器帶有一個(gè)透光窗口，通過專用的紫外線擦寫器可將以前寫入的內(nèi)容清除，然后通過專門的程序?qū)懭肫髟賹懭胄碌某绦?。這是目前大多數(shù)控制機(jī)使用的程序存儲器。采用這種存儲器可以對每臺控制器單獨(dú)編程，滿足各自的不同要求。此種編程的和寫入工作一般都需由專門的技術(shù)人員完成，這不單因?yàn)椴翆懞蛯懭胄枰獙ｉT設(shè)備，更重要的是因?yàn)槌绦蚋膶懝ぷ鞯睦щy性。一臺控制器的程序與控制器的硬件設(shè)計(jì)、對外通訊方式等許多因素有關(guān)。即使僅改動很少的測量或控制要求，也需要對整個(gè)控制器的編程規(guī)則有全面的了解，必須掌握足夠的與此控制機(jī)有關(guān)的編程資料才能進(jìn)行此項(xiàng)工作。E2PROM（Electrically-ErasableProgrammableRead-OnlyMemory）為電可擦可編程只讀存儲器，它儲存的內(nèi)容可在線修

　　改，斷電后仍能保存。通過適當(dāng)?shù)能浖С?，使用這種程序存儲器的控制機(jī)可以通過鍵盤或外接的現(xiàn)場編程器修改其中的內(nèi)

　　容，還可以通過通訊網(wǎng)，直接在中央控制機(jī)處對與通訊網(wǎng)相邊連的各臺控制機(jī)進(jìn)行測量與控制要求的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)所謂"下裝載"編程方式。RAM（RandomAccessMemory）為隨機(jī)存儲器，它的內(nèi)容可隨時(shí)通過程序來修改，但斷電后即消失，有些控制機(jī)通過專門的備用電池保證RAM的經(jīng)常供電，用RAM作為程序存儲器，從而也可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場由鍵盤或外接編程器編程和通過通訊網(wǎng)的下裝載方式編程。程序存儲器的容量和形式以及由此決定的編程方式是區(qū)別控制機(jī)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是在系統(tǒng)選型時(shí)應(yīng)主要考慮的因素之一。

　　1.3.2數(shù)據(jù)存儲器

　　與程序存儲順不同，數(shù)據(jù)存儲器用來存儲各種測量結(jié)果、計(jì)算分析中間結(jié)果及最終的計(jì)算分析及控制結(jié)果。它的內(nèi)容必須能隨時(shí)改寫。大多數(shù)控制機(jī)用RAM方式的數(shù)據(jù)存儲器，當(dāng)沒有備用電池時(shí)，斷電后儲存內(nèi)容將消失。有些控制機(jī)為了保存一些重要數(shù)據(jù)如溫濕度設(shè)定值、空調(diào)啟停時(shí)間等，也采用一部分E2PROM或帶有備用電源的RAM作為數(shù)據(jù)存儲器。當(dāng)只需要簡單的測量與控制、只保持當(dāng)前測量參數(shù)時(shí)，僅幾百個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器即可滿足要求。當(dāng)需要進(jìn)行復(fù)雜的測量、數(shù)據(jù)處理和控制所要求的計(jì)算機(jī)分析時(shí)，尤其是要記錄以往的測量數(shù)據(jù)供使用者通過鍵盤或通訊網(wǎng)查詢時(shí)，就需要較大容量的數(shù)據(jù)存儲器，一般可達(dá)幾十kB或幾百kB。RAM分動態(tài)存儲器與靜態(tài)存儲器兩種，前者的成本遠(yuǎn)低于后者，但需要專門的刷新電路，電耗較大。當(dāng)需要在斷電后通過備用電源長期保存存儲器內(nèi)容時(shí)，應(yīng)當(dāng)用靜態(tài)存儲器。

　　1.3.3輸入接口

　　輸入接口與傳感器或變送器連接，將傳感器、變送器發(fā)出的反映所測物理量的各種信號轉(zhuǎn)換為CPU能夠處理的數(shù)字信號，被CPU讀取。傳感器、變送器發(fā)出的信號可分為：通斷狀態(tài)量(on-off)、連續(xù)脈沖的頻率信號、電流或電壓的模擬量信號3類。

　　(1)通斷定狀態(tài)輸入通道又稱DI（DigitalInput），用于測量輸入電平的狀態(tài)，主要與一些繼電器輔助觸頭、開關(guān)按鈕

　　等連接，以使計(jì)算機(jī)測出這些裝置所連接的設(shè)備的工作狀況。一些輸出通斷信號的傳感器如風(fēng)速開關(guān)、溫度開關(guān)、壓

　　差開關(guān)等到及一些輸出脈沖形式物理量的傳感器、變送器（如前一節(jié)所講的占空比方式輸出的溫度變送器），都通過

　　DI通道接入。為防止干擾，保證CPU工作正常及為防止輸入信號由于各種原因偶然接入高電壓信號，毀壞整個(gè)計(jì)算機(jī)系

　　統(tǒng)，DI通道可采用光電隔離型。圖1-12為些種DI通道的電原理圖。圖中用虛線勾出的為光電隔離器，它將一個(gè)發(fā)光二

　　級管與一個(gè)三極管封裝在一起。當(dāng)輸入為高電平時(shí)，發(fā)光二極管側(cè)有足夠的電流通過，二極管發(fā)光導(dǎo)致三極管導(dǎo)通，

　　從而計(jì)算機(jī)輸入口處成為高電平；輸入側(cè)為低電平時(shí)，二極管無電流而熄滅，三極管截止，從而計(jì)算機(jī)輸入口成為低

　　電平。由于光電隔離，兩側(cè)只有光耦合而無任何電的連接，輸入側(cè)即使偶然接上上百V的高電壓，也不會影響計(jì)算機(jī)工

　　作。因此可有效地防止外界各種電干擾和偶然的短路事故，是提高系統(tǒng)可靠性的一條重要措施。不采用光電隔離的

　　DI輸入，就要將輸入回路的地線直接與CPU的地線連接，否則外界電場、磁場變化很容易耦合到CPU中，造成干擾。選

　　擇現(xiàn)場控制機(jī)時(shí)要看其DI是隔離型還是非隔離型，同時(shí)還要使其DI的通道數(shù)大于或等于所需要的測量路數(shù)。

　　(2)連續(xù)脈沖一般來說如果控制機(jī)提供相應(yīng)的測量程序，連續(xù)脈沖信號可直接接到DI輸入通道進(jìn)行測量。但有時(shí)要準(zhǔn)確地

　　對脈沖個(gè)數(shù)連續(xù)計(jì)數(shù)，DI口又不提供中斷功能時(shí)，就要使用帶有脈沖計(jì)數(shù)器的輸入通道。脈沖個(gè)數(shù)自動在計(jì)數(shù)器中累

　　加，CPU可定時(shí)讀取計(jì)數(shù)器并對其清零。此種輸入通道亦有光電隔離型和非隔離型之分。采用光電隔離型可有效地防止

　　外界干擾。

　　(3)模擬量輸入通道又稱AI（AnalogyInput）.直接測量0～2V、0～5V或0～10V電壓信號，輸入阻抗一般在幾MΩ以上。

　　在輸入口上并聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娮?，也可以測量0～10mA或4～20mA的電流信號。由于計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字量，因此連續(xù)變化

　　的電壓信號要通過A/D轉(zhuǎn)換電路才能變?yōu)閿?shù)字信號，被計(jì)算機(jī)所接收。A/D轉(zhuǎn)換電路的功能就是對輸入的電壓信號進(jìn)行

　　測量，如同一臺數(shù)字電壓表。不同的A/D轉(zhuǎn)換器具有不同測量轉(zhuǎn)換精度。一般以A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號為二進(jìn)制碼

　　的位數(shù)來度量A/D轉(zhuǎn)換的精度。常見的A/D精度有8位即可分辨滿量程的1/28=0.4%；10位精度即可分辨滿量程的

　　1/210=0.1%；12位精度即可分辨滿量程式的1/212=0.025%。這樣，若使用量程為0～100℃的鉑電阻溫度計(jì)測溫，采用

　　8位A/D時(shí)，測量精度不會優(yōu)于100℃的0.4%即0.4℃。實(shí)際上再考慮變送器的誤碼差、A/D電路的準(zhǔn)確性等因素，此時(shí)地

　　測溫準(zhǔn)確性只能達(dá)到1℃。除非改變變送器，將量程縮小。當(dāng)要求高的的測量準(zhǔn)確性時(shí)，要注意選擇具有多位A/D轉(zhuǎn)換

　　的接口通道。為了減少外界輸入電路帶來的干擾，也希望對輸入信號進(jìn)行隔離。但對連續(xù)變化的模擬量信號的隔離要

　　遠(yuǎn)比通斷量信號困難?？赡艿姆绞接袃煞N：一是采用隔離放大器，放大器的的輸入與輸出間無電連接，但輸出信號正

　　比于輸入信號。這種隔離放大器價(jià)格較高。再一方式是在A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號側(cè)進(jìn)行隔離。這樣做有一定的難度且增

　　加了電路的復(fù)雜性。一臺控制機(jī)一般只設(shè)一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)需要測量多個(gè)模擬量時(shí)，一般在模擬信號側(cè)接入CMOS開

　　關(guān)（場效應(yīng)管為基礎(chǔ)電子開關(guān)），通過控制各種CMOS開關(guān)的通斷，將要測量的模擬信號接入A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端。

　　一般的現(xiàn)場控制機(jī)分別配有若干路DI、AI輸入通道，有些還配有測量脈沖的計(jì)數(shù)器通道。在選用時(shí)可根據(jù)需要測量的信號的種類和個(gè)數(shù)選擇相應(yīng)的現(xiàn)場控制機(jī)。也有的現(xiàn)場控制機(jī)的輸入通道為通用型，既可接入開關(guān)信號又可接入模擬量信號，只要在內(nèi)部通過程序設(shè)置好即可。這種接口實(shí)際上全部為AI通道，在對通斷量進(jìn)行測量時(shí)只是在程序中設(shè)一閾值，高于此值判為是高電平，否則為低電平。由于模擬量隔離困難，這種通用型輸入通道很少是隔離型的。還有的控制機(jī)將輸入通道全部做成帶隔離的DI通道，當(dāng)某一路需要接入模擬信號時(shí)，在此路通道上外接V-F轉(zhuǎn)換器，將電壓信號變換為頻率信號，再通過DI通道輸出。這樣既保證了輸入通道的靈活性，又可以做到輸入通道與CPU完全隔離。但由于每個(gè)模擬量測量都需要外接V-F轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換

　　器。成本會略有提高，對頻率進(jìn)行測量也會使測量速度略有減慢。

　　1.3.4輸出接口

　　同輸入接口電路一樣，現(xiàn)場控制機(jī)的輸出接口也分為用來帶動繼電器通斷的數(shù)字量輸出--DO（DigitalOutput）和用來驅(qū)動閥門、可控硅、變頻器等需要連續(xù)變化的電壓或電流信號的模擬量輸出--AO（AnologyOutput），有時(shí)還有連續(xù)輸出指定頻率和占空比的脈脈沖信號的脈沖輸出口。

　　(1)通斷量輸出通道（DO）與DI通道一樣，為了防止外電路的干擾，往往做成隔離型通道，即DO通道與主機(jī)間無直接電

　　連接。由于DO一般用來直接驅(qū)動或通過繼電器來帶動電氣設(shè)備，了解它的驅(qū)動能力很重要。有的控制機(jī)的DO輸出通道

　　是直接由光電隔離或小功率開關(guān)電路引出，它的驅(qū)動能力不大于20mA。這時(shí)要帶動一個(gè)電氣設(shè)備（如電機(jī)的交流接觸

　　器電動閥門的單相電機(jī)，電加熱器等），必須通過中音繼電器。有的現(xiàn)場控制機(jī)的DO輸出通道內(nèi)已裝有常規(guī)繼電器或

　　可控硅構(gòu)成的無觸點(diǎn)繼電器，通過電流可達(dá)1A或更大。此時(shí)一些功率不大的電設(shè)備就可以直接驅(qū)動。

　　(2)模擬量輸出通道（AO）輸出范圍一般為0～10mA或4～20mA電流型。如果需用要電壓型輸出，只要在輸出通道上并聯(lián)

　　一相應(yīng)的電阻即可，但這時(shí)與其相連接的設(shè)備的輸入電阻要足夠大。當(dāng)要驅(qū)動的設(shè)備為電流型時(shí)，亦要注意其輸入電

　　阻不應(yīng)超過額定值。由于計(jì)算機(jī)內(nèi)部只能處理數(shù)字量，因此，輸出的模擬量信號通過D/A（數(shù)字到模擬）轉(zhuǎn)換而得到。

　　同A/D一樣也有其轉(zhuǎn)換精度。8位精度的D/A輸出分度值為最大輸出值的1/256，已完全滿足一般的控制要求，因此一般

　　的現(xiàn)場控制機(jī)內(nèi)的模擬量輸出（AO）通道都是8位轉(zhuǎn)換精度。由于模擬量輸出信號要與被控制設(shè)備直接相連，直接決定

　　被控制設(shè)備的狀態(tài)，因此AO輸出不能像AI那樣用多路開關(guān)轉(zhuǎn)換來產(chǎn)生多路通道，每路AO通道一般都是由獨(dú)立的D/A轉(zhuǎn)換

　　電路得到。同AI通道一樣，在模擬量線路側(cè)要進(jìn)行隔離有一定困難，或成本較高。也有的控制機(jī)將輸出通道全部做成

　　帶有光電隔離的DO通道。再根據(jù)具體的使用要求分別連接輸出繼電器或D/A轉(zhuǎn)換器來分別滿足大電流通斷輸出或連續(xù)型

　　電流輸出。這樣做成本略高，但系統(tǒng)組態(tài)靈活，并可使輸出全部實(shí)現(xiàn)光電隔離，提高抗干擾能力。

　　1.3.5通訊接口

　　能否對外通訊，支持哪種通訊方式，是現(xiàn)場控制機(jī)的一個(gè)十分重要的性能指標(biāo)。有關(guān)通訊接口、通訊方式及通訊標(biāo)準(zhǔn)的詳細(xì)內(nèi)容見下一節(jié)。

　　1.3.6鍵盤與顯示

　　當(dāng)控制機(jī)帶有通訊接口，能夠與其它現(xiàn)場控制機(jī)及中央控制機(jī)構(gòu)成分布系統(tǒng)時(shí)，它的狀態(tài)檢查和工作任務(wù)設(shè)定往往在中央控制機(jī)處通過通訊網(wǎng)進(jìn)行，此時(shí)現(xiàn)場控制機(jī)的鍵盤和顯示器僅僅是供維護(hù)、維修和調(diào)試時(shí)使用。鍵盤一般僅設(shè)幾個(gè)按鍵，顯示器采用數(shù)碼管或僅用一些顯示燈來表示狀態(tài)。也有的控制機(jī)干脆不設(shè)鍵盤，僅有幾個(gè)表示運(yùn)行狀態(tài)的顯示燈。通過外接帶有鍵盤和顯示器的操作器來進(jìn)行維護(hù)維護(hù)和設(shè)定工作。由于現(xiàn)場控制機(jī)與使用者的信息交換主要靠通訊網(wǎng)通過中央控制機(jī)進(jìn)行，因此鍵盤和顯示方式不應(yīng)作為現(xiàn)場控制機(jī)的主要性能指標(biāo)。

　　1.3.7整機(jī)結(jié)構(gòu)

　　現(xiàn)場控制機(jī)的CPU不同，上述各種功能電路不同，導(dǎo)致整機(jī)結(jié)構(gòu)大不相同，大致可分為如下3類：

　　(1)采用PC型CPU通用型控制機(jī)。如采用目前個(gè)人電腦中的、或Pentium芯片作為CPU，其基本結(jié)構(gòu)也與個(gè)人電

　　腦類似。可以配大量的程序存儲器和數(shù)字存儲器，從而直接運(yùn)行C語言寫成的程序或其它高級語言編譯的程序。通過各

　　種接口電路構(gòu)成DI、AI、DO和AO輸入輸出通道。通過增加通訊接口板以支持各種通訊。這類控制機(jī)計(jì)算能力及存儲器

　　容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過控制和管理一臺空調(diào)設(shè)備的要求，但為解決輸入輸出需大量的接口線路。線路的復(fù)雜和器件數(shù)量的增多

　　一方面增加了成本，另一方面是否也會降低系統(tǒng)的可靠性和抗干優(yōu)能力呢？

　　(2)采用單片機(jī)作為CPU的通用型控制機(jī)。目前有大量不同型號的專門作為實(shí)時(shí)監(jiān)測控制用的單片機(jī)問世，它們除具有

　　CPU的功能外，還將大量的輸入輸出接口電路、時(shí)鐘、通訊和部分程序和數(shù)據(jù)存儲器都集成到一個(gè)芯片中，只要外接一

　　部分程序和數(shù)據(jù)存儲器并擴(kuò)充部分輸入輸出接口電路，就可以構(gòu)成完全滿足空調(diào)設(shè)備控制監(jiān)測要求的現(xiàn)場控制器。目

　　前大量的"可編程控制器"及一些專業(yè)廠商推出的暖通空調(diào)領(lǐng)域的現(xiàn)場控制機(jī)都是采用這種形式。由于單片機(jī)的CPU為

　　4位、8位或16位，尋址能力有限，因此不易配置太大容量的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。這在一般情況下也足以滿足要

　　求。只是難以直接采用PC機(jī)中通用的高級語言進(jìn)行編程，而要采用匯編語言或控制機(jī)廠商各自推出的專用編程語言。

　　由于單片機(jī)集成的內(nèi)容全面，因此這類控制機(jī)線路要簡單些，器件少，成本低，同時(shí)抗干擾性和可靠性也會相應(yīng)高一

　　些。

　　(3)采用單片機(jī)的專用型控制機(jī)。這是以單片機(jī)為主體，專門為某種空調(diào)設(shè)備（如新風(fēng)機(jī)組、變風(fēng)量末端裝置等）設(shè)計(jì)的

　　控制機(jī)。為了盡量使用單片機(jī)內(nèi)的存儲器和輸入輸出通道資源，程序被設(shè)計(jì)為專用程序，被控設(shè)備的形式及傳感器、

　　變送器及執(zhí)行器都被確定或僅能作有限的選擇，使用者很難對程序進(jìn)行修改。這樣做換來的好處是線路簡單、器件

　　少、成本低、抗干擾能力強(qiáng)。如果這種控制機(jī)所支持的通訊方式與通訊網(wǎng)兼容，所控制的設(shè)備及要求的傳感器、執(zhí)行

　　器與工程要求一致，這類控制機(jī)應(yīng)為最優(yōu)先的選擇。

　　1.3.8編程方式

　　要使現(xiàn)場控制機(jī)完成要求的測量控制和管理工作，除要有適宜的硬件，還必須有相應(yīng)的軟件?，F(xiàn)場控制的軟件涉及輸入輸出接口通道的具體方式、地址、中斷、通訊、內(nèi)存尋址方式等許多與具體硬件結(jié)構(gòu)有關(guān)的內(nèi)容，無詳盡的硬件資料不可能對其從頭編程。即使掌握全套的硬件資料，一臺現(xiàn)場控制機(jī)的全面編程和程序的全面試驗(yàn)與驗(yàn)證也是一項(xiàng)很大的工程，從論證到全面完成將是1人1年左右的工作量。因此很難對一個(gè)具體的暖通空調(diào)控制工程從頭編制現(xiàn)場控制機(jī)軟件。作為一個(gè)現(xiàn)場控制機(jī)產(chǎn)品，必須提供相應(yīng)的用戶編程手段。編程手段的強(qiáng)弱、易用性、靈活性等是考察和選擇現(xiàn)場控制機(jī)系列的重要考慮因素之

　　一。目前常見的現(xiàn)場控制機(jī)有如下幾種編程。

　　(1)填表方式。從指定的測量元件、控制元件和控制功能中根據(jù)要求進(jìn)行選擇。通過輸入計(jì)算機(jī)中一批指定的代碼來確定

　　這些選擇。這些代碼可以直接寫入EPROM程序存儲器中，也可以通過外接操作器輸入或通過下裝載方式從中央控制機(jī)設(shè)

　　定。輸入和設(shè)定后的結(jié)果存于現(xiàn)場控制機(jī)的EPROM中或帶有備用電源的RAM中，以供長期運(yùn)行時(shí)用。這種方式操作編程簡

　　單，易掌握，但局限性大，只能從已有的測量控制元件和功能中選擇，無法實(shí)現(xiàn)任何特殊的測量控制和管理要求。有時(shí)

　　使用者的一些對測量和控制的很簡單的改動也難以實(shí)現(xiàn)。這種方式的適用與否取決于設(shè)備廠商提供的供選擇的測量控制

　　管理功能。

　　(2)專用控制語言。根據(jù)實(shí)時(shí)控制測量的特殊性，各廠商陸續(xù)開發(fā)出一些專用控制語言。用它可以很方便地描述各種測量

　　控制管理要求。這種語言描述的功能要求很容易被讀懂。因此它還可以同時(shí)作為工程軟件文檔。通過專用的編譯工具可

　　以將控制語言寫成的控制要求直接編譯成匯編語言或二進(jìn)制機(jī)器碼，將其寫到EPROM中后，即可在現(xiàn)場控制機(jī)中直接運(yùn)

　　行。圖1-13為用RH系列控制機(jī)的專用控制語言寫成的用風(fēng)閥和末端加熱器控制房間溫濕度的一段程序。其中第一部分為

　　所使用傳感器和執(zhí)行器的定義。第二部分為具體的控制邏輯。這種控制語言編程靈活，可適合各種測量控制及管理要

　　求。使用者也可很容易掌握。越來越多的控制機(jī)產(chǎn)品采用這種方式編程。目前的問題是尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。各廠家自行制定

　　開發(fā)控制語言，相互之間差異很大，無法進(jìn)行交流，在某系列控制器產(chǎn)品中開發(fā)研制出的控制算法不能直接用到其它的

　　控制器產(chǎn)品系列中。

　　(3)C語言編程。C語言是目前個(gè)人計(jì)算機(jī)領(lǐng)域使用越來越廣泛的編程工具。一些控制廠商也開始使用C語言編程，向用戶

　　提供大批的測量控制功能模塊及C語言編譯器。用戶可用C語言編寫所要求的控制管理功能，并調(diào)用測量、控制驅(qū)動等標(biāo)

　　準(zhǔn)模塊，然后編譯成可在現(xiàn)場控制機(jī)上直接運(yùn)行的程序。由于C語言不是專門為實(shí)時(shí)測量控制而設(shè)計(jì)的，因此在描述時(shí)鐘

　　及中斷處理等要求時(shí)有一定困難。與專用控制語言相比，用戶編程工作量較大，程序的可讀性也較差。然而這畢竟是一

　　種通用編程工具，可交流性、可移植性遠(yuǎn)優(yōu)于用專用控制語言編程的方式。

　　1.4數(shù)字通訊網(wǎng)絡(luò)

　　分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)依靠通訊網(wǎng)絡(luò)將各臺現(xiàn)場機(jī)及中央控制管理計(jì)算機(jī)連接在一起，實(shí)現(xiàn)它們之間的數(shù)據(jù)交換。通訊網(wǎng)如同控制系統(tǒng)的中樞神經(jīng)。它的通訊方式、速度、效率直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。通訊故障、中斷則將使用權(quán)各控制機(jī)成為孤立單機(jī)，整個(gè)分布式系統(tǒng)癱瘓。隨著信息業(yè)的發(fā)展，數(shù)字通訊技術(shù)發(fā)展迅速，人類對它的要求更高?？刂乒芾硐到y(tǒng)也逐漸由以現(xiàn)場控制裝置為核心向以通訊網(wǎng)絡(luò)為核心過渡，通訊網(wǎng)絡(luò)逐漸成為控制系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)。

　　1.4.1數(shù)字通訊基本概念

　　數(shù)字通訊顧名思義就是通過傳遞數(shù)字信號來實(shí)現(xiàn)信息交換?？刂茩C(jī)A定時(shí)測出連續(xù)變化的溫度，將每次測出的溫度數(shù)值轉(zhuǎn)換為由一串0和1構(gòu)成的二進(jìn)制數(shù)。通訊接口相當(dāng)于開關(guān)K。根據(jù)要傳輸?shù)倪@個(gè)二進(jìn)制數(shù)依次接通和關(guān)斷開關(guān)，以分別表示0和1，從而使控制機(jī)B接收到此通斷信號，由此得到控制機(jī)A測出的溫度數(shù)值。

　　為常規(guī)的直接將模擬量的電壓/電流信號長線連接實(shí)現(xiàn)遙測的原理圖。同樣是連續(xù)變化的溫度信號，經(jīng)變送器后變?yōu)殡S時(shí)間連續(xù)變化的電壓或電流信號，長距離送至電壓表后，仍為連續(xù)變化的電壓或電流信號。比較二者有如下不同：

　　(1)數(shù)字通訊傳輸?shù)氖怯?通""斷"這樣的開關(guān)信號構(gòu)成的數(shù)值，可以完全無誤地傳輸。如果由于硬件故障或線路干擾，使

　　某一位傳輸錯(cuò)誤，那么此錯(cuò)誤發(fā)生在最低位與發(fā)生在最高位的概率相同，即出現(xiàn)故障時(shí)將32.5℃?zhèn)鬏敵?2.4℃與傳輸成

　　12.5℃的可能性完全一樣。通過校碼技術(shù)，很容易發(fā)現(xiàn)錯(cuò)碼，從而重新傳輸。而模擬信號傳輸信息依賴于電壓或電流的變化，由于各種干擾必然帶來傳輸誤差。例如將32.5℃?zhèn)鬏敵?2.4℃或32.6℃，但誤差僅限于系統(tǒng)的最大傳輸誤差范圍內(nèi)

　　，絕不可能將32.5℃?zhèn)鬏敵?2.5℃。同時(shí)，模擬信號不可能進(jìn)行校驗(yàn)，因此只能是誤差在一定范圍內(nèi)的"有誤傳輸"，數(shù)

　　字傳遞的誤碼可以通過校驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，并通過重發(fā)校正，從而做到完全無誤。"無誤傳輸"與"有誤傳輸"是數(shù)字通訊與模擬量

　　傳輸?shù)淖钪饕顒e。

　　(2)數(shù)字通訊一次傳輸一個(gè)數(shù)值，最多只能是間斷地給出某個(gè)物理量的定時(shí)采樣時(shí)刻下的測量數(shù)值，而模擬信號傳輸卻是

　　連續(xù)不斷地傳輸某個(gè)物理量的連續(xù)變化。反之如果不考慮采樣時(shí)間，數(shù)字通訊的一個(gè)通道可以輸送任意多個(gè)物理量或任

　　何其它信號，而模擬量傳輸只能傳輸一個(gè)物理量。這樣，數(shù)字通訊的傳輸容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于模擬量傳輸。

　　由于無誤傳輸和傳輸容量大這兩個(gè)特點(diǎn)，數(shù)據(jù)通訊逐漸代替了各種場合下的模擬量傳輸。

　　1.4.2數(shù)字通訊傳輸速度

　　數(shù)字通訊中的一個(gè)通斷信號稱一位（1bit），傳輸速度以每秒傳輸多少位來度量，稱波特率（Baudrate）。數(shù)據(jù)通訊的波特率視通訊介質(zhì)、距離及通訊方式不同可以在300bit/s到2～5Mbit/s之間。如果波特率為1000，每個(gè)字節(jié)為10位，則每秒種可以傳輸100個(gè)字節(jié)，當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼傳遞時(shí)，一個(gè)字符為一個(gè)字節(jié)，32.5℃包括小數(shù)點(diǎn)和符號℃共5個(gè)字符，則每秒鐘最多僅能傳遞20個(gè)數(shù)據(jù)；當(dāng)波特率為1Mbit/s時(shí)，則每秒鐘可傳遞這樣的數(shù)據(jù)個(gè)。表1-2列出一些典型的傳輸介質(zhì)和傳輸方式下的傳輸距離與波特率。其中采用雙絞線或同軸電纜是直接以電平的高低變化傳輸0，1信號，而采用電話電路或無線電臺則是將0，1的數(shù)字信號經(jīng)過調(diào)制解調(diào)器（modem）調(diào)制成連續(xù)變化的模擬信號再通過普通的電話線路或無線電臺傳輸、接收再通過調(diào)制解調(diào)器將其轉(zhuǎn)換回?cái)?shù)字信號。

　　1.4.3通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　一個(gè)分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，需要許多臺計(jì)算機(jī)連在一起相互交換信息，這就要考慮它們之間的連接關(guān)系，這稱之為網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　1.4.4通訊協(xié)議

　　要使各節(jié)點(diǎn)上的計(jì)算機(jī)控制器彼此進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，除網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)硬件連接外，更重要的是要有相應(yīng)的通訊協(xié)議（protocol）。所謂通訊協(xié)議指各節(jié)點(diǎn)間按照何種方式相互配合，實(shí)現(xiàn)通訊。這主要包括如下內(nèi)容：

　　（1）物理連接與數(shù)據(jù)傳輸方式的協(xié)議。即連接通訊線路的接口，設(shè)備的電信號標(biāo)準(zhǔn)，確定怎樣將0和1這兩種信號從一端傳到另一端。目前常用的RS232，RS485，RS422，RS449方式及電流環(huán)方式均指這一層次上的協(xié)議。

　　數(shù)據(jù)傳輸格式則規(guī)定發(fā)和收的速度（波特率），規(guī)定信息傳遞的基本單元的格式，例如發(fā)送1200bit/s,每10bit(位)構(gòu)成一個(gè)字節(jié)，第一位為高電平的起始位，中間八位為以高、低電平表示的0或1的八位二進(jìn)制數(shù)，最后為一位高電平的停止位。也有11位、9位或8位構(gòu)成一個(gè)基本字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸格式。

　　這兩層協(xié)議不同就不可能直接通訊，但可以以中間變換設(shè)備，將通訊信號從一種協(xié)議轉(zhuǎn)換為另一種協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)在這兩個(gè)層次上協(xié)議不同的設(shè)備間的通訊。

　?。?）多個(gè)通訊節(jié)點(diǎn)連接到一起后，相互對話和網(wǎng)絡(luò)管理的協(xié)議。例如，每個(gè)通訊節(jié)點(diǎn)的地址（名字）規(guī)定采用"主從式"還是"點(diǎn)對點(diǎn)"方式，"主從式"時(shí)主機(jī)呼叫下位機(jī)的格式及下位機(jī)回答后發(fā)送數(shù)據(jù)的格式；"點(diǎn)對點(diǎn)"方式時(shí)相互尋址方式，糾正碰撞方法，校驗(yàn)錯(cuò)碼與糾正錯(cuò)碼方式等。這些協(xié)議是保證通訊網(wǎng)連接在一起的各節(jié)點(diǎn)間能夠有效地傳輸信息的基礎(chǔ)。通訊系統(tǒng)的功能及效率在很大程度上與此層次上的協(xié)議有關(guān)。例如采用主從式協(xié)議，只有上位機(jī)呼叫下位機(jī)時(shí)，下位機(jī)才能將實(shí)測的數(shù)據(jù)與工作狀態(tài)送至上位機(jī)。當(dāng)作為下位機(jī)的現(xiàn)場控制機(jī)發(fā)現(xiàn)被控制設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，也只能等上位機(jī)呼叫時(shí)，才能發(fā)出報(bào)警信號。而采用"點(diǎn)對點(diǎn)"通訊時(shí)，連在網(wǎng)中的各個(gè)通訊節(jié)點(diǎn)地位平等，隨時(shí)可向任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出信息。有故障時(shí)可及時(shí)報(bào)警，各臺下位機(jī)之間也可以直接通訊相互配合進(jìn)行控制管理工作。當(dāng)中央管理機(jī)需要連續(xù)監(jiān)視單臺空調(diào)機(jī)的工作狀況時(shí)，如采用"主從式"通訊方式，每10s向管理該臺空調(diào)機(jī)的現(xiàn)場控制機(jī)呼叫一次，現(xiàn)場控制機(jī)將此時(shí)測出的溫濕度及風(fēng)機(jī)、閥門的工作狀態(tài)送回。如每次僅呼叫一個(gè)參數(shù)，則雙方傳輸內(nèi)容中真正有用的信息不足20%，其余全用于呼叫、對話、校核等。如每次發(fā)出反映系統(tǒng)工作狀態(tài)的全部數(shù)據(jù)，則傳輸內(nèi)容中的有用信息為50%～60%。當(dāng)采用"點(diǎn)對點(diǎn)"通訊時(shí)，不需主機(jī)詢問，現(xiàn)場控制機(jī)可自動定是報(bào)告，這就進(jìn)一步提高了信息傳遞的有效性。再進(jìn)一步，現(xiàn)場控制機(jī)可以以每5min發(fā)一次數(shù)據(jù)，同時(shí)在某參數(shù)發(fā)生變化時(shí)（如溫度變化0.2℃以上，風(fēng)機(jī)開關(guān)狀態(tài)變化等）及時(shí)發(fā)出該參數(shù)信息。由于空調(diào)機(jī)中大部分參數(shù)變化并不頻繁，因此，這可以使網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)傳輸量很小而中央管理機(jī)則得到系統(tǒng)參數(shù)的變化狀況比每10s通訊一次的"主從式"更及時(shí)。有例子表明，上述方式網(wǎng)絡(luò)上要求的數(shù)據(jù)傳輸量僅為"主從式"時(shí)的1/20左右。于是點(diǎn)到點(diǎn)方式波特率為2400bit/s時(shí)即可實(shí)現(xiàn)波特率為48kbit/s的主從式通訊的同樣效果。

　?。?）用戶層協(xié)議。前面各種協(xié)議使各通訊節(jié)點(diǎn)間能傳遞信息，但并不能使接收方理解收到的信息，用戶層協(xié)議指明用何種編碼形式來實(shí)現(xiàn)用戶間的對話。例如，信息可用ASCII碼的方式表述，任何一個(gè)數(shù)字、字母都可以用一個(gè)字節(jié)的二進(jìn)制數(shù)表示。測點(diǎn)1的溫度為23.5℃，可直接用"t1=23.5℃"8個(gè)ASCII碼給出。另一種方式是直接用二進(jìn)制碼傳遞數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)串中的位置決定其物理意義。這樣上述溫度的信息僅用3個(gè)字節(jié)即可給出。但此時(shí)通訊的雙方需嚴(yán)格約定各個(gè)要傳遞的物理量在數(shù)據(jù)串中的位置。在實(shí)際的暖通空調(diào)控制管理系統(tǒng)中，通訊信息要涉及多種內(nèi)容，如開關(guān)設(shè)備、調(diào)整閥門、故障報(bào)警、物理量測量等，這就需要一套完整的用戶層協(xié)議來支持。

　　目前分布式控制管理系統(tǒng)都是由各生產(chǎn)廠家自行開發(fā)研制，因此，其通訊系統(tǒng)的協(xié)議都不相同，尤其是用戶層的協(xié)議彼此不同，這導(dǎo)致不同的控制系統(tǒng)很難相互通訊。目前大量的冷水機(jī)組、柜式空調(diào)機(jī)都裝有計(jì)算機(jī)控制器，并具有通訊功能。但當(dāng)采用不同的計(jì)算機(jī)控制器，并具有通訊功能。但當(dāng)采用不同的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)全面控制管理整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，這些控制器都難以與系統(tǒng)進(jìn)行通訊。為此有時(shí)中間還要增加許多信號變換設(shè)備來解決通訊協(xié)議不相同的問題。一座建筑包括消防、保安、空調(diào)、電力管理等許多控制系統(tǒng)，有必要實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)之間的信息交換。當(dāng)各個(gè)控制系統(tǒng)采用不同廠家的產(chǎn)品時(shí)，由于協(xié)議不同，也造成相互之間無法通訊。有時(shí)為此增加大量的硬件和軟件來解決不同系統(tǒng)之間的通訊問題。隨著計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展的日益廣泛，通訊系統(tǒng)越來越重要，制定統(tǒng)一的通訊協(xié)議使不同系統(tǒng)間能夠通訊成為廣大用戶的迫切要求。為些，美國ASHRAE委托NIST（美國國家標(biāo)準(zhǔn)局）研究出BACnet標(biāo)準(zhǔn)，于1996年初正式推出。如果各廠家的通訊系統(tǒng)都按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，則各種控制器、各種控制系統(tǒng)之間就可以自由通訊。BACnet推出后，ASHRAE用很大的力量來宣傳推廣，許多控制廠商也紛紛宣布他們可以提供符合BACnet通訊標(biāo)準(zhǔn)的控制系統(tǒng)，但直到此標(biāo)準(zhǔn)正式推出一年后的今日，仍沒有一個(gè)廠家用BACnet標(biāo)準(zhǔn)通訊取代自己原有的通訊標(biāo)準(zhǔn)。這是由于要完全實(shí)現(xiàn)此標(biāo)準(zhǔn)，各公司的硬件、軟件都要進(jìn)行較大改動?？磥碚嬲龑?shí)現(xiàn)各種控制設(shè)備和控制系統(tǒng)間的自由通訊還需要相當(dāng)一段時(shí)間。

　　目前信息通訊產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，信息高速公路、Internet等成為發(fā)展熱點(diǎn)，這將為分布式控制系統(tǒng)的通訊系統(tǒng)提供大量的技術(shù)支持，同時(shí)亦對其提出更高的要求?，F(xiàn)在在局部通訊網(wǎng)之上搭乘Internet,實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)大范圍遠(yuǎn)距離的管理已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)，然而對于服務(wù)于控制系統(tǒng)的局部通訊網(wǎng)，它仍有許多與Internet所不同的要求，例如實(shí)時(shí)性，對各種復(fù)雜的控制命令的理解等，許多方面還需要發(fā)展與此相適應(yīng)的技術(shù)。

　　1.5中央控制機(jī)

　　中央控制是控制管理系統(tǒng)與使用者進(jìn)行交流的主要接口。中央控制機(jī)接收各現(xiàn)場控制機(jī)通過通訊系統(tǒng)傳來的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，以圖形、數(shù)表或打印報(bào)表的形式向使用者顯示。使用者則通過中央計(jì)算機(jī)向各現(xiàn)場控制機(jī)發(fā)出各種調(diào)節(jié)的命令，如開啟/停止風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備，調(diào)整風(fēng)閥、水閥，修改系統(tǒng)設(shè)定值等。此外，作為控制管理系統(tǒng)的中心，中央計(jì)算機(jī)還可以具有如下功能：

　?。?）建立數(shù)據(jù)庫，儲存系統(tǒng)長期的運(yùn)行記錄，供顯示和分析用；

　?。?）統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，如各臺設(shè)備運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行能耗等，供管理人員參考；

　?。?）協(xié)調(diào)各現(xiàn)場控制機(jī)的工作，指揮整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)。例如當(dāng)發(fā)現(xiàn)各臺空調(diào)機(jī)組都將其冷水閥開到最大，而送風(fēng)溫

　　度或濕度仍偏高時(shí)，即送命令給冷凍站將冷凍水出水溫度調(diào)低；

　　（4）分析各現(xiàn)場機(jī)送來的數(shù)據(jù)，判斷系統(tǒng)中是否有些部件出現(xiàn)問題，例如某些傳感器、執(zhí)行器出故障，風(fēng)機(jī)皮帶松動轉(zhuǎn)

　　速降低，空氣過濾器阻力過大需清洗等，及時(shí)向使用者報(bào)警。

　　根據(jù)系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不同，可以僅設(shè)一臺中央控制機(jī)實(shí)現(xiàn)上述各功能，也可以在系統(tǒng)中設(shè)置多臺中央機(jī)，分?jǐn)偵鲜龈黜?xiàng)分析、管理與控制功能。有時(shí)中央控制機(jī)可分別安裝在值班室、維修人員辦公室或管理人員辦公室，供各部門人員隨時(shí)掌握系統(tǒng)運(yùn)行狀況?？梢詢H設(shè)一臺向下發(fā)關(guān)命令的主計(jì)算機(jī)，其他各臺僅記錄和顯示系統(tǒng)狀況，也可以是幾臺計(jì)算機(jī)分?jǐn)偪刂?、管理和故障診斷的工作。

　　80年代較多鐵系統(tǒng)使用專門的計(jì)算機(jī)人作為中央計(jì)算機(jī)。有些是要求系統(tǒng)容量大，軟件平臺功能強(qiáng)，使用UNIX操作系

　　統(tǒng)；有些則完全是由于商業(yè)原因，近年來個(gè)人計(jì)算機(jī)發(fā)展迅速，各種以486、Pentium為CPU的個(gè)人機(jī)完全可以勝任中央機(jī)的各種要求，在Pentium機(jī)上運(yùn)行的UNIX操作系統(tǒng)也已推出，因此從功能上看個(gè)人計(jì)算機(jī)完全可以用作中央計(jì)算機(jī)。從硬件的可靠性看，個(gè)人計(jì)算機(jī)也可以長期連續(xù)運(yùn)行，在一般場合設(shè)置中央機(jī)的現(xiàn)場環(huán)境不會太惡劣，完全可以滿足個(gè)人計(jì)算機(jī)長期使用的要求。中央機(jī)主要承擔(dān)系統(tǒng)參數(shù)顯示等管理任務(wù)，短期出現(xiàn)故障時(shí)，現(xiàn)場控制機(jī)仍可正常執(zhí)行其控制任務(wù)，因此，不會給系統(tǒng)運(yùn)行帶來危害。在要求較高的場合，只在采用雙機(jī)熱備份方式，即兩臺計(jì)算機(jī)同時(shí)執(zhí)行同樣工作，只是其中的一臺不向發(fā)送控制命令，當(dāng)一臺臨時(shí)出現(xiàn)故障時(shí)，另一臺可立即轉(zhuǎn)換成承擔(dān)全部工作。個(gè)人計(jì)算機(jī)的硬件價(jià)格已降至人民幣1萬元左右，遠(yuǎn)低于其軟件價(jià)格和專用的中央控制機(jī)了。

　　對于中央控制機(jī)，其功能的優(yōu)劣主要取決于它的軟件系統(tǒng)。這包括中央控制機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行的軟件和為用戶提供的該軟件的開發(fā)和設(shè)定環(huán)境。

　　中央控制機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行軟件目前都采用一些商品化的工控軟件或由控制公司開發(fā)的專用軟件。可以從如下幾方面考查其性能：

　　·與使用者交流信息的界面。一般的實(shí)時(shí)控制管理軟件都具有顯示各種實(shí)測參數(shù)及由使用者輸入設(shè)定值或啟停和調(diào)整設(shè)

　　備等功能。不同之處在于是否有圖形界面，使用者操作是否簡單方便。

　　·數(shù)據(jù)庫功能。能否存儲長期的實(shí)測數(shù)據(jù)，儲存周期為一年，一個(gè)月，一周還是一天。所存的歷史數(shù)據(jù)能否以曲線等

　　形式方便地顯示并允許使用者進(jìn)行各種查詢。

　　·計(jì)算分析功能。能否在與用戶對話、顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀況的同時(shí)還進(jìn)行一些分析計(jì)算和數(shù)據(jù)處理工作。如統(tǒng)計(jì)能耗、

　　統(tǒng)計(jì)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間及至對系統(tǒng)進(jìn)行全面分析和統(tǒng)一的調(diào)節(jié)。目前能夠同時(shí)支持這種分析計(jì)算功能的中央控制機(jī)軟件還

　　需要太多。

　　為了使中央控制機(jī)的實(shí)時(shí)軟件能按照具體的使用要求運(yùn)行，需要根據(jù)被控制系統(tǒng)的具體情況進(jìn)行二次開發(fā)或設(shè)定，從而確定需要顯示的參數(shù)，顯示格式、圖形畫面，具體的統(tǒng)計(jì)計(jì)算要求等。這就需要有所謂的"開發(fā)環(huán)境"或"定義工具"等與中央控制機(jī)實(shí)時(shí)軟件相配套的專用軟件來完成。這些軟件都應(yīng)由實(shí)時(shí)軟件的提供者同時(shí)提供。一般有如下的定義開發(fā)方式：

　　·在線定義。開發(fā)定義軟件與中央實(shí)時(shí)軟件集成在一起，使用者在運(yùn)行時(shí)可隨時(shí)定義新的顯示參數(shù)，增加或修改圖形畫

　　面等。這種方式使用靈活、方便，但一般只能在有限的功能范圍內(nèi)定義，很難實(shí)現(xiàn)一些分析計(jì)算或其他特殊要求。

　　·離線編程。根據(jù)具體的使用要求，按照指定的方法或利用C語言或其他計(jì)算機(jī)語言編寫一部分程序，以實(shí)現(xiàn)各種特殊

　　要求。要進(jìn)行這項(xiàng)工作就需要熟悉整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、參數(shù)輸入輸出方式等，因此，往往都是由控制系統(tǒng)的承包商

　　完成，用戶很難自行修改和擴(kuò)充。

　　·利用專用的開發(fā)工具。由控制系統(tǒng)廠家提供離線開發(fā)工具，又稱開發(fā)環(huán)境，使用者可根據(jù)具體要求設(shè)計(jì)圖形畫面，定

　　義顯示參數(shù)，指定分析計(jì)算功能，還可以進(jìn)一步根據(jù)指定的方式設(shè)計(jì)分析控制算法。開發(fā)工具可根據(jù)使用者對具體系

　　統(tǒng)的描述，自動生成中央控制機(jī)的實(shí)時(shí)軟件。這種方式定義靈活，可以實(shí)現(xiàn)一些特殊的分析計(jì)算要求，開發(fā)工具設(shè)計(jì)

　　好的話，使用者也不會感到太困難，比離線編程要容易得多，但還是比在線定義方式轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多，使用起來麻煩些。

　　實(shí)時(shí)軟件及其開發(fā)定義方式是相互配套的，并且與整個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與中央控制機(jī)具體型號無太大關(guān)系，主要由系統(tǒng)的通訊網(wǎng)結(jié)構(gòu)、通訊協(xié)議決定。目前各種分布式控制系統(tǒng)的中央機(jī)實(shí)時(shí)軟件及其開發(fā)手段很難相互通用。

　　本講介紹了組成暖通空調(diào)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的各主要組成部分：傳感器與執(zhí)行器，現(xiàn)場控制機(jī)，通訊網(wǎng)和中央控制機(jī)。根據(jù)監(jiān)測控制管理的具體要求，由這些基本構(gòu)件即可搭配成各種形式的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。以后各講將結(jié)合暖通空調(diào)工程中各種系統(tǒng)具體介紹它們將如何構(gòu)成控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測控制管理功能。

　　1.6參考文獻(xiàn)

　　1ThomasB,Hartman.DirectDigitalControlsforHVACsystems.McGraw-Hill,inc.

　　2MichaelNewman.DirectDigitalControlforbuildingsystems.Johnwilegandsons.

　　3江億等.用于供熱空調(diào)系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制與管理的QHRH系統(tǒng)及其輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng).1990年全國暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會論文集.

　　4ShimKE.ASpecifier'sGuidetoBACnetTM.ASHRAEJ,1993,(4).

　　5BACnetTM問題和回答.ASHRAEJ,1996,(2).

　　6陳功富，韓賢東.計(jì)算機(jī)網(wǎng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).人民郵電出版社.