摘要：根據(jù)中央空調(diào)應(yīng)用需求和電氣自動化發(fā)展趨勢，本文構(gòu)建基于可編程控制技術(shù)的中央空調(diào)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。在系統(tǒng)方案設(shè)計的基礎(chǔ)上，描述中央空調(diào)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的主要功能，闡述該系統(tǒng)在穩(wěn)定性、先進性、經(jīng)濟性等方面的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：中央空調(diào)，可編程控制技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)

資料提供：本文涉及方案已在用戶現(xiàn)場實施，技術(shù)方案先進，運行穩(wěn)定。歡迎聯(lián)系藍普鋒深入探討、交流。

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中央空調(diào)廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)和民用領(lǐng)域，以實現(xiàn)制冷、供熱和除濕等功能^[1]。近二十年來，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展和人民生活水平的穩(wěn)步提升，中央空調(diào)的應(yīng)用范圍不斷擴大，應(yīng)用需求也呈現(xiàn)多元化發(fā)展趨勢，包括功能完善、性能提升、節(jié)能環(huán)保和產(chǎn)品智能化等。以前只有北方需冬季供暖，現(xiàn)在越來越多的南方地區(qū)通過中央空調(diào)等方式實現(xiàn)冬季供暖。二十年前只有少量的高檔建筑通過中央空調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)夏季制冷，現(xiàn)在的商業(yè)建筑一般都配備中央空調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)制冷功能。以前蔬菜、水果主要通過自然環(huán)境保存，現(xiàn)在越來越多的菜農(nóng)、貿(mào)易商、用戶通過冷庫等保存瓜果。醫(yī)藥、食品等行業(yè)的產(chǎn)品性能和產(chǎn)品質(zhì)量不斷提升，對生產(chǎn)過程中原材料、半成品、產(chǎn)成品的存儲環(huán)境也提出了更高要求，中央空調(diào)系統(tǒng)是滿足這些要求的重要手段。

中央空調(diào)系統(tǒng)的性能不斷提升和功能不斷增加，對電氣控制的要求也不斷提高。如何通過先進、實用的自動化技術(shù)對中央空調(diào)進行監(jiān)視、控制、管理，是中央空調(diào)領(lǐng)域電氣自動化從業(yè)人員面臨的重要課題^[2]。要實現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)的安全、高效工作，首先要對壓縮機、泵等設(shè)備進行可靠控制和有效管理，同時采集各類設(shè)備運行參數(shù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，需搭建中央空調(diào)系統(tǒng)的監(jiān)控平臺，對一組設(shè)備進行集中管理和協(xié)調(diào)控制。隨著自動控制技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的中央空調(diào)生產(chǎn)企業(yè)希望對分布在各地的中央空調(diào)機組進行監(jiān)視和管理，以實時掌握機組運行狀況，收集第一手運行數(shù)據(jù)，為預(yù)測性維護和產(chǎn)品改進提供技術(shù)支撐。因此，構(gòu)建基于可編程控制器（PLC）技術(shù)的中央空調(diào)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，是中央空調(diào)行業(yè)的發(fā)展趨勢之一^[3]。

目前，大部分中央空調(diào)機組采用單片機控制器或PLC進行控制，僅實現(xiàn)了基本的單機控制，沒有實現(xiàn)多機組的群控和協(xié)調(diào)控制，更沒有構(gòu)建綜合監(jiān)控平臺。因此，不同機組之間的聯(lián)動功能較少，區(qū)域性的聯(lián)合調(diào)度更不可能。由于沒有綜合監(jiān)控平臺，幾乎沒有數(shù)據(jù)挖掘和系統(tǒng)優(yōu)化等功能^[4]。

中央空調(diào)的控制過程需與工藝要求緊密結(jié)合，早期的中央空調(diào)多采用單片機等專用控制器進行控制，在當初條件下選擇該方案是合理的。但隨著中央空調(diào)機組的功能不斷增加，對控制器的性能、處理能力、穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)性、開放性和通訊能力等提出了更高要求。從發(fā)展趨勢看，傳統(tǒng)的單片機控制器在實現(xiàn)中央空調(diào)的控制功能時其劣勢逐步顯現(xiàn)。首先，單片機控制器不提供用戶可編程的環(huán)境，所有控制程序需由單片機控制器廠商完成，既不利于提高工作效率，也不利于中央空調(diào)生產(chǎn)廠商的知識產(chǎn)權(quán)保護。其次，相比經(jīng)受各類惡劣環(huán)境考驗的PLC而言，單片機控制器的穩(wěn)定性及可靠性要差一些。第三，單片機控制器的信號處理能力，特別是模擬量調(diào)節(jié)能力比PLC要差，不利于提高中央空調(diào)機組的經(jīng)濟效益。最后一點，單片機控制器在開放接口和網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通上性能要差一些，不利于構(gòu)建中央空調(diào)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)^[5]。

1. 中央空調(diào)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)方案設(shè)計

在設(shè)計中央空調(diào)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時，首先要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，其次要考慮系統(tǒng)的開放性和先進性，最后要充分融合中央空調(diào)機組的工藝要求。只有這樣，設(shè)計的方案才能夠代表中央空調(diào)電氣自動化的發(fā)展方向^[6]。

圖1  中央空調(diào)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)圖

本方案設(shè)計的基于PLC技術(shù)的中央空調(diào)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采用3層體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

1）現(xiàn)場控制層

最底層為現(xiàn)場控制層，主要設(shè)備為PLC或基于PLC技術(shù)的專用控制器，用于接收各類現(xiàn)場信號，進行控制運算，并輸出信號控制各類現(xiàn)場設(shè)備。輸入信號包括溫度、壓力和流量等模擬量信號，以及壓縮機和水泵的啟、停等開關(guān)量信號。PLC或基于PLC技術(shù)的專用控制器也可通過RS485等通訊接口與現(xiàn)場智能儀表進行數(shù)據(jù)交換，還可通過標準接口與其他控制產(chǎn)品進行連接。PLC或基于PLC技術(shù)的專用控制器通過串口與人機界面HMI進行連接，工作人員可在中央空調(diào)機組附近對機組進行調(diào)試與維護。作為中央空調(diào)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)控制單元，底層控制器在實現(xiàn)上述功能的基礎(chǔ)上通過無線通訊模塊與中間監(jiān)控層進行數(shù)據(jù)交互，目前用得較多的無線通訊方式是GPRS。

2）中間監(jiān)控層

中間監(jiān)控層通過無線設(shè)備接收各類現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并在監(jiān)控計算機上顯示各類設(shè)備的運行狀態(tài)和參數(shù)。監(jiān)控計算機上運行監(jiān)控軟件，對各類數(shù)據(jù)進行處理與存儲，然后通過公用網(wǎng)絡(luò)與中央監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互。

3）中央監(jiān)控系統(tǒng)

中央監(jiān)控系統(tǒng)位于最上層，用于對中央空調(diào)系統(tǒng)各類設(shè)備的集中監(jiān)視和運行管理。中央監(jiān)控系統(tǒng)一般位于中央空調(diào)生產(chǎn)企業(yè)的監(jiān)控大廳內(nèi)，由各類數(shù)據(jù)服務(wù)器、操作員工作站、工程師工作站、大屏幕顯示器和打印機等部分組成。

上述3層體系結(jié)構(gòu)組成了一個完善的中央空調(diào)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)了分散控制和集中管理的系統(tǒng)要求。如果監(jiān)控的中央空調(diào)機組數(shù)量不太多，為了提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性，也可省去中間監(jiān)控層，底層數(shù)據(jù)直接通過無線方式送入中央監(jiān)控層。

        2.    中央空調(diào)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)硬件選型

PLC或基于PLC技術(shù)的專用控制器是中央空調(diào)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)部件，控制器的選擇決定了中央空調(diào)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的性能和檔次。從產(chǎn)品性能、穩(wěn)定性和開放性等方面考慮，本方案設(shè)計的中央空調(diào)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的硬件平臺選擇RPC2000系列PLC。

RPC2000系列PLC是筆者開發(fā)的新一代PLC產(chǎn)品。RPC2000系列PLC為模塊式結(jié)構(gòu)，包括CPU，DI，DO，AI，AO和熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、交流信號采集等模塊，以及GPRS和Profibus等通訊模塊，具有如下優(yōu)點：

1）CPU性能優(yōu)越，單指令處理時間為0.1?s，CPU本體自帶RS232和RS485串口各一個，單CPU可擴展10個模塊。

2）可直接采集交流信號，并實現(xiàn)電氣保護功能。

3）編程語言符合IEC61131-3國際標準，具有ST，LD，IL，F(xiàn)BD和SFC五種語言。

4）支持各類標準軟硬件接口，可與各類組態(tài)軟件和人機界面無縫集成。

5）支持Modbus，GPRS和Profibus等通訊協(xié)議，可與各類設(shè)備互聯(lián)互通。

6）接線端子可插拔，方便系統(tǒng)實施和售后維護。

7）具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，電磁兼容性好，抗干擾能力強。

      3.    中央空調(diào)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)功能實現(xiàn)

中央空調(diào)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)以中央監(jiān)控系統(tǒng)為中心，對各類現(xiàn)場設(shè)備的運行參數(shù)和狀態(tài)進行監(jiān)視，并對各類數(shù)據(jù)進行處理和管理。中央監(jiān)控系統(tǒng)采用全中文界面，可實現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度。遵循國際標準，采用開放接口以連接第三方系統(tǒng)。高效數(shù)據(jù)庫能提供方便、快捷和經(jīng)濟、海量的過程數(shù)據(jù)采集和存儲，實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)與管理系統(tǒng)的集成。基于Web的實時信息門戶軟件，提供通用的、基于Web的客戶端環(huán)境。中央監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能有：

1）采集并記錄各類運行數(shù)據(jù)，包括實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、工作記錄、故障記錄等。

2）通過監(jiān)控畫面、趨勢圖、棒圖等方式顯示各類設(shè)備運行狀態(tài)和運行參數(shù)，根據(jù)權(quán)限修改各類設(shè)定參數(shù)。

3）根據(jù)采集到的運行參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)，以及生產(chǎn)要求，對各設(shè)備發(fā)出調(diào)度指令。

4）為其他管理系統(tǒng)提供實時運行數(shù)據(jù)，助力企業(yè)管理水平的提升。

在上位機的調(diào)度和管理下，PLC或基于PLC技術(shù)的專用控制器可實現(xiàn)如下功能：

1）具有多種開關(guān)機方式，系統(tǒng)可以采用本地、遠程控制以及定時開關(guān)機。

2）二階模糊溫度控制算法：系統(tǒng)采用二階模糊控制算法進行系統(tǒng)加減載控制，在指定的周期比較反饋溫度與設(shè)定溫度的差值，以及溫度的變換趨勢，綜合判斷機組壓縮機應(yīng)該執(zhí)行的動作。

3）壓縮機保護及均衡運行：系統(tǒng)會對壓縮機進行頻繁啟停的保護，并且會根據(jù)壓縮機運行時間優(yōu)先啟動運行時間短的壓縮機，優(yōu)先停止運行時間長的壓縮機的原則保證壓縮機均衡運行。

4）壓縮機協(xié)同控制及非滿載保護：壓縮機協(xié)同控制避免壓縮機頻繁啟動，非滿載保護避免壓縮機長時間在不利于壓縮機的低負荷下運行。

5）機組防凍功能：在冬季機組會自動啟動防凍功能，防凍功能包括冷凝器的三級防凍以及蒸發(fā)器的防凍功能。

6）水泵巡檢功能：在過渡季，避免水泵長時間不用而生銹，系統(tǒng)會自動啟用水泵巡檢功能，空調(diào)泵、井水泵在設(shè)定的時間周期會運行指定的時間。

7）定時開機功能：可選擇一周7天，每天4個時段的定時啟動。

8）機組故障保護功能：系統(tǒng)有完善的機組故障保護功能，包括缺相、壓縮機故障、水泵故障、排氣溫度過高等，除此之外還有傳感器短路、斷線檢測。

9）多級權(quán)限設(shè)置：設(shè)置用戶權(quán)限以及廠家權(quán)限，擁有特定權(quán)限可設(shè)置相應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)。

10）人機界面：PLC通過RS232與觸摸屏連接，能夠在屏上顯示系統(tǒng)運行工況、更改系統(tǒng)參數(shù)，如目標設(shè)定溫度、機組工藝參數(shù)、時間參數(shù)、機組功能參數(shù)等。

      4.   典型應(yīng)用案例

通過中央空調(diào)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，管理人員不僅能夠隨時獲取中央空調(diào)機組設(shè)備的靜態(tài)信息，而且還能夠?qū)崟r遠程監(jiān)控中央空調(diào)系統(tǒng)的運行狀態(tài)，為提高中央空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)度、管理和運行水平提供依據(jù)，優(yōu)化中央空調(diào)系統(tǒng)的運行模式，進而達到節(jié)能減排的目的。

本文以北京密云某度假村水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)為例，介紹中央空調(diào)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用情況。圖2所示為通過物聯(lián)網(wǎng)所獲得的中央空調(diào)機組運行狀態(tài)，畫面直觀地顯示了相關(guān)設(shè)備的運行參數(shù)。如果需要查看更多的工況參數(shù)信息，可以點擊相關(guān)的按鈕進行查看。

圖2  中央空調(diào)機組運行狀態(tài)

   5.  結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為中央空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用帶來了新的契機。隨著人們對信息化、智能化、節(jié)能化生活的追求，融入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的中央空調(diào)系統(tǒng)是未來發(fā)展的趨勢。隨著國家對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推進，本文所設(shè)計與實現(xiàn)的基于物聯(lián)網(wǎng)的中央空調(diào)系統(tǒng)，在市場上將有廣闊的應(yīng)用前景。

本文研究的中央空調(diào)系統(tǒng)所涉及的相關(guān)技術(shù)還能夠適用于其他控制系統(tǒng)，為物聯(lián)網(wǎng)在其他控制領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的思路與方法。

參考文獻

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