鄒 恩 ，霍 慶 ，黃浩揚 ，張增根 ，黃水鴻

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州 510642；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 珠江學(xué)院，廣州 510642）

隨著樓宇的日益龐大，中央空調(diào)應(yīng)用也越來越廣泛。常規(guī)中央空調(diào)為工業(yè)現(xiàn)場管理模式，以分散控制為主，已經(jīng)無法適應(yīng)人們對居住、辦公等環(huán)境舒適度日益增高的需求。隨著智能樓宇的出現(xiàn)，為實現(xiàn)管理人員與中央空調(diào)機(jī)組的空間分割與時間同步，同時降低管理費用和空調(diào)能耗，空調(diào)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化控制已成為趨勢，文獻(xiàn)[1-2]報導(dǎo)了基于Android手機(jī)及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中央空調(diào)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)。文獻(xiàn)[3]等開發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器鏈路通信技術(shù)的建筑空調(diào)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，文獻(xiàn)[4]將嵌入式技術(shù)應(yīng)用于中央空調(diào)系統(tǒng)和高端的集中控制中。這些監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了樓宇智能化的要求，但組網(wǎng)較復(fù)雜、設(shè)備較昂貴，且較少考慮節(jié)能因素。由于GSM技術(shù)具有組網(wǎng)便捷、可靠性高的優(yōu)點，目前被廣泛應(yīng)用于工業(yè)上的數(shù)據(jù)通訊中[5]。

本文以中國人民銀行某支行中央空調(diào)智能化節(jié)能改造為工程案例，提出一套基于GSM網(wǎng)絡(luò)的中央空調(diào)智能群控節(jié)能系統(tǒng)，將變頻變壓技術(shù)嵌入到控制系統(tǒng)中，通過GSM無線通訊，管理人員可以集中監(jiān)控中央空調(diào)運行的溫度、頻率等參數(shù)，同時將采集到的數(shù)據(jù)在上位機(jī)進(jìn)行實時顯示和儲存。該系統(tǒng)可實現(xiàn)整套中央空調(diào)的自動化、網(wǎng)絡(luò)化管理，成本低廉并實現(xiàn)節(jié)能目的。經(jīng)過實際運行分析，改造后系統(tǒng)運行穩(wěn)定，輸出參數(shù)滿足要求，節(jié)省人力、物力和財力。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

本中央空調(diào)智能群控節(jié)能系統(tǒng)由監(jiān)控平臺和控制柜終端構(gòu)成，在原來的空調(diào)系統(tǒng)上改造完成。原系統(tǒng)功率參數(shù)為18 kW的冷卻水泵3臺，2用1備；15 kW的冷凍水泵3臺，2用1備；5.5 kW冷卻風(fēng)機(jī)2臺，控制方式為手動且無監(jiān)控，工程改造內(nèi)容為增加新控制柜終端，實現(xiàn)原控制柜和新控制柜互相切換工作。改造后系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 群控節(jié)能系統(tǒng)框圖Fig.1 Saving group control system block diagram

控制柜終端主要由西門子CPU226和觸摸屏、GSM模塊、外部擴(kuò)展模塊EM223、EM221和EM231、施耐德LC1-D3201交流接觸器和C65D斷路器、歐姆龍MY-4J中間繼電器、易能EDS1000-4T-0150P變頻器、廣州北澤DN100電動開關(guān)法蘭蝶閥等電氣元件組成，控制柜終端結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 控制柜終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Control cabinet terminal system structure diagram

溫度傳感器將檢測到的溫度信號通過模塊EM231直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號存儲在PLC的寄存器中，智能電動閥的狀態(tài)則顯示在人機(jī)交互界面上。變頻器與PLC以RS485總線形式通訊，PLC實時讀取變頻器運行時各參數(shù)的信息，并及時調(diào)節(jié)變頻器的頻率，改變冷卻泵和冷凍泵的轉(zhuǎn)速從而改變水流量實現(xiàn)室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)和用電量的減少，同時控制GSM模塊將采集的各種數(shù)據(jù)以短信形式實時發(fā)送到監(jiān)控平臺。系統(tǒng)與管理人員手機(jī)實現(xiàn)雙向通訊，可通過手機(jī)讀取系統(tǒng)運行的實時數(shù)據(jù)，亦可遠(yuǎn)程控制整套空調(diào)系統(tǒng)的啟停。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 PLC中央處理器

選用西門子CPU226作為控制器，配合西門子公司的外部擴(kuò)展模塊 EM223、EM221、EM231和6AV6 648-0BC11-3AX0觸摸屏[6]，控制器具備12位A/D轉(zhuǎn)換模塊，方便將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，輸出端主要控制各個中間繼電器和接觸器。

2.2 溫度傳感器模塊

溫度傳感器采用Pt100，測量范圍：-50～300℃，主機(jī)冷卻進(jìn)回水處和冷凍進(jìn)回水處各放置2個溫度傳感器，2臺主機(jī)總共放置8個溫度傳感器，用于實時監(jiān)測各管道溫度并顯示到觸摸屏上。溫度傳感器配合EM231模塊，接線簡單，不需要外部信號調(diào)理電路。

2.3 變頻器模塊

變頻器采用18 kW的易能EDS1000-4T-0150P變頻器，該款變頻器功能完善、適合各種現(xiàn)場配套使用，可實現(xiàn)恒壓一臺拖多臺控制，并且內(nèi)置RS485通訊接口，可實現(xiàn)集中控制和主從連動控制[7]。在本系統(tǒng)中，PLC與變頻器以RS485通訊，讀取變頻器內(nèi)常用參數(shù)如電流、電壓和頻率等通過GSM模塊發(fā)送到監(jiān)控中心。

2.4 GSM模塊

GSM模塊采用TC35i，該模塊主要是西門子公司為適應(yīng)各生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)o線通訊、語音傳輸需求開發(fā)的一款基于移動通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的產(chǎn)品，并且集成了標(biāo)準(zhǔn)RS232接口和SIM卡，接收信息經(jīng)PLC解析數(shù)據(jù)后，立即響應(yīng)中斷，并按中斷所設(shè)置的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)需要傳輸數(shù)字文本信息，故選用 Text Mode模式[8]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括PLC主程序設(shè)計、WinCC界面設(shè)計、GSM模塊程序設(shè)計。

3.1 PLC主程序設(shè)計

風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速n、流量Q、揚程H及軸功率P的關(guān)系為

式中：n1、n2為電機(jī)轉(zhuǎn)速；Q1，Q2為流量；H1，H2為揚程；P1，P2為軸功率。由式（1）可知，流量、揚程和軸功率分別正比于轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速的平方和立方。

系統(tǒng)主程序流程如圖3所示，系統(tǒng)開始時初始化串口、中斷、變頻器等，通過WinCC flexible軟件自整定出PID參數(shù)，比例參數(shù)P=1、積分參數(shù)I=5、微分參數(shù)D=0[9]。每當(dāng)PLC接收到一組數(shù)據(jù)后便自動產(chǎn)生中斷請求，在中斷服務(wù)的子程序中，設(shè)定標(biāo)志位M0.1置位，表示允許進(jìn)入中斷服務(wù)，在主程序中通過檢測M0.1的狀態(tài)來確定是否轉(zhuǎn)入接收短信并解碼，完畢后及時將接收數(shù)據(jù)標(biāo)志M0.1復(fù)位。PLC數(shù)據(jù)的上傳則根據(jù)通信協(xié)議格式上傳。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入自動運行，電動閥開啟和讀取各管道溫度傳感器后CPU與變頻器通訊進(jìn)行PID自動調(diào)節(jié)，讀寫操作都在PLC一個掃描周期內(nèi)完成，系統(tǒng)的響應(yīng)是實時的。

圖3 PLC主程序流程圖Fig.3 PLC main program flow chart

3.2 觸摸屏系統(tǒng)設(shè)計

觸摸屏系統(tǒng)是利用西門子WinCC編寫的。在主界面中，可以監(jiān)控冷卻水泵和冷凍水泵的運行狀態(tài)、電動閥的開啟狀態(tài)和各個溫度測試點的溫度值。另外設(shè)計了停止/啟動按鈕，一鍵式啟停整個中央空調(diào)系統(tǒng)，方便管理人員現(xiàn)場操控。整套系統(tǒng)無需設(shè)置過多復(fù)雜語句，僅需設(shè)置與PLC中寄存器鏈接。

3.3 GSM模塊程序設(shè)計

3.3.1 通訊協(xié)議

PLC設(shè)置為自由串口通訊模式，要通過RS485-RS232轉(zhuǎn)換接口與GSM模塊通訊?？刂乒窠K端以表1短信形式發(fā)送到監(jiān)控平臺或者直接發(fā)送到管理員手機(jī)。其中頻率值包括冷卻泵和冷凍泵的頻率值，溫度值則包括各管道內(nèi)的溫度值。

表1 短信數(shù)據(jù)幀格式Tab.1 SMS data frame format

3.3.2 GSM通訊流程設(shè)計

GSM通訊包括模塊與模塊間通訊和模塊與手機(jī)間通訊。編程語言為AT指令，如圖4所示，首先對 GSM 模塊初始化，“AT+CNMI=1，1，2 ”設(shè)置短信息為自動回顯模式；為節(jié)省短信費用，將控制柜終端號碼、監(jiān)測平臺號碼和管理人員手機(jī)號碼加入5元移動家庭網(wǎng)月套餐，短信數(shù)量無上限。另外設(shè)置Text編碼模式和服務(wù)中心地址后，初始化完畢。

圖4 GSM通訊流程圖Fig.4 GSM communication flow chart

系統(tǒng)實際運行時，PLC讀取寄存器中頻率、溫度等參數(shù)構(gòu)造成短信數(shù)據(jù)幀格式發(fā)送到監(jiān)控平臺GSM模塊，監(jiān)控平臺判斷是否為正確來電號碼，若是直接在電腦終端顯示短信內(nèi)容。當(dāng)管理人員發(fā)送手機(jī)指令，如“open system”，控制柜終端GSM模塊接收指令后向PLC串口發(fā)送 “+CMTI：‘SM’＜number＞”，PLC則構(gòu)造 AT讀取指令讀取手機(jī)短信內(nèi)容，進(jìn)入遠(yuǎn)程控制程序，實現(xiàn)遠(yuǎn)程開啟系統(tǒng)?？紤]到移動4G的SIM卡可容納150條短信，在程序設(shè)計中加上“AT+CMGS=＜x＞ ”刪除短信指令，保證短信存儲容量充足。若收到不正確來電號碼或者系統(tǒng)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)發(fā)出報警信號。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)結(jié)合GSM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，該信號可覆蓋范圍為半徑35 km，組網(wǎng)方便；由溫度傳感器采集實時溫度，PLC自動調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速和切換運行水泵數(shù)目，搭建監(jiān)控平臺實現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)全自動化及管控一體化。系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程遙控啟停功能以及良好的人機(jī)交互界面，目前已經(jīng)投入使用，半年多的運行結(jié)果表明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、方便人員管理和控制，節(jié)能效益良好。

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