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摘要：根據中央空調應用需求和電氣自動化發展趨勢，本文構建基于可編程控制技術的中央空調物聯網系統。在系統方案設計的基礎上，描述中央空調物聯網系統的主要功能，闡述該系統在穩定性、先進性、經濟性等方面的優勢。
關鍵詞：中央空調，可編程控制技術，物聯網
資料提供：本文涉及方案已在用戶現場實施，技術方案先進，運行穩定。歡迎聯系藍普鋒深入探討、交流。
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中央空調廣泛應用于各類工業和民用領域，以實現制冷、供熱和除濕等功能[1]。近二十年來，隨著我國經濟的高速發展和人民生活水平的穩步提升，中央空調的應用范圍不斷擴大，應用需求也呈現多元化發展趨勢，包括功能完善、性能提升、節能環保和產品智能化等。以前只有北方需冬季供暖，現在越來越多的南方地區通過中央空調等方式實現冬季供暖。二十年前只有少量的高檔建筑通過中央空調系統實現夏季制冷，現在的商業建筑一般都配備中央空調系統實現制冷功能。以前蔬菜、水果主要通過自然環境保存，現在越來越多的菜農、貿易商、用戶通過冷庫等保存瓜果。醫藥、食品等行業的產品性能和產品質量不斷提升，對生產過程中原材料、半成品、產成品的存儲環境也提出了更高要求，中央空調系統是滿足這些要求的重要手段。
中央空調系統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、實用的自動化技術對中央空調進行監視、控制、管理，是中央空調領域電氣自動化從業人員面臨的重要課題[2]。要實現中央空調系統的安全、高效工作，首先要對壓縮機、泵等設備進行可靠控制和有效管理，同時采集各類設備運行參數和狀態數據。在此基礎上，需搭建中央空調系統的監控平臺，對一組設備進行集中管理和協調控制。隨著自動控制技術和物聯網技術的發展，越來越多的中央空調生產企業希望對分布在各地的中央空調機組進行監視和管理，以實時掌握機組運行狀況，收集第一手運行數據，為預測性維護和產品改進提供技術支撐。因此，構建基于可編程控制器（PLC）技術的中央空調物聯網系統，是中央空調行業的發展趨勢之一[3]。
目前，大部分中央空調機組采用單片機控制器或PLC進行控制，僅實現了基本的單機控制，沒有實現多機組的群控和協調控制，更沒有構建綜合監控平臺。因此，不同機組之間的聯動功能較少，區域性的聯合調度更不可能。由于沒有綜合監控平臺，幾乎沒有數據挖掘和系統優化等功能[4]。
中央空調的控制過程需與工藝要求緊密結合，早期的中央空調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。但隨著中央空調機組的功能不斷增加，對控制器的性能、處理能力、穩定性、環境適應性、開放性和通訊能力等提出了更高要求。從發展趨勢看，傳統的單片機控制器在實現中央空調的控制功能時其劣勢逐步顯現。首先，單片機控制器不提供用戶可編程的環境，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，也不利于中央空調生產廠商的知識產權保護。其次，相比經受各類惡劣環境考驗的PLC而言，單片機控制器的穩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，特別是模擬量調節能力比PLC要差，不利于提高中央空調機組的經濟效益。最后一點，單片機控制器在開放接口和網絡的互聯互通上性能要差一些，不利于構建中央空調物聯網系統[5]。
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中央空調物聯網系統方案設計
在設計中央空調物聯網系統時，首先要考慮系統的穩定性和可靠性，其次要考慮系統的開放性和先進性，最后要充分融合中央空調機組的工藝要求。只有這樣，設計的方案才能夠代表中央空調電氣自動化的發展方向[6]。
圖1 中央空調物聯網系統圖
本方案設計的基于PLC技術的中央空調物聯網系統采用3層體系結構，如圖1所示。
1）現場控制層
最底層為現場控制層，主要設備為PLC或基于PLC技術的專用控制器，用于接收各類現場信號，進行控制運算，并輸出信號控制各類現場設備。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、停等開關量信號。PLC或基于PLC技術的專用控制器也可通過RS485等通訊接口與現場智能儀表進行數據交換，還可通過標準接口與其他控制產品進行連接。PLC或基于PLC技術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機組附近對機組進行調試與維護。作為中央空調物聯網系統的基礎控制單元，底層控制器在實現上述功能的基礎上通過無線通訊模塊與中間監控層進行數據交互，目前用得較多的無線通訊方式是GPRS。
2）中間監控層
中間監控層通過無線設備接收各類現場數據，并在監控計算機上顯示各類設備的運行狀態和參數。監控計算機上運行監控軟件，對各類數據進行處理與存儲，然后通過公用網絡與中央監控系統進行數據交互。
3）中央監控系統
中央監控系統位于最上層，用于對中央空調系統各類設備的集中監視和運行管理。中央監控系統一般位于中央空調生產企業的監控大廳內，由各類數據服務器、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層體系結構組成了一個完善的中央空調物聯網系統，實現了分散控制和集中管理的系統要求。如果監控的中央空調機組數量不太多，為了提高系統的經濟性，也可省去中間監控層，底層數據直接通過無線方式送入中央監控層。
2.中央空調物聯網系統硬件選型
PLC或基于PLC技術的專用控制器是中央空調物聯網系統的核心基礎部件，控制器的選擇決定了中央空調物聯網系統的性能和檔次。從產品性能、穩定性和開放性等方面考慮，本方案設計的中央空調物聯網系統的硬件平臺選擇RPC2000系列PLC。
RPC2000系列PLC是筆者開發的新一代PLC產品。RPC2000系列PLC為模塊式結構，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，具有如下優點：
1）CPU性能優越，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，并實現電氣保護功能。
3）編程語言符合IEC61131-3國際標準，具有ST，LD，IL，FBD和SFC五種語言。
4）支持各類標準軟硬件接口，可與各類組態軟件和人機界面無縫集成。
5）支持Modbus，GPRS和Profibus等通訊協議，可與各類設備互聯互通。
6）接線端子可插拔，方便系統實施和售后維護。
7）具有良好的環境適應性，電磁兼容性好，抗干擾能力強。
3.中央空調物聯網系統功能實現
中央空調物聯網系統以中央監控系統為中心，對各類現場設備的運行參數和狀態進行監視，并對各類數據進行處理和管理。中央監控系統采用全中文界面，可實現多任務調度。遵循國際標準，采用開放接口以連接第三方系統。高效數據庫能提供方便、快捷和經濟、海量的過程數據采集和存儲，實現過程數據與管理系統的集成。基于Web的實時信息門戶軟件，提供通用的、基于Web的客戶端環境。中央監控系統實現的主要功能有：
1）采集并記錄各類運行數據，包括實時數據、歷史數據、工作記錄、故障記錄等。
2）通過監控畫面、趨勢圖、棒圖等方式顯示各類設備運行狀態和運行參數，根據權限修改各類設定參數。
3）根據采集到的運行參數和設備狀態，以及生產要求，對各設備發出調度指令。
4）為其他管理系統提供實時運行數據，助力企業管理水平的提升。
在上位機的調度和管理下，PLC或基于PLC技術的專用控制器可實現如下功能：
1）具有多種開關機方式，系統可以采用本地、遠程控制以及定時開關機。
2）二階模糊溫度控制算法：系統采用二階模糊控制算法進行系統加減載控制，在指定的周期比較反饋溫度與設定溫度的差值，以及溫度的變換趨勢，綜合判斷機組壓縮機應該執行的動作。
3）壓縮機保護及均衡運行：系統會對壓縮機進行頻繁啟停的保護，并且會根據壓縮機運行時間優先啟動運行時間短的壓縮機，優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）壓縮機協同控制及非滿載保護：壓縮機協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，系統會自動啟用水泵巡檢功能，空調泵、井水泵在設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）多級權限設置：設置用戶權限以及廠家權限，擁有特定權限可設置相應系統參數。
10）人機界面：PLC通過RS232與觸摸屏連接，能夠在屏上顯示系統運行工況、更改系統參數，如目標設定溫度、機組工藝參數、時間參數、機組功能參數等。
4.典型應用案例
通過中央空調物聯網系統，管理人員不僅能夠隨時獲取中央空調機組設備的靜態信息，而且還能夠實時遠程監控中央空調系統的運行狀態，為提高中央空調系統的調度、管理和運行水平提供依據，優化中央空調系統的運行模式，進而達到節能減排的目的。
本文以北京密云某度假村水源熱泵中央空調系統為例，介紹中央空調物聯網系統的應用情況。圖2所示為通過物聯網所獲得的中央空調機組運行狀態，畫面直觀地顯示了相關設備的運行參數。如果需要查看更多的工況參數信息，可以點擊相關的按鈕進行查看。
圖2 中央空調機組運行狀態
5. 結束語
物聯網技術的發展為中央空調系統的應用帶來了新的契機。隨著人們對信息化、智能化、節能化生活的追求，融入物聯網技術的中央空調系統是未來發展的趨勢。隨著國家對物聯網技術的推進，本文所設計與實現的基于物聯網的中央空調系統，在市場上將有廣闊的應用前景。
本文研究的中央空調系統所涉及的相關技術還能夠適用于其他控制系統，為物聯網在其他控制領域的應用提供了新的思路與方法。
參考文獻
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[2]劉輝.淺談中央空調自動控制的發展[J].科技創新與應用，2014（4）：97.
[3]樓東東，王杭兵.基于物聯網技術的中央空調管控一體化系統[J].物聯網技術，2012（11）：79-81.
[4]禹海濤.PLC在中央空調系統中的應用[J].科技創新與應用，2014年（13）：286.
[5]楊晶.基于物聯網的中央空調SCADA系統研究與實現[D].江西理工大學，2013：45-47.
[6]車遠強.基于物聯網的中央空調節能控制[D].山東大學，2011：8-12.
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