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(duì)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(dòng)化的發(fā)展，對(duì)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(dòng)強(qiáng)度，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(huì)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(shí)，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(duì)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(duì)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(duì)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。控制管理功能是由軟件還是由硬件實(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(hào)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(duì)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(duì)象的各種參數(shù)，對(duì)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。看來在這一領(lǐng)域中，常規(guī)儀表遲早會(huì)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(chǔ)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?hào)送到計(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(duì)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(tái)成本僅幾百元。輸入、輸出接口數(shù)量列多，可存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)及軟件空間更大的計(jì)算機(jī)控制器的單臺(tái)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(duì)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(tái)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(duì)軟件做相應(yīng)修改；

　　(3)通過人一機(jī)接口與用戶對(duì)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(hào)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(chǔ)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(jí)。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(hào)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　Ｃ繉?duì)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(duì)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(hào)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(hào)不會(huì)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(dòng)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(jí)，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(shì)。

　　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(dòng)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。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(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(duì)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(duì)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(dòng)執(zhí)行器及兩個(gè)電動(dòng)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(duì)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(hào)送入計(jì)算機(jī)輸入通道中。根據(jù)信號(hào)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(hào)，例如0～10mA,也可以是電壓信號(hào)，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(hào)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(hào)變換為相應(yīng)的電壓信號(hào)。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(huì)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。控制器模擬量輸入通道AI接入電壓信號(hào)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(hào)，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(duì)其進(jìn)行邏輯分析和計(jì)算。對(duì)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(duì)脈沖信號(hào)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(duì)常規(guī)儀表來說比較困難，但對(duì)計(jì)算機(jī)來說，由于它的基本信號(hào)處理對(duì)象就是0，1這種開關(guān)信號(hào)，并且有很準(zhǔn)確的時(shí)鐘，因此很容易高精度地對(duì)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(hào)不會(huì)對(duì)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(duì)數(shù)字量而不是模擬量進(jìn)行處理；對(duì)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(duì)模擬量進(jìn)行測量和分析而不便處理脈沖類信號(hào)；它往往比較容易在現(xiàn)場調(diào)試時(shí)對(duì)所測參數(shù)進(jìn)行整定。由于這三點(diǎn)的不同，導(dǎo)致對(duì)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(duì)于常規(guī)儀表，首先考慮的是傳感器輸出信號(hào)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(hào)變換為電流信號(hào)，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(hào)。

　　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(duì)計(jì)算機(jī)易于處理開關(guān)量信號(hào)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(hào)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(hào)，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(duì)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(huì)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)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(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(dòng)電路即可帶動(dòng)

　　繼電器或其他開關(guān)元件，也可以驅(qū)動(dòng)指示燈顯示狀態(tài)。

　　(2)模擬量輸出通道AO（AnalogyOutput）.輸出的信號(hào)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(hào)都是開關(guān)量信號(hào)，因此這種可連接變化的模擬量信號(hào)

　　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(dòng)繼電器，再由繼電器的觸頭帶動(dòng)交流接觸器線包，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的啟/停控制。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(huì)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(dòng)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(huì)同時(shí)啟動(dòng)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(huì)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(dòng)執(zhí)行器和電動(dòng)執(zhí)行器的兩種類型。采用氣動(dòng)執(zhí)行器時(shí)需要將控制器的模擬量輸出的信號(hào)（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(dòng)執(zhí)行器的氣室中，推動(dòng)活塞或隔膜完成對(duì)閥的調(diào)節(jié)。也有的氣動(dòng)執(zhí)行器本身帶有電動(dòng)定位裝置，于是就可以直接將控制器輸出的模擬量信號(hào)接到電動(dòng)定位裝置接線端子上。氣動(dòng)風(fēng)閥、水閥動(dòng)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(dòng)執(zhí)行器。由于閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)是氣動(dòng)的，因此一般都沒有閥位的電反饋信號(hào)，這種控制器不能獲得真實(shí)的閥門位置信號(hào)，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(hào)的形式、范圍，如是要求0～5V，0～10V的電壓信號(hào)還是0～10mA或4～20mA電流信號(hào)，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(dòng)執(zhí)行器一般由一臺(tái)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(dòng)。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(hào)。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(dòng)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(hào)以0～5V，0～10V電壓或0～10mA,4～20mA電流信號(hào)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(hào)通過D/A轉(zhuǎn)換，成為模擬量輸出信號(hào)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(shí)別機(jī)械故障，一般將閥位的測量信號(hào)接到控制器的模擬量輸入通道AI中。有些電動(dòng)閥門的控制器還允許將全開和全關(guān)的限位開關(guān)信號(hào)作為控制器DI口的輸入信號(hào)，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(hào)就是為了在比較器中與實(shí)測的閥位信號(hào)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(hào)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(dòng)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(dòng)閥門電動(dòng)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(dòng)一個(gè)電動(dòng)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(dòng)。

　　變頻器及可控硅此類執(zhí)行器是直接對(duì)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(hào)，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(huì)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(dòng)閥內(nèi)的單片機(jī)直接測量閥們和各種故障信號(hào)，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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)化監(jiān)測控制和管理。不同的系統(tǒng)形式和產(chǎn)品系列對(duì)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(chǔ)存器存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)器中。

　　(2)從輸入接口中讀出經(jīng)過輸入接口進(jìn)行了信號(hào)轉(zhuǎn)換后的各種傳感器的輸入信號(hào)，并將這些信號(hào)以數(shù)字的形式存放于數(shù)據(jù)

　　存儲(chǔ)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(hào)，輸入接口將這些信號(hào)都轉(zhuǎn)換為

　　數(shù)字信號(hào)，隨時(shí)供CPU讀出。

　　(3)根據(jù)控制要求和存于數(shù)字存儲(chǔ)器的分析計(jì)算結(jié)果，將對(duì)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(hào)形式，使執(zhí)行器產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作。

　　(4)讀取鍵盤狀態(tài)，得到使用者健操作狀態(tài)，對(duì)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(chǔ)于存儲(chǔ)器中。根據(jù)程序要求，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)，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(hào)，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(hào)（on-off信號(hào)）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(hào)，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(dòng)鍵盤后，也可產(chǎn)生中斷信號(hào)，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(chǔ)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(chǔ)器

　　程序存儲(chǔ)器存放將由控制機(jī)執(zhí)行的全部程序。它所存儲(chǔ)的內(nèi)容唯一地決定了控制機(jī)的工作內(nèi)容。程序存儲(chǔ)器可儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)器容量可達(dá)幾十或幾百kB。程序存儲(chǔ)器的讀寫形式分ROM，EPROM，E2PROM和RAM型。ROM（ReadOnlyMemory）為只讀存儲(chǔ)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(dòng)。這種存儲(chǔ)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(tái)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(chǔ)器這種存儲(chǔ)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颉＿@是目前大多數(shù)控制機(jī)使用的程序存儲(chǔ)器。采用這種存儲(chǔ)器可以對(duì)每臺(tái)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(tái)控制器的程序與控制器的硬件設(shè)計(jì)、對(duì)外通訊方式等許多因素有關(guān)。即使僅改動(dòng)很少的測量或控制要求，也需要對(duì)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(chǔ)器，它儲(chǔ)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郑褂眠@種程序存儲(chǔ)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(duì)與通訊網(wǎng)相邊連的各臺(tái)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)器

　　與程序存儲(chǔ)順不同，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)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(chǔ)器，當(dāng)沒有備用電池時(shí)，斷電后儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)器，一般可達(dá)幾十kB或幾百kB。RAM分動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器與靜態(tài)存儲(chǔ)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(chǔ)器內(nèi)容時(shí)，應(yīng)當(dāng)用靜態(tài)存儲(chǔ)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(hào)轉(zhuǎn)換為CPU能夠處理的數(shù)字信號(hào)，被CPU讀取。傳感器、變送器發(fā)出的信號(hào)可分為：通斷狀態(tài)量(on-off)、連續(xù)脈沖的頻率信號(hào)、電流或電壓的模擬量信號(hào)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(hào)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(hào)由于各種原因偶然接入高電壓信號(hào)，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(jí)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(huì)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(hào)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(duì)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(dòng)在計(jì)數(shù)器中累

　　加，CPU可定時(shí)讀取計(jì)數(shù)器并對(duì)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(hào)，輸入阻抗一般在幾MΩ以上。

　　在輸入口上并聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娮瑁部梢詼y量0～10mA或4～20mA的電流信號(hào)。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(hào)要通過A/D轉(zhuǎn)換電路才能變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，被計(jì)算機(jī)所接收。A/D轉(zhuǎn)換電路的功能就是對(duì)輸入的電壓信號(hào)進(jìn)行

　　測量，如同一臺(tái)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(hào)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(huì)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(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行隔離。但對(duì)連續(xù)變化的模擬量信號(hào)的隔離要

　　遠(yuǎn)比通斷量信號(hào)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(hào)正

　　比于輸入信號(hào)。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(hào)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(tái)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)又可接入模擬量信號(hào)，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(duì)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(hào)時(shí)，在此路通道上外接V-F轉(zhuǎn)換器，將電壓信號(hào)變換為頻率信號(hào)，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(huì)略有提高，對(duì)頻率進(jìn)行測量也會(huì)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(dòng)繼電器通斷的數(shù)字量輸出--DO（DigitalOutput）和用來驅(qū)動(dòng)閥門、可控硅、變頻器等需要連續(xù)變化的電壓或電流信號(hào)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(hào)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(dòng)或通過繼電器來帶動(dòng)電氣設(shè)備，了解它的驅(qū)動(dòng)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(dòng)能力不大于20mA。這時(shí)要帶動(dòng)一個(gè)電氣設(shè)備（如電機(jī)的交流接觸

　　器電動(dòng)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(dòng)。

　　(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(dòng)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(hào)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(hào)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(duì)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(chǔ)器和數(shù)字存儲(chǔ)器，從而直接運(yùn)行C語言寫成的程序或其它高級(jí)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(chǔ)器

　　容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過控制和管理一臺(tái)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(huì)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(hào)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jí)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(huì)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(chǔ)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(duì)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。現(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(duì)其從頭編程。即使掌握全套的硬件資料，一臺(tái)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(duì)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(chǔ)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(duì)測量和控制的很簡單的改動(dòng)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(dòng)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(tái)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(duì)它的要求更高。控制管理系統(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(hào)來實(shí)現(xiàn)信息交換。控制機(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(hào)，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(hào)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(hào)，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(hào)，長距離送至電壓表后，仍為連續(xù)變化的電壓或電流信號(hào)。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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)，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(hào)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(hào)℃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(hào)，而采用電話電路或無線電臺(tái)則是將0，1的數(shù)字信號(hào)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(hào)再通過普通的電話線路或無線電臺(tái)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(hào)。

　　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(tái)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(hào)標(biāo)準(zhǔn)，確定怎樣將0和1這兩種信號(hào)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(hào)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。

　　（2）多個(gè)通訊節(jié)點(diǎn)連接到一起后，相互對(duì)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(duì)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(duì)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(hào)。而采用"點(diǎn)對(duì)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(tái)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(tái)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(tái)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(duì)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(duì)點(diǎn)"通訊時(shí)，不需主機(jī)詢問，現(xiàn)場控制機(jī)可自動(dòng)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。

　　（3）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(duì)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(hào)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(dòng)。看來真正實(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(duì)其提出更高的要求。現(xiàn)在在局部通訊網(wǎng)之上搭乘Internet,實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)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(duì)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：

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

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

　　（3）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(tái)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(dòng)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(tái)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(tái)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。可以僅設(shè)一臺(tái)向下發(fā)關(guān)命令的主計(jì)算機(jī)，其他各臺(tái)僅記錄和顯示系統(tǒng)狀況，也可以是幾臺(tái)計(jì)算機(jī)分?jǐn)偪刂啤⒐芾砗凸收显\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(tái)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(huì)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(huì)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(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)執(zhí)行同樣工作，只是其中的一臺(tái)不向發(fā)送控制命令，當(dāng)一臺(tái)臨時(shí)出現(xiàn)故障時(shí)，另一臺(tái)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(duì)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(chǔ)長期的實(shí)測數(shù)據(jù)，儲(chǔ)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(duì)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(duì)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(duì)具體系

　　統(tǒng)的描述，自動(dòng)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(huì)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(hào)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)

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