暖通空調系統的計算機控制管理(1)

　　提要介紹計算機監測控制系統的基本構成，控制器種類，與計算機系統適應的傳感器和執行器，計算機數字通訊網，控制系統的總體結構方案，以及常用的支撐軟件形式。在介紹現有技術狀況的同時，簡要回顧了歷史發展過程并展望了未來。

　　關鍵詞計算機，監測，控制，系統，數字通訊，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算機技術的不斷發展和硬件成本的持續下降，計算機在暖通空調領域有了廣泛的應用。其應用的一個重要方面，就是利用計算機系統取代常規儀表對暖通空調進行智能化監測、控制和管理。目前我國一半以上的房間空調器、整體式空調機和冷水機組都已采用以計算機為核心的智能控制器。大量空調、供熱系統開始使用計算機監測、控制系統。隨著樓宇自動化的發展，對建筑設備系統進行全面計算機管理的智能大廈等也開始增多。妥善地運用計算機技術于暖通空調系統的控制管理中，可以有效地改善系統運行品質，節省運行能耗，提高管理水平，并減少運行管理勞動強度，取得良好的經濟效益和社會效益，這在國內許多工程中都已得到證實。然而不恰當地使用計算機，盲目地上計算機控制項目，也會因投資多，收效差而造成很大浪費，這樣的工程實例并非罕見。經驗表明，只有根據暖通空調工藝過程要求，結合實際的需求情況，充分發揮計算機技術的特點，恰當地確定系統功能，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，需要暖通空調專業人員了解計算機的原理、特點，與計算機專業人員真正溝通，從而相互配合，確實用計算機解決暖通空調中關鍵問題。為配合這一需要，并根據廣大讀者的要求，本刊組織了這一系列講座。物約本刊編委清華大學江億教授撰稿，分6講授課：首先介紹有關計算機硬件、軟件和通訊網的基本知識，然后分別介紹計算機技術在空調、供熱、制冷等具體工程中應用的主要特點，最后一講介紹一些已完成的工程實例及其運行結果。希望本講座能對我國暖通空調領域計算機實時控制管理工作起到一定的促進作用。歡迎廣大讀者將意見、看法及時反饋本刊編輯部或講座作者，以使我們及時修改完善續各講的內容，更好地滿足廣大讀者的需求。

　　1.1什么是計算機控制

　　計算機監測控制系統就是以計算機為核心部分的監測控制系統。計算機監測控制系統又稱DDC（DirectDigitialControl）系統，即直接控制系統，它對測量數據的處理以及控制算法都是以數字計算為基礎，通過軟件實現的。這是20多年來監測控制系統從常規模擬儀表向計算機逐漸過渡的結果。如：

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

　　--用戶可通過K1～K4鍵輸入希望的風機高/低速狀態，單片計算機根據此命令對繼電器J2、J3進行相應操作；

　　--用戶可通過K1～K4鍵預置希望空調機啟停的時間，使單片機按時啟停壓縮機和風機；

　　--單片機可將壓縮機與風機工作狀況，房間溫度是否超出設定值，空調機是否處在停機狀態等信息通過顯示燈D1～D5顯示：

　　--當電源電壓過低或過高，停止壓縮機以實現保護。同時通過顯示燈顯示報警。

　　到底實現哪些功能，怎樣實現這些功能完全由軟件決定。軟件是預先根據此窗式空調器的運行和管理要求精心編制的，經反復實驗證實無誤后，再寫入單片計算機中。目前，具有上述功能的單片機若由芯片生產廠家在生產芯片時直接將要求的軟件寫入，當批量大時，每片售價僅為1美元左右；而由軟件開發人員個別一次性寫入程序且不能再改的單片機每片約為2至4美元。

　　這就是最簡單的計算機控制器實例。將它與常規的雙金屬片或相變液體式溫控器相比，可看出計算機控制器有如下特

　　點：

　　(1)計算機控制器的工作過程是完全由預先編制的軟件決定的，而常規儀表是由電子邏輯電路或其它直接機械硬件邏輯

　　實現，這就是為什么計算機控制又稱DDC的原因。控制管理功能是由軟件還是由硬件實現，是計算機與常規儀表控制的

　　主要區別。

　　(2)計算機控制是將各種輸入信號都直接接到計算機輸入口上，通過軟件進行統一的計算分析后，再將其結果送到各有

　　關的輸出口上，實現各種控制保護管理功能。而不是象常規儀表控制器那樣由各自獨立的一對一的單回路控制或保護

　　電路構成。這樣，采用計算機控制器就有可能全面考慮被控對象的各種參數，對其進行統一的系統性的控制、保護及

　　管理。

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

　　的，因此可根據要求通過它們實現使用者與計算機間的各種信息交流，每個鍵和每個顯示燈在不同狀態下均可表示不

　　同內容，完全不同于具有固定意義的常規儀表中的開關及顯示燈。計算機的這一特點使其可以實現與使用者間的信息

　　交流，根據要求實施大量的管理功能，這是常規儀表所遠不能及的。

　　這種單片計算機控制器自70年代末出現以來，近20年來持續高速發展，性能不斷提高，價格持續下降，應用日廣泛。據說平均每個美國人一天內接觸到的單片機的數量要多于他所接觸到的人的數量。目前，房間空調、電冰箱、洗衣機等家電產品中已廣泛應用了這類單片機控制器，各種冷水機組、空調機組也陸續開始使用這類單片機計算機構成的控制器。看來在這一領域中，常規儀表遲早會被淘汰。

　　單片計算機控制器由三部分構成：

　　(1)單片計算機本身它是計算機控制器的核心，具有多路開關量和模擬量輸入、輸出通道與外電路相連，以實現測量控

　　制管理的目的，它內部有數據和程序存儲器，可以通過軟件實現各種分析計算功能。

　　(2)傳感器與執行器傳感器感測出需要監測控制的各種物理量并將這些物理量變為電信號送到計算機，它相當于計算機

　　控制系統的眼睛。執行器指可由計算機直接控制的各種開關的閥。計算機通過開關和調整這些執行器來具體實現控制

　　功能。執行器相當于計算機控制系統的手和腳。

　　(3)用戶接口即鍵盤及顯示器等與使用者進行信息交流的裝置。它使人一機對話成為可能，是管理和維護計算機系統必

　　不可少的部分，相當于計算機控制系統的嘴和耳朵。

　　大批量生產如圖1-1所示的控制器，每臺成本僅幾百元。輸入、輸出接口數量列多，可存儲的數據及軟件空間更大的計算機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，根據控制功能的要求重新編寫這樣一個軟件也是一項耗資很大的工程，需反復測試、檢驗。這樣，對于批量小的被控設備或根據工程要求單獨設計組裝的裝置就無法采用這種控制器。這主要是由于：

　　(1)當每臺設備選擇不同的傳感器、執行器時，就要有相應不同的輸入輸出程序；

　　(2)監測、控制要求中即使有微小的差別，也需要對軟件做相應修改；

　　(3)通過人一機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的傳感器和執行器連接。為了編程方便，又需要有較多的存儲空間和復雜的支撐軟

　　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量級。暖通空調領域一般都需要用這種可以由用戶編程的計算機控制器構成計算機監測控制系統。本文也準備著重介紹這一類系統及其應用。

　　計算機技術發展中最重要的成果是數字通訊技術。利用計算機的數字通訊技術，從80年代開始，暖通空調領域就逐漸開始使用由多個計算機控制器和數字通訊網構成的分布式計算機監測控制系統。

　　分布式系統的關鍵就是數字通訊網，它與常規儀表系統中的遙測遙調系統完全不同。遙測遙調系統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的物理量的大小。每對異線或每個信道只能傳輸一個物理參數（有時通過開關轉換去實現多個物理參數的傳遞），被傳遞的物理參數（如某個溫度）的A變化都將毫無延遲地傳遞到另一方。在計算機數字通訊中，傳輸線路中傳遞的是以高低電平形式出現的0，1數字，由這些0，1二進制數構成所傳遞的信息。這樣一對導線可以傳遞任意多個物理參數，但每個參數是按一定的時間間隔一次次發出的。參數個數愈多，每個參數每次傳遞的時間間隔就愈長。因此物理參數的變化并不是毫無延遲地傳遞至另一方，而只能按時間間隔將各采樣時刻的物理參數值送出。常規儀表輸送線路上的電流、電壓信號由于線路的干擾和衰減，使接收到的數據有所變化。而數據通訊網的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，也能經過糾錯算法得以糾正或剔除，因此是無任何誤差的信息傳遞。

　　由于分布式系統具有這些優點，在暖通空調及建筑樓宇自動化系統中被廣泛地采用。計算機控制器能否通訊，能在哪種網絡結構下按照哪種通訊協議進行通訊，成為判別計算機控制器性能的重要指標。分布式系統的結構設計、任務分解、通訊方式等成為計算機控制系統設計中的主要內容。圖1-2所示僅為最簡單的分布式系統。根據控制和管理要求，實際通訊網可分為若干級，通訊介質也可以是光纖、同軸電纜、雙絞線或借用電話線及無線電通訊。系統跨越的范圍遠不止一座建筑物，目前已可以在一個建筑小區內，一個城市內乃至幾個城市間實現長距離的通訊和綜合的控制管理。

　　目前數字通訊已作為一個專門的重要領域飛速發展，成為信息革命的支柱技術。分布式控制系統的通訊網與高速信息通訊網搭接，使控制系統所涉及的暖通空調及建筑管理信息成為高速信息網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，已成為目前發展趨勢。

　　數字通訊技術的不斷完善，計算機設備硬件成本的不斷降低及軟件成本的不斷升高，導致新一代控制系統--智能傳感器、智能執行器（smartsensor,smartactuator）的出現。智能傳感器是將單片計算機與傳感器、變送器做在一起，直接通過數字通訊方式發送所測出的物理參數。智能執行器則是將計算機與傳感器變送器做在一起，直接通過數字通訊方式發送所測出的物理參數。智能招待器則是將計算機與執行器的機械裝置、驅動控制及保護裝置做在一起，可使其直接接受以數字通訊方式發來的命令，同時還可將執行結果及故障狀況以數字通訊方式發出。這樣的智能傳感器、執行器可以實現低成本大批量生產。采用這種智能裝置，可直接通過通訊網與控制器連接。控制器不再需要任何輸入、輸出接口，只需要與各智能傳感器、執行器通訊，與其他控制器通訊，并進行計算分析，以發送控制命令.

　　歸納本節內容：用于暖通空調系統的計算機控制分為3種類型：

　　(1)不具備通訊功能，不能根據具體要求改寫程序的控制器。它們可低成本大批量生產，用于各種定型設備的控制。

　　(2)具備通訊功能，控制程序可根據要求編寫修改的控制器及由此構成的分布式控制系統。這是目前在暖通空調工程中應

　　用最廣泛的計算機控制系統。

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

　　綜合上述各種系統集成方式，計算機控制系統主要由如下幾部分構成：傳感器與執行器；控制器；通訊網；中央管理計算機。

　　下面對這幾部分內容進行介紹。

　　1.2傳感器與執行器

　　傳感器和執行器是計算機控制系統的眼睛和手腳，離開它們就無法進行任何監測與控制工作。目前盡管計算機硬件價格不斷下跌，但傳感器和執行器的價格卻居高不下，甚至上漲。對于一套組合式空調機的控制系統來說，傳感器（即送、回風及新風三套溫濕度測量、過濾器壓差開關、表冷器水溫測量）、執行器（三個風閥的電動執行器及兩個電動水閥）的成本占此控制系統成本的60%以上，并且，目前計算機監測控制系統中故障率最高的也是傳感器和執行器，它們約占故障總數70%以上。因此全面了解傳感器和執行器性能，根據需要恰當地選用并正確地使用和維護它們，對于構成經濟可靠的計算機監控制系統，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

　　傳感器感應出所測量的物理量，經過變送器成為電信號送入計算機輸入通道中。根據信號形式的不同，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行分壓，以變換量程。當變送器輸出為電流時，就需將電流信號變換為相應的電壓信號。圖1-4為變換電路。一般一個控制器可能與多個變送器相連。當這些變送器均為電流輸出型，且統一由控制器的直流（24V）供電時，公共地線上將有較大電流渡過，如果變送器接地點與控制器內部測量的接地點不一致，兩點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。這一點在一個控制器連接多個變送器時，尤其要注意。控制器模擬量輸入通道AI接入電壓信號后，要經過模擬量/數字量間的轉換（A/D轉換），將其變為數字量后，再由計算機進行分析處理。A/D轉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），導線上很容易受到環境電場和磁場的干擾，疊加上其它的電壓，導致測量誤差很大乃至無效。當變送器為電流輸出時，長線輸送抗干擾的能力較強。

　　(2)開關量輸入通道DI（DigitalInput）,此時計算機只能判斷DI通道上電平高/低兩種狀態，直接將其轉換為數字量1或0，進而對其進行邏輯分析和計算。對于以開關狀態作為輸出的傳感器（如水流開關、風速開狀或壓差開關）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是為了防止開關開路時輸入口空載成為隨機狀態而設置的。除了測量開關狀態，DI通道還可直接對脈沖信號進行測量，測量脈沖頻率，測量其高電平或低電平的脈沖寬度，或對脈沖個數進行計數。這些功能對常規儀表來說比較困難，但對計算機來說，由于它的基本信號處理對象就是0，1這種開關信號，并且有很準確的時鐘，因此很容易高精度地對脈沖進行這種測量。由于這個原因，近年來出現各種脈沖形式輸出的傳感器和變送器，它們非常適合于計算機監測控制系統使用。當脈沖的頻率不是很高時（10kHz以下），線路傳輸的抗干擾能力很強，因為它只有通斷兩種狀態，小的干擾信號不會對其有任何影響

　　計算機控制器的特點是：具有極強的計算功能；直接對數字量而不是模擬量進行處理；對現場調試測出的參數不易進行調整。而常規儀表內部需有復雜的模擬電路才能進行一些簡單計算，因此很難具有很強的計算功能；它直接對模擬量進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場調試時對所測參數進行整定。由于這三點的不同，導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。對于常規儀表，首先考慮的是傳感器輸出信號的線性程度，以避免復雜的非線性修正線路。由表中可見首選的是鉑電阻或PN結器件，權衡靈敏度及一致性要求，再在這二者間選取。當采用計算機測量時，非線性很容易通過計算修正，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為標準的電流信號。

　　類似的情況還可以在一些濕度、壓力、流量等變送器的產品中找到。針對計算機易于處理開關量信號的特點，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，這樣使測量無法進行。因此一般

　　將信號輸出范圍設計成0.4～1kHz或4～10kHz。

　　(2)計數、變送器定時發出一串脈沖信號，其脈沖個數與被測的物理量成正比。計算機通過對脈沖個數的計數即可得到被

　　測物理量的數值。

　　(3)占空比方式。

　　目前開始出現內部裝有單片計算機的智能傳感器。它的輸出完全采用數字通訊標準與控制器的通訊口連接，數據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標準（詳見通訊網一節）。由于內部裝有計算機，它可以進行全部性化轉換、數據濾波、各種誤差修正等，實現真正的"智能化測量"。由于它以數字通訊方式傳遞測量結果，因此不會因干擾而產生誤差，處理適當時還可實現長距離傳遞數據。這種一體化的傳感器與變送器代表著今后的發展方向，目前的問題是尚無一致的數字通訊標準，一個廠家生產的智能化傳感器很難與另一個廠家的控制器連接，這是阻礙這種技術發展的主要原因。

　　1.2.2執行器

　　暖通空調領域控制系統中的執行器主要指風閥、水閥、交流開關等，是控制系統最終實現對系統進行調整、控制和啟停操作的手段。控制器通過兩類輸出通道與這些執行器連接：

　　(1)開關量輸出通道DO（DigitalOutput）。它可以由控制軟件將輸出通道置成高電平或低電平，通過驅動電路即可帶動

　　繼電器或其他開關元件，也可以驅動指示燈顯示狀態。

　　(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。由于計算機內部處理的信號都是開關量信號，因此這種可連接變化的模擬量信號

　　是通過數字一模擬轉換電路（D/A）產生的。

　　各種執行器根據其特點不同，分別與這兩種輸出通道連接。

　　交流接觸器這是啟停風機、水泵及壓縮機等設備的執行器。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，實現對設備的啟/停控制。當觸頭通過的電流較大時，觸頭吸合前的一瞬間及觸頭剛斷開的一瞬間都會產生電弧，此電弧是計算機的主要干擾源之一。采用由電容電阻構成的吸收電路并聯于觸頭上，可有效地減少這種干擾。但此時要特別注意所用電容的耐壓，防止電容被擊穿燒毀。為了使計算機了解接觸器是否真正吸合，一般要將接觸器的一個輔助觸頭接至控制器的輸入通道，從而使控制器能隨時測出接觸器的實際工作狀況。

　　在設計接觸器與控制器的連接關系時，一定要注意控制器最初上電時DO口上的初始狀態。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。此時應采取一些措施，以避免在這些交流開關開機瞬間的動作。

　　有時需要兩個接觸器控制風機/水泵的電機在兩種不同轉速下運行，此時，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，不會同時啟動兩個接觸器，但在控制器通電瞬間和偶然受干擾的情況下，會短時間在各個DO上同時出現高電平或低電平。無互鎖保護就有可能導致電機燒毀。

　　風閥、水閥有使用氣動執行器和電動執行器的兩種類型。采用氣動執行器時需要將控制器的模擬量輸出的信號（AO）接至電氣轉換器，電氣轉換器根據輸入的電壓或電流的大小，產生0～0.1Mpa壓力的空氣，再通過氣路送至氣動執行器的氣室中，推動活塞或隔膜完成對閥的調節。也有的氣動執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。氣動風閥、水閥動作可靠，故障率低，可以在較惡劣的環境下運行。在有現成的壓縮空氣源的場合，應該優先選擇氣動執行器。由于閥門執行機構是氣動的，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的閥門位置信號，無法判別閥門的機械故障。在選擇電氣轉換器或閥門定位器時，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，應與相應的控制器輸出通道相匹配。

　　風閥、水閥的電動執行器一般由一臺三相或單相電機通過機械減速系統與閥連接，控制電機的正轉、反轉或停轉，可以使閥門開大、關小或不動。機械減速系統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，成為反映閥位狀態的電反饋信號。為了防止閥門全開后或全關后電機繼續運轉，執行器內還在相應位置設有限位開關。當閥門到達全開或全關位置時，通過機械裝置直接切斷限位開關，使電機停止。圖1-9為常見的電動執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，與測出的實際閥位進行比較，當實際閥位小于設定值時，正轉開關打開，電機正轉，開大閥門直到比較器輸出為0時，電機停止；反之則電機反轉使閥門關小。計算機控制器必須將內部的數字信號通過D/A轉換，成為模擬量輸出信號AO，送到比較器。為了使計算機了解閥門的實際位置，識別機械故障，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的限位開關信號作為控制器DI口的輸入信號，接入計算機，使計算機可以辨別這些超調狀態。

　　計算機輸出的控制閥位的模擬量信號就是為了在比較器中與實測的閥位信號比較，以決定電機的正轉或反轉。既然還要將閥位信號接入計算機，那么，就可以直接在計算機內進行比較和分析，決定閥門電動機應該正轉、反轉還是停止，通過DO輸出通道直接由繼電器驅動閥門電動機。這樣做可以直接用兩個開關量輸出通道DO和一個模擬量輸入通道AI帶動一個電動閥，省去計算機內D/A轉換的環節和閥門控制器內的比較器部分,過程的簡化可減少成本和提高可靠性。這樣做的缺點是將使計算機內控制閥門的程序比較復雜，并且需具有很好的實時性，一旦測出閥位至達設定值能立即停止電機轉動。

　　變頻器及可控硅此類執行器是直接對電量進行調整，改變供電頻率以改變風機、水泵的電機轉速或改變供電電壓以調整電加熱器加熱量。為了能與常規儀表相連，這些變頻器和可控硅調壓器產品一般都設計成要求電壓或電流式的輸入信號，因

　　此，要通過計算機控制器的模擬量輸出口AO與其相連。由于此類設備都是直接調整電網供電參數，一般都會產生很大的電干

　　擾，有時使控制計算機不能正常工作。為此，在選擇這類執行器時一定要充分注意，選擇干擾小的產品，并在計算機一側采取相應的措施。

　　隨著計算機和數字通訊技術的發展，以單片機為核心的新一代智能型執行器開始出現。例如電動閥內的單片機直接測量閥們和各種故障信號，通過好的控制算法準確確定電機正反轉運行和啟停時間，使閥門準確可靠地調到設定值處。還可以通過數字通訊方式與計算機控制器對話，獲取要求的閥位信息，報告閥門的實際位置及故障狀況。目前的大部分變頻器內部由計算機控制，有些已具備通訊功能。但由于至今沒有這種層次上的數字通訊標準，很難使一個廠家的計算機控制器與另一個廠家的智能執行器通過通訊連接，這是目前影響這種智能執行器發展的主要原因。

　　1.3現場控制機

　　現場控制機是分布式計算機監測控制系統的基本單元。它直接連接各種傳感器、變送器對各種物理量進行測量；直接連接各類執行器，實現對被控制系統的調節與控制。同時，還與計算機通訊網相連接，與中央管理計算機及其它現場控制機進行信息交換，實現整個系統的自動化監測控制和管理。不同的系統形式和產品系列對現場控制機有不同的名稱，例如UC（UnitController單元控制器）、DCU（DigitalControlUnit數字控制單元）、RTU（RemoteTerminalUnit遠程終端）等。目前，可編程控制器（PLC）經過多年的發展、完善，各種功能及使用形式也接近于上述各類現場控制機，無本質區別。

　　現場控制機的原理性它根據程序儲存器存儲的程序，一步步執行程序所規定的工作。這些工作包括：

　　(1)各種數學運算和邏輯分析判斷。運算分析的原始數據可從數據存儲器中讀出，運算分析的中間結果和最終結果都可以

　　存放在數據存儲器中。

　　(2)從輸入接口中讀出經過輸入接口進行了信號轉換后的各種傳感器的輸入信號，并將這些信號以數字的形式存放于數據

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

　　數字信號，隨時供CPU讀出。

　　(3)根據控制要求和存于數字存儲器的分析計算結果，將對執行器的操作命令送到輸出接口，輸出接口根據所連接的執行

　　器的種類將這些輸出命令轉換為相應的信號形式，使執行器產生相應的動作。

　　(4)讀取鍵盤狀態，得到使用者健操作狀態，對它進行分析處理。根據程序要求或使用者的鍵命令將相應的數據送到顯示

　　單元。

　　(5)從通訊接口讀入數據并將其存儲于存儲器中。根據程序要求，將數據存儲器中的有關數據送至通訊接口，實現通訊。

　　CPU除了按照程序中所設計的步驟執行上述各類工作外，還具有"中斷"功能。所謂"中斷"就是當某個中斷信號出現時，CPU暫時停止按照程序順序進行的正常操作，轉為執行處理此中斷信號的專門程序，待該程序執行后，再回到原來暫時停止的狀態，繼續執行原來的程序。所謂中斷信號可產生于如下場合：

　　(1)時鐘中斷時鐘每間隔一定的時間（如1S或100ms）發出一個中斷信號，強迫CPU執行一段需定時處理的程序。這樣就

　　可以實現測量和控制中的各種計時和定時控制。

　　(2)通訊中斷當通訊接口收到通訊網上傳來的數據時，可發出中斷信號，強迫CPU先處理此收數工作。這樣即可保證通

　　訊的實時性。

　　(3)輸入通道中斷將輸入接口中的某個通斷信號（on-off信號）接入中斷輸入口或將某輸入通道設置為中斷入口。當此

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

　　種中斷方式實現。

　　(4)鍵盤中斷使用者按動鍵盤后，也可產生中斷信號，使CPU立即轉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、時鐘、存儲器、通訊接口與鍵盤顯示等部分合在一起，構成現場控制機，實現測量、控制、管理及與系統的其它部分進行數字交換等功能。下面進一步分別討論圖1-11中的各個功能塊。

　　1.3.1程序存儲器

　　程序存儲器存放將由控制機執行的全部程序。它所存儲的內容唯一地決定了控制機的工作內容。程序存儲器可儲存的容量以字節為單位給出。1～3個字節構成一條指令，成百上千條指令構成程序。程序存儲器容量一般用"kB"或"MB"給出，1kB為1024個字節，1MB為1024×1024個字節。簡單的控制器如窗式或分體空調器的單片控制器，其程序存儲器容量為2kB或4kB，復雜一些的用于冷凍站或組合式空調箱的控制機程序存儲器容量可達幾十或幾百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，它的內容在器件生產廠生產時就已經寫好，不能改動。這種存儲器成本很低，但必須在器件生產廠大批量寫入（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。在暖通空調領域，目前只能用于窗機、分體空調機這類批量大的產品的控制器中。在暖通空調領域，目前只能用于窗機、分體空調機這類批量大的產品的這也是這類產品的控制器價格很低的主要原因。EPROM(ErasableProgrammableRead-OnlyMemory)為可擦寫編程的只讀存儲器這種存儲器帶有一個透光窗口，通過專用的紫外線擦寫器可將以前寫入的內容清除，然后通過專門的程序寫入器再寫入新的程序。這是目前大多數控制機使用的程序存儲器。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人員完成，這不單因為擦寫和寫入需要專門設備，更重要的是因為程序改寫工作的困難性。一臺控制器的程序與控制器的硬件設計、對外通訊方式等許多因素有關。即使僅改動很少的測量或控制要求，也需要對整個控制器的編程規則有全面的了解，必須掌握足夠的與此控制機有關的編程資料才能進行此項工作。E2PROM（Electrically-ErasableProgrammableRead-OnlyMemory）為電可擦可編程只讀存儲器，它儲存的內容可在線修

　　改，斷電后仍能保存。通過適當的軟件支持，使用這種程序存儲器的控制機可以通過鍵盤或外接的現場編程器修改其中的內

　　容，還可以通過通訊網，直接在中央控制機處對與通訊網相邊連的各臺控制機進行測量與控制要求的設定，實現所謂"下裝載"編程方式。RAM（RandomAccessMemory）為隨機存儲器，它的內容可隨時通過程序來修改，但斷電后即消失，有些控制機通過專門的備用電池保證RAM的經常供電，用RAM作為程序存儲器，從而也可以實現現場由鍵盤或外接編程器編程和通過通訊網的下裝載方式編程。程序存儲器的容量和形式以及由此決定的編程方式是區別控制機性能的一項重要指標，是在系統選型時應主要考慮的因素之一。

　　1.3.2數據存儲器

　　與程序存儲順不同，數據存儲器用來存儲各種測量結果、計算分析中間結果及最終的計算分析及控制結果。它的內容必須能隨時改寫。大多數控制機用RAM方式的數據存儲器，當沒有備用電池時，斷電后儲存內容將消失。有些控制機為了保存一些重要數據如溫濕度設定值、空調啟停時間等，也采用一部分E2PROM或帶有備用電源的RAM作為數據存儲器。當只需要簡單的測量與控制、只保持當前測量參數時，僅幾百個字節的數據存儲器即可滿足要求。當需要進行復雜的測量、數據處理和控制所要求的計算機分析時，尤其是要記錄以往的測量數據供使用者通過鍵盤或通訊網查詢時，就需要較大容量的數據存儲器，一般可達幾十kB或幾百kB。RAM分動態存儲器與靜態存儲器兩種，前者的成本遠低于后者，但需要專門的刷新電路，電耗較大。當需要在斷電后通過備用電源長期保存存儲器內容時，應當用靜態存儲器。

　　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、變送器發出的反映所測物理量的各種信號轉換為CPU能夠處理的數字信號，被CPU讀取。傳感器、變送器發出的信號可分為：通斷狀態量(on-off)、連續脈沖的頻率信號、電流或電壓的模擬量信號3類。

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

　　等連接，以使計算機測出這些裝置所連接的設備的工作狀況。一些輸出通斷信號的傳感器如風速開關、溫度開關、壓

　　差開關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，毀壞整個計算機系

　　統，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，它將一個發光二

　　級管與一個三極管封裝在一起。當輸入為高電平時，發光二極管側有足夠的電流通過，二極管發光導致三極管導通，

　　從而計算機輸入口處成為高電平；輸入側為低電平時，二極管無電流而熄滅，三極管截止，從而計算機輸入口成為低

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

　　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

　　擇現場控制機時要看其DI是隔離型還是非隔離型，同時還要使其DI的通道數大于或等于所需要的測量路數。

　　(2)連續脈沖一般來說如果控制機提供相應的測量程序，連續脈沖信號可直接接到DI輸入通道進行測量。但有時要準確地

　　對脈沖個數連續計數，DI口又不提供中斷功能時，就要使用帶有脈沖計數器的輸入通道。脈沖個數自動在計數器中累

　　加，CPU可定時讀取計數器并對其清零。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。

　　在輸入口上并聯適當的電阻，也可以測量0～10mA或4～20mA的電流信號。由于計算機只能處理數字量，因此連續變化

　　的電壓信號要通過A/D轉換電路才能變為數字信號，被計算機所接收。A/D轉換電路的功能就是對輸入的電壓信號進行

　　測量，如同一臺數字電壓表。不同的A/D轉換器具有不同測量轉換精度。一般以A/D轉換器輸出的數字信號為二進制碼

　　的位數來度量A/D轉換的精度。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℃的鉑電阻溫度計測溫，采用

　　8位A/D時，測量精度不會優于100℃的0.4%即0.4℃。實際上再考慮變送器的誤碼差、A/D電路的準確性等因素，此時地

　　測溫準確性只能達到1℃。除非改變變送器，將量程縮小。當要求高的的測量準確性時，要注意選擇具有多位A/D轉換

　　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行隔離。但對連續變化的模擬量信號的隔離要

　　遠比通斷量信號困難。可能的方式有兩種：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。這種隔離放大器價格較高。再一方式是在A/D轉換后的數字信號側進行隔離。這樣做有一定的難度且增

　　加了電路的復雜性。一臺控制機一般只設一個A/D轉換電路。當需要測量多個模擬量時，一般在模擬信號側接入CMOS開

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

　　一般的現場控制機分別配有若干路DI、AI輸入通道，有些還配有測量脈沖的計數器通道。在選用時可根據需要測量的信號的種類和個數選擇相應的現場控制機。也有的現場控制機的輸入通道為通用型，既可接入開關信號又可接入模擬量信號，只要在內部通過程序設置好即可。這種接口實際上全部為AI通道，在對通斷量進行測量時只是在程序中設一閾值，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。還有的控制機將輸入通道全部做成帶隔離的DI通道，當某一路需要接入模擬信號時，在此路通道上外接V-F轉換器，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。但由于每個模擬量測量都需要外接V-F轉換轉換

　　器。成本會略有提高，對頻率進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，現場控制機的輸出接口也分為用來帶動繼電器通斷的數字量輸出--DO（DigitalOutput）和用來驅動閥門、可控硅、變頻器等需要連續變化的電壓或電流信號的模擬量輸出--AO（AnologyOutput），有時還有連續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通道與主機間無直接電

　　連接。由于DO一般用來直接驅動或通過繼電器來帶動電氣設備，了解它的驅動能力很重要。有的控制機的DO輸出通道

　　是直接由光電隔離或小功率開關電路引出，它的驅動能力不大于20mA。這時要帶動一個電氣設備（如電機的交流接觸

　　器電動閥門的單相電機，電加熱器等），必須通過中音繼電器。有的現場控制機的DO輸出通道內已裝有常規繼電器或

　　可控硅構成的無觸點繼電器，通過電流可達1A或更大。此時一些功率不大的電設備就可以直接驅動。

　　(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

　　一相應的電阻即可，但這時與其相連接的設備的輸入電阻要足夠大。當要驅動的設備為電流型時，亦要注意其輸入電

　　阻不應超過額定值。由于計算機內部只能處理數字量，因此，輸出的模擬量信號通過D/A（數字到模擬）轉換而得到。

　　同A/D一樣也有其轉換精度。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

　　的現場控制機內的模擬量輸出（AO）通道都是8位轉換精度。由于模擬量輸出信號要與被控制設備直接相連，直接決定

　　被控制設備的狀態，因此AO輸出不能像AI那樣用多路開關轉換來產生多路通道，每路AO通道一般都是由獨立的D/A轉換

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

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

　　電流輸出。這樣做成本略高，但系統組態靈活，并可使輸出全部實現光電隔離，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，是現場控制機的一個十分重要的性能指標。有關通訊接口、通訊方式及通訊標準的詳細內容見下一節。

　　1.3.6鍵盤與顯示

　　當控制機帶有通訊接口，能夠與其它現場控制機及中央控制機構成分布系統時，它的狀態檢查和工作任務設定往往在中央控制機處通過通訊網進行，此時現場控制機的鍵盤和顯示器僅僅是供維護、維修和調試時使用。鍵盤一般僅設幾個按鍵，顯示器采用數碼管或僅用一些顯示燈來表示狀態。也有的控制機干脆不設鍵盤，僅有幾個表示運行狀態的顯示燈。通過外接帶有鍵盤和顯示器的操作器來進行維護維護和設定工作。由于現場控制機與使用者的信息交換主要靠通訊網通過中央控制機進行，因此鍵盤和顯示方式不應作為現場控制機的主要性能指標。

　　1.3.7整機結構

　　現場控制機的CPU不同，上述各種功能電路不同，導致整機結構大不相同，大致可分為如下3類：

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

　　腦類似。可以配大量的程序存儲器和數字存儲器，從而直接運行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。這類控制機計算能力及存儲器

　　容量遠遠超過控制和管理一臺空調設備的要求，但為解決輸入輸出需大量的接口線路。線路的復雜和器件數量的增多

　　一方面增加了成本，另一方面是否也會降低系統的可靠性和抗干優能力呢？

　　(2)采用單片機作為CPU的通用型控制機。目前有大量不同型號的專門作為實時監測控制用的單片機問世，它們除具有

　　CPU的功能外，還將大量的輸入輸出接口電路、時鐘、通訊和部分程序和數據存儲器都集成到一個芯片中，只要外接一

　　部分程序和數據存儲器并擴充部分輸入輸出接口電路，就可以構成完全滿足空調設備控制監測要求的現場控制器。目

　　前大量的"可編程控制器"及一些專業廠商推出的暖通空調領域的現場控制機都是采用這種形式。由于單片機的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據存儲器。這在一般情況下也足以滿足要

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

　　由于單片機集成的內容全面，因此這類控制機線路要簡單些，器件少，成本低，同時抗干擾性和可靠性也會相應高一

　　些。

　　(3)采用單片機的專用型控制機。這是以單片機為主體，專門為某種空調設備（如新風機組、變風量末端裝置等）設計的

　　控制機。為了盡量使用單片機內的存儲器和輸入輸出通道資源，程序被設計為專用程序，被控設備的形式及傳感器、

　　變送器及執行器都被確定或僅能作有限的選擇，使用者很難對程序進行修改。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。如果這種控制機所支持的通訊方式與通訊網兼容，所控制的設備及要求的傳感器、執行

　　器與工程要求一致，這類控制機應為最優先的選擇。

　　1.3.8編程方式

　　要使現場控制機完成要求的測量控制和管理工作，除要有適宜的硬件，還必須有相應的軟件。現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、內存尋址方式等許多與具體硬件結構有關的內容，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，一臺現場控制機的全面編程和程序的全面試驗與驗證也是一項很大的工程，從論證到全面完成將是1人1年左右的工作量。因此很難對一個具體的暖通空調控制工程從頭編制現場控制機軟件。作為一個現場控制機產品，必須提供相應的用戶編程手段。編程手段的強弱、易用性、靈活性等是考察和選擇現場控制機系列的重要考慮因素之

　　一。目前常見的現場控制機有如下幾種編程。

　　(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要求進行選擇。通過輸入計算機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設

　　定。輸入和設定后的結果存于現場控制機的EPROM中或帶有備用電源的RAM中，以供長期運行時用。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，無法實現任何特殊的測量控制和管理要求。有時

　　使用者的一些對測量和控制的很簡單的改動也難以實現。這種方式的適用與否取決于設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。根據實時控制測量的特殊性，各廠商陸續開發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制機器碼，將其寫到EPROM中后，即可在現場控制機中直接運

　　行。圖1-13為用RH系列控制機的專用控制語言寫成的用風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。越來越多的控制機產品采用這種方式編程。目前的問題是尚無統一標準。各廠家自行制定

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

　　控制器產品系列中。

　　(3)C語言編程。C語言是目前個人計算機領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，并調用測量、控制驅動等標

　　準模塊，然后編譯成可在現場控制機上直接運行的程序。由于C語言不是專門為實時測量控制而設計的，因此在描述時鐘

　　及中斷處理等要求時有一定困難。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、可移植性遠優于用專用控制語言編程的方式。

　　1.4數字通訊網絡

　　分布式計算機控制系統依靠通訊網絡將各臺現場機及中央控制管理計算機連接在一起，實現它們之間的數據交換。通訊網如同控制系統的中樞神經。它的通訊方式、速度、效率直接關系到整個系統的工作性能。通訊故障、中斷則將使用權各控制機成為孤立單機，整個分布式系統癱瘓。隨著信息業的發展，數字通訊技術發展迅速，人類對它的要求更高。控制管理系統也逐漸由以現場控制裝置為核心向以通訊網絡為核心過渡，通訊網絡逐漸成為控制系統中最重要的環節。

　　1.4.1數字通訊基本概念

　　數字通訊顧名思義就是通過傳遞數字信號來實現信息交換。控制機A定時測出連續變化的溫度，將每次測出的溫度數值轉換為由一串0和1構成的二進制數。通訊接口相當于開關K。根據要傳輸的這個二進制數依次接通和關斷開關，以分別表示0和1，從而使控制機B接收到此通斷信號，由此得到控制機A測出的溫度數值。

　　為常規的直接將模擬量的電壓/電流信號長線連接實現遙測的原理圖。同樣是連續變化的溫度信號，經變送器后變為隨時間連續變化的電壓或電流信號，長距離送至電壓表后，仍為連續變化的電壓或電流信號。比較二者有如下不同：

　　(1)數字通訊傳輸的是由"通""斷"這樣的開關信號構成的數值，可以完全無誤地傳輸。如果由于硬件故障或線路干擾，使

　　某一位傳輸錯誤，那么此錯誤發生在最低位與發生在最高位的概率相同，即出現故障時將32.5℃傳輸成32.4℃與傳輸成

　　12.5℃的可能性完全一樣。通過校碼技術，很容易發現錯碼，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℃傳輸成32.4℃或32.6℃，但誤差僅限于系統的最大傳輸誤差范圍內

　　，絕不可能將32.5℃傳輸成12.5℃。同時，模擬信號不可能進行校驗，因此只能是誤差在一定范圍內的"有誤傳輸"，數

　　字傳遞的誤碼可以通過校驗發現，并通過重發校正，從而做到完全無誤。"無誤傳輸"與"有誤傳輸"是數字通訊與模擬量

　　傳輸的最主要差別。

　　(2)數字通訊一次傳輸一個數值，最多只能是間斷地給出某個物理量的定時采樣時刻下的測量數值，而模擬信號傳輸卻是

　　連續不斷地傳輸某個物理量的連續變化。反之如果不考慮采樣時間，數字通訊的一個通道可以輸送任意多個物理量或任

　　何其它信號，而模擬量傳輸只能傳輸一個物理量。這樣，數字通訊的傳輸容量遠遠大于模擬量傳輸。

　　由于無誤傳輸和傳輸容量大這兩個特點，數據通訊逐漸代替了各種場合下的模擬量傳輸。

　　1.4.2數字通訊傳輸速度

　　數字通訊中的一個通斷信號稱一位（1bit），傳輸速度以每秒傳輸多少位來度量，稱波特率（Baudrate）。數據通訊的波特率視通訊介質、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，每個字節為10位，則每秒種可以傳輸100個字節，當采用標準ASCII碼傳遞時，一個字符為一個字節，32.5℃包括小數點和符號℃共5個字符，則每秒鐘最多僅能傳遞20個數據；當波特率為1Mbit/s時，則每秒鐘可傳遞這樣的數據個。表1-2列出一些典型的傳輸介質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的數字信號經過調制解調器（modem）調制成連續變化的模擬信號再通過普通的電話線路或無線電臺傳輸、接收再通過調制解調器將其轉換回數字信號。

　　1.4.3通訊網絡結構

　　一個分布式計算機控制系統，需要許多臺計算機連在一起相互交換信息，這就要考慮它們之間的連接關系，這稱之為網絡的拓撲結構。

　　1.4.4通訊協議

　　要使各節點上的計算機控制器彼此進行數據交換，除網絡結構硬件連接外，更重要的是要有相應的通訊協議（protocol）。所謂通訊協議指各節點間按照何種方式相互配合，實現通訊。這主要包括如下內容：

　　（1）物理連接與數據傳輸方式的協議。即連接通訊線路的接口，設備的電信號標準，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方式及電流環方式均指這一層次上的協議。

　　數據傳輸格式則規定發和收的速度（波特率），規定信息傳遞的基本單元的格式，例如發送1200bit/s,每10bit(位)構成一個字節，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的八位二進制數，最后為一位高電平的停止位。也有11位、9位或8位構成一個基本字節的數據傳輸格式。

　　這兩層協議不同就不可能直接通訊，但可以以中間變換設備，將通訊信號從一種協議轉換為另一種協議，以實現在這兩個層次上協議不同的設備間的通訊。

　　（2）多個通訊節點連接到一起后，相互對話和網絡管理的協議。例如，每個通訊節點的地址（名字）規定采用"主從式"還是"點對點"方式，"主從式"時主機呼叫下位機的格式及下位機回答后發送數據的格式；"點對點"方式時相互尋址方式，糾正碰撞方法，校驗錯碼與糾正錯碼方式等。這些協議是保證通訊網連接在一起的各節點間能夠有效地傳輸信息的基礎。通訊系統的功能及效率在很大程度上與此層次上的協議有關。例如采用主從式協議，只有上位機呼叫下位機時，下位機才能將實測的數據與工作狀態送至上位機。當作為下位機的現場控制機發現被控制設備出現異常時，也只能等上位機呼叫時，才能發出報警信號。而采用"點對點"通訊時，連在網中的各個通訊節點地位平等，隨時可向任何一個節點發出信息。有故障時可及時報警，各臺下位機之間也可以直接通訊相互配合進行控制管理工作。當中央管理機需要連續監視單臺空調機的工作狀況時，如采用"主從式"通訊方式，每10s向管理該臺空調機的現場控制機呼叫一次，現場控制機將此時測出的溫濕度及風機、閥門的工作狀態送回。如每次僅呼叫一個參數，則雙方傳輸內容中真正有用的信息不足20%，其余全用于呼叫、對話、校核等。如每次發出反映系統工作狀態的全部數據，則傳輸內容中的有用信息為50%～60%。當采用"點對點"通訊時，不需主機詢問，現場控制機可自動定是報告，這就進一步提高了信息傳遞的有效性。再進一步，現場控制機可以以每5min發一次數據，同時在某參數發生變化時（如溫度變化0.2℃以上，風機開關狀態變化等）及時發出該參數信息。由于空調機中大部分參數變化并不頻繁，因此，這可以使網絡上的數據傳輸量很小而中央管理機則得到系統參數的變化狀況比每10s通訊一次的"主從式"更及時。有例子表明，上述方式網絡上要求的數據傳輸量僅為"主從式"時的1/20左右。于是點到點方式波特率為2400bit/s時即可實現波特率為48kbit/s的主從式通訊的同樣效果。

　　（3）用戶層協議。前面各種協議使各通訊節點間能傳遞信息，但并不能使接收方理解收到的信息，用戶層協議指明用何種編碼形式來實現用戶間的對話。例如，信息可用ASCII碼的方式表述，任何一個數字、字母都可以用一個字節的二進制數表示。測點1的溫度為23.5℃，可直接用"t1=23.5℃"8個ASCII碼給出。另一種方式是直接用二進制碼傳遞數據，數據在數據串中的位置決定其物理意義。這樣上述溫度的信息僅用3個字節即可給出。但此時通訊的雙方需嚴格約定各個要傳遞的物理量在數據串中的位置。在實際的暖通空調控制管理系統中，通訊信息要涉及多種內容，如開關設備、調整閥門、故障報警、物理量測量等，這就需要一套完整的用戶層協議來支持。

　　目前分布式控制管理系統都是由各生產廠家自行開發研制，因此，其通訊系統的協議都不相同，尤其是用戶層的協議彼此不同，這導致不同的控制系統很難相互通訊。目前大量的冷水機組、柜式空調機都裝有計算機控制器，并具有通訊功能。但當采用不同的計算機控制器，并具有通訊功能。但當采用不同的計算機控制系統全面控制管理整個空調系統時，這些控制器都難以與系統進行通訊。為此有時中間還要增加許多信號變換設備來解決通訊協議不相同的問題。一座建筑包括消防、保安、空調、電力管理等許多控制系統，有必要實現各系統之間的信息交換。當各個控制系統采用不同廠家的產品時，由于協議不同，也造成相互之間無法通訊。有時為此增加大量的硬件和軟件來解決不同系統之間的通訊問題。隨著計算機控制系統發展的日益廣泛，通訊系統越來越重要，制定統一的通訊協議使不同系統間能夠通訊成為廣大用戶的迫切要求。為些，美國ASHRAE委托NIST（美國國家標準局）研究出BACnet標準，于1996年初正式推出。如果各廠家的通訊系統都按照這個標準設計，則各種控制器、各種控制系統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通訊標準的控制系統，但直到此標準正式推出一年后的今日，仍沒有一個廠家用BACnet標準通訊取代自己原有的通訊標準。這是由于要完全實現此標準，各公司的硬件、軟件都要進行較大改動。看來真正實現各種控制設備和控制系統間的自由通訊還需要相當一段時間。

　　目前信息通訊產業飛速發展，信息高速公路、Internet等成為發展熱點，這將為分布式控制系統的通訊系統提供大量的技術支持，同時亦對其提出更高的要求。現在在局部通訊網之上搭乘Internet,實現對控制系統大范圍遠距離的管理已經可以實現，然而對于服務于控制系統的局部通訊網，它仍有許多與Internet所不同的要求，例如實時性，對各種復雜的控制命令的理解等，許多方面還需要發展與此相適應的技術。

　　1.5中央控制機

　　中央控制是控制管理系統與使用者進行交流的主要接口。中央控制機接收各現場控制機通過通訊系統傳來的系統運行參數，以圖形、數表或打印報表的形式向使用者顯示。使用者則通過中央計算機向各現場控制機發出各種調節的命令，如開啟/停止風機、水泵等設備，調整風閥、水閥，修改系統設定值等。此外，作為控制管理系統的中心，中央計算機還可以具有如下功能：

　　（1）建立數據庫，儲存系統長期的運行記錄，供顯示和分析用；

　　（2）統計分析系統的運行參數，如各臺設備運行時間、運行能耗等，供管理人員參考；

　　（3）協調各現場控制機的工作，指揮整個系統的運行調節。例如當發現各臺空調機組都將其冷水閥開到最大，而送風溫

　　度或濕度仍偏高時，即送命令給冷凍站將冷凍水出水溫度調低；

　　（4）分析各現場機送來的數據，判斷系統中是否有些部件出現問題，例如某些傳感器、執行器出故障，風機皮帶松動轉

　　速降低，空氣過濾器阻力過大需清洗等，及時向使用者報警。

　　根據系統通訊網絡結構的不同，可以僅設一臺中央控制機實現上述各功能，也可以在系統中設置多臺中央機，分攤上述各項分析、管理與控制功能。有時中央控制機可分別安裝在值班室、維修人員辦公室或管理人員辦公室，供各部門人員隨時掌握系統運行狀況。可以僅設一臺向下發關命令的主計算機，其他各臺僅記錄和顯示系統狀況，也可以是幾臺計算機分攤控制、管理和故障診斷的工作。

　　80年代較多鐵系統使用專門的計算機人作為中央計算機。有些是要求系統容量大，軟件平臺功能強，使用UNIX操作系

　　統；有些則完全是由于商業原因，近年來個人計算機發展迅速，各種以486、Pentium為CPU的個人機完全可以勝任中央機的各種要求，在Pentium機上運行的UNIX操作系統也已推出，因此從功能上看個人計算機完全可以用作中央計算機。從硬件的可靠性看，個人計算機也可以長期連續運行，在一般場合設置中央機的現場環境不會太惡劣，完全可以滿足個人計算機長期使用的要求。中央機主要承擔系統參數顯示等管理任務，短期出現故障時，現場控制機仍可正常執行其控制任務，因此，不會給系統運行帶來危害。在要求較高的場合，只在采用雙機熱備份方式，即兩臺計算機同時執行同樣工作，只是其中的一臺不向發送控制命令，當一臺臨時出現故障時，另一臺可立即轉換成承擔全部工作。個人計算機的硬件價格已降至人民幣1萬元左右，遠低于其軟件價格和專用的中央控制機了。

　　對于中央控制機，其功能的優劣主要取決于它的軟件系統。這包括中央控制機實時運行的軟件和為用戶提供的該軟件的開發和設定環境。

　　中央控制機實時運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。一般的實時控制管理軟件都具有顯示各種實測參數及由使用者輸入設定值或啟停和調整設

　　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。

　　·數據庫功能。能否存儲長期的實測數據，儲存周期為一年，一個月，一周還是一天。所存的歷史數據能否以曲線等

　　形式方便地顯示并允許使用者進行各種查詢。

　　·計算分析功能。能否在與用戶對話、顯示系統運行狀況的同時還進行一些分析計算和數據處理工作。如統計能耗、

　　統計設備運行時間及至對系統進行全面分析和統一的調節。目前能夠同時支持這種分析計算功能的中央控制機軟件還

　　需要太多。

　　為了使中央控制機的實時軟件能按照具體的使用要求運行，需要根據被控制系統的具體情況進行二次開發或設定，從而確定需要顯示的參數，顯示格式、圖形畫面，具體的統計計算要求等。這就需要有所謂的"開發環境"或"定義工具"等與中央控制機實時軟件相配套的專用軟件來完成。這些軟件都應由實時軟件的提供者同時提供。一般有如下的定義開發方式：

　　·在線定義。開發定義軟件與中央實時軟件集成在一起，使用者在運行時可隨時定義新的顯示參數，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定義，很難實現一些分析計算或其他特殊要求。

　　·離線編程。根據具體的使用要求，按照指定的方法或利用C語言或其他計算機語言編寫一部分程序，以實現各種特殊

　　要求。要進行這項工作就需要熟悉整個系統的數據結構、參數輸入輸出方式等，因此，往往都是由控制系統的承包商

　　完成，用戶很難自行修改和擴充。

　　·利用專用的開發工具。由控制系統廠家提供離線開發工具，又稱開發環境，使用者可根據具體要求設計圖形畫面，定

　　義顯示參數，指定分析計算功能，還可以進一步根據指定的方式設計分析控制算法。開發工具可根據使用者對具體系

　　統的描述，自動生成中央控制機的實時軟件。這種方式定義靈活，可以實現一些特殊的分析計算要求，開發工具設計

　　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換環節多，使用起來麻煩些。

　　實時軟件及其開發定義方式是相互配套的，并且與整個控制系統結構有關，而與中央控制機具體型號無太大關系，主要由系統的通訊網結構、通訊協議決定。目前各種分布式控制系統的中央機實時軟件及其開發手段很難相互通用。

　　本講介紹了組成暖通空調計算機控制系統的各主要組成部分：傳感器與執行器，現場控制機，通訊網和中央控制機。根據監測控制管理的具體要求，由這些基本構件即可搭配成各種形式的計算機控制系統。以后各講將結合暖通空調工程中各種系統具體介紹它們將如何構成控制系統，從而實現監測控制管理功能。

　　1.6參考文獻

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