基于网络技术的中央空调控制系统.docx
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基于网络技术的中央空调控制系统
基于网络技术的中央空调控制系统
林以成
（自动化与电气工程学院指导教师：
周平）
摘要：
网络技术于控制技术的结合日益紧密，而目前几种比较流行的控制技术在其通信范围和控制功能上都存在一定的限制，无法完全达到原先在工业控制中内部通信稳定、高速的性能。
本次借鉴目前主流控制技术的经验，设计了基于Internet网络技术的中央空调远程监控系统，借此来探讨网络控制技术的特点、功能及日后改进的方向。
本文介绍了以中央空调为对象远程监控系统，不仅可以远程对中央空调实现启、停、模式切换等功能的控制，并可以对采集的数据做各种处理，实现中央空调运行全过程的数字化和可视化，文中概述了该系统的原理结构、功能、应用软件及网络安全等，并引用图片、表格及流程图等加以分析说明。
本集成系统目前已处于工程推广阶段，与目前以短距离、非实时为特点的控制技术相比，有较大的应用潜力。
关键词：
中央空调；网络技术；实时监控；网络安全
Abstract:
Thelong-rangecontrolsystemismoreandmorepopularbasedonthenetworktechnology.Ithasmanykindsofformwithdifferentfunction.Butmostofthecontrolsystemsareunabletototallyreplacethestabilityandreal-timecharacteroftheinsidecommunicationofindustrycontrol.Inordertoexplorethecharacteristic,functionandfutureimprove;weregardairconditionerasaplatformanddesignthelong-rangecontroldevicebasedonInternet.Thecontroldevicesetupwithreal-timecharacteroperationcharacteristiconthebasisofsteadyhigh-speednetwork,whichisnotonlyhasvariescontrolfunction,andcontrolopening,stopping,suchfunctionsasthemodeisswitchedoverofPLC,butalsocanchangethedataintoocularpictures,maketheoverallofairconditionercontroldigitizationandvisual.MoreoverthefunctionoftheWWWnetworkisspecial,whichcanshareinformationofsystemWEBandonlyusestandardIEbrowsertechnology.AndachievethecontrolshiftableandGlobal.inthisarticle,introducethePrinciplestructure,Characteristicofcontrollablestrategy,applicationsoftwareandsystemsafetyofthesystem.Andexplainbypictures,formandflowchart.
KeyWords:
CentralAirConditioner；NetworkTechnology；IncessantMonitor；OnlineSecurity
1绪论
1.1前言
中央空调是对建筑物内空气进行调节的专用系统,它通过对风机、阀们、泵等设备的开、关及调节来控制室内温度、湿度，使之满足一定要求，从而提高人体的舒适度。
随着人们生活水平的不断提高，越来越多的大、中型建筑采用中央空调系统，以达到夏季致冷，冬季取暖的目的。
随着人民生活水平的提高，空调产品不再是奢侈品，而悄然“飞进寻常百姓家，空调的市场需求飞速增长。
根据由国务院发展研究中心市场经济研究所、北京顾能市场调研中心组成的中国家电市场联合调查研究课题组公布的《2004-2006年中国城市消费者空调需求状况研究咨询报告》显示：
仅2003年，我国房间空调器的产量已达4000多万台，商用空调产量达到20多万套，房空调器拥有量已在1亿台左右，全国商用空调拥有量在120万套左右[1]。
我国已成为全世界空调产品生产和使用大国[2]。
随着社会现代化进程的加快，人们在室内工作和生活的时间越来越长，据国外的一份调查报告[3]显示，居民平均88％的时间呆在室内，7％的时间花费在交通上，5％的时间是纯粹呆在户外的。
粗略计算一下，除去花在交通和呆在户外以及正常的上班时间每天大概有l3个小时是在住宅里的。
从这方面来讲住宅的空气质量对人体的健康更有绝对意义。
然而，由于建筑物的密闭性逐渐增加，建筑装饰越来越多样化，从而导致室内污染物的滞留和增加，例如，烟雾、病毒已经从家具、地毯和油漆中散发的多种危险化学物质等，加上新风量不足，空气重复循环，会造成室内空气质量严重下降。
因此，如何有效地解决室内空气污染，提高室内空气质量，已经越来越多地受到人们的关注。
环境人员研究发现，保证室内的空气流通，使室内的空气尽量接近自然的状态，如增加通风量来稀释空气并排放室内的污染物，通风换气，向室内提供大量的新鲜空气是改善室内空气质量的最有效办法之一。
然而，提高新鲜空气供给量，意味着增大空调新风负荷，同时也意味着使空调的能耗不断的增加。
另一方面随着中央空调市场及工业规模的不断扩大，用户对现代化控制的要求也越来越高，通过远程监控的设计方案日益受到欢迎。
基于网络技术的实时监控系统已开始出现在工业应用中,如数字网络技术在图像监控系统中的应[4]、小区智能化与现代通讯技术的应用[5]。
并随着网络技术与自动化技术的融合，因其高稳定、高效率得到了广泛地应用。
如无线电遥测在热网监测中的应用[6]，另外有利用GPRS网络自动监控数据传输系统[7]。
网络技术与自动化控制紧密结合是现阶段发展的趋势，但网络通信或多或少地存在延时，不确定性等问题，而中央空调的实时性控制有其特点和要求。
如何解决这些问题，仍是控制界研究和探讨的实际课题和热点应用问题。
1.2系统设计的目的与意义
基于上述原因，设计一个智能的中央空调远程监控系统，合理的控制和节约空调的能耗，使得空调工作的整个过程数字化，实现高度控制，不仅提高了中央空调的效率，节约了资源、保护了环境，避免不必要的电力建设投资；减少空调运行费用的开支；而且也提高了中央空调企业售后服务管理质量，节省了以往人力，物力资源方面的浪费，对企业和用户来说，都是极其有利的事。
本次设计了基于网络技术上的中央空调自动化实时监控系统，在线实时监督、控制各个用户中央空调的运行情况和各项参数，实现一个监控中心对多个客户端中央空调系统的远程实时监控。
另外通过对此系统的设计和使用，来探讨其结构特点，实时性功能，以及改进的方向。
此次以中央空调为对象设计了基于Internet网络技术的远程控制系统，借鉴现今几种主流网络控制技术的优点，以Internet网络为载体，通过由组态软件设置的计算机系统之间的通讯来实现远程实时监控。
通过这种装置的开发来解决：
1.企业无法满足用户对售后服务管理越来越高的要求，提供企业实时监控、远程管理服务.
2.目前其它网络控制技术由于自身的局限、控制功能不够完善，具有无法完全取代工业控制中内部通信的稳定性、实时性等特点的问题.
3.网络通信中多种结构并存的问题，传统方法难以解决集成网络中不同平台之间的通信.
2相关监控系统的背景和现状
2.1远程监控技术国内外研究动态
远程监控是同内外研究的前沿课题，国内外都展开了积极的研究[8-10]。
1997年1月，首届基于Internet的远程监控诊断工作会议由斯坦福大学和麻省理工学院联合主办，有来自30个公司和研究机构的5O多位代表到会。
会议主要讨论了有关远程监控系统开放式体系、诊断信息规程、传输协议及对用户的合法限制等，并对未来技术发展作了展望。
由斯坦福大学和麻省理工学院合作开发基于Internet的下一代远程监控诊断示范系统，这项工作同时也得到了制造业、计算机业和仪器仪表业的Sun、HP、Boeing、Intel、Ford等12家大公司的热情支持和通力配合。
之后，由这些公司共同推出了一个实验性的系统Testbed。
Testbed用嵌入式Web组网、用实时JAVA和BayesianNet初步形成在Internet范围内的信息监控和诊断推理。
另外，许多国际组织，如MIMOSA（MachineryInformationManagementOpenSystemAlliance）、SMFPT（SocietyforMachineryFailurePreventionTechnology）、COMADEM（ConditionMonitionandEngineeringManagement）等，也纷纷通过网络进行设备监控与故障诊断咨询和技术推广工作，并制定了一些信息交换格式和标准。
许多大公司也在他们的产品中加入了Internet的功能，如Bentley公司的计算机在线设备运行监测系统DataManager2000可以通过网络动态数据交换（NetDDE）的方式向远程终端发送设备运行状态信息；著名的NationalInstruments公司也在它的产品LabWindows／CVI以及LabVIEW中加入了网络通讯处理模块[11]，因而可以通过WWW、FTP、E-mail方式在网络范围内进行监控数据的传送。
法国“ALARM”研究组对生产过程的智能报警和监控系统进行了长期研究，并在多个项目中进行了应用。
国内对于远程监控技术也开展了积极的研究。
目前，西安交大、华中科技大学、哈尔滨工业大学、南京理工大学等高校已取得了较为先进的研究成果，如西安交通大学研制的“大型旋转机械计算机状态监测系统及故障诊断系统RMMD”、华中科技大学开发的“汽轮机工况监测和诊断系统KBGMD”、哈尔滨工业大学的“微计算机化机组状态监视与故障诊断专家系统MMMDES”等。
2.2几种主流网络技术
2.2.1无线电
无线电波是指在自由空间（包括空气和真空）传播的电磁波，其频率一般在3GHz到30GHz之间。
无线电技术是通过无线电波传播信号的技术。
它的原理在于，导体中电流强弱的改变会产生无线电波。
利用这一现象，通过调制可将信息加载于无线电波之上。
当电波通过空间传播到达收信端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。
通过解调将信息从电流变化中提取出来，就达到了信息传递的目的，如图2.1。
无线电的最早应用于航海中，使用摩尔斯电报在船与陆地间传递信息。
现在，无线电有着多种应用形式，包括无线数据网，各种移动通信以及无线电广播等。
特别是在工业数据采集中有着很好的应用。
图2.1无线电台通讯方式
用无线电台方式实现远程数据采集、监视与控制，相对于架设专用电缆（或光缆）、租用电信专线等，具有造价低廉、施工快捷、运行可靠、维护简单等优点。
数字电台采用数字信号处理、纠错编码、软件无线电、数字调制解调和表面贴片一体化设计等技术，具有高性能、高可靠及抗干扰能力强等特点，电台提供标准232数据口可直接与计算机、RTU、PLC、GPS接收机、数码相机、数据终端等连接，传输速率达19200bps，误码低于10-6（接收电平-110dBm时），发射功率0.5-25瓦可调节，任何型号电台可设置为主站或远程站使用，无中转通信距离达50公里以上，能适应室内或室外的恶劣工作环境。
电台数据和话音兼容，可工作于单工、半双工、时分双工TDD、全双工方式，收发同频或异频中转组网，并具有远程诊断、测试、监管功能，满足各行业调度或控制中心与众多远方站之间的数据采集和控制。
2.2.2GPRS
GPRS（GeneralPacketRadioService）通用分组无线业务GPRS（GeneralPacketRadioService）是一种基于包的无线通讯服务。
它将使得通讯速率从56上升到114Kbps，并且支持计算机和移动用户的持续连接。
较高的数据吞吐能力使得可以使用手持设备和笔记本电脑进行电视会议和多媒体页面以及类似的应用。
GPRS是基于GlobalSystemforMobile（GSM），并且能完成现有的一些服务，例如：
蜂窝电话电路交换（circuit—switched）连接和短消息服务（SMS），如图2.2。
图2.2GPRS通讯方式
GPRS作为一个开放的业务平台，以其永远在线、快速登录、高速传输、按量收费、自由切换应用于广泛的行业中，利用它的透明数据传输特性，已经深入到了几种行业中。
如分散数据的采集。
适用于采集点分散，而数据需要远距离传送并集中处理的行业，如电力、水利、石油、燃气、交通、环保等行业，仅以电力行业为例：
传统的电力抄表都是人工抄表，电能表分布广泛，势必会付出大量的人工成本，而且效率低下，准确度不高，而利用GPRS功能在电能表内嵌GPRS模块，可根据指令将采集到的数据信息通过分组技术，经过短信中心完成存储和转发功能，管理中心收集到数据后进行统计和计算，实现了远程数据采集的自动化，降低了企业成本，提高了可靠性和实时性。
另外还有智能公交管理、实时信息查询、车辆安全、银行交易等。
2.2.3ADSL
ADSL（AsymmetricalDigitalSubscriberline）又叫非对称数字用户环路技术，是利用现有的电话铜线资源，理论上讲，在一对双绞线上提供上行640Kb／s～1Mb／s、下行1Mb／s～8Mb／s的宽带。
有效外传输距离为3km～5km。
但在实际应用中，它还可以根据双绞线的质量优劣和传输距离的远近动态调整用户的访问速度。
用户所能享受到的下载实际速率，是根据所使用的Modem型号不同、用户端到通讯中心的距离长短、线缆尺寸以及干扰等多种因素来决定的，从10Kb／s～640Kb／s不等。
它是目前中国网通力推的一种宽带接入方式，可利用电话的双绞线入户，免去了重新布线的问题，优点是采用星型结构，保密性好，安全系数高，可提供512Kb／s到2Mb／s的接入速率，如图2.3。
图2.3ADSL有线通讯方式
专线入网方式：
用户拥有固定的静态IP地址，24小时在线。
虚拟拨号入网方式：
并非是真正的电话拨号，而是用户输入账号、密码，通过身份验证，获得一个动态的IP地址，可以掌握上网的主动性。
比起普通拨号Modem56Kb／s的最高速率，以及N—ISDN128Kb／s的速率，ADSL的速率优势是不言而喻的；与普通拨号Modem或ISDN相比，ADSL更为吸引人的地方是：
它在同一铜线上分别传送数据和语音信号，数据信号并不通过电话交换机设备，减轻了电话交换机的负载。
这意味着使用ADSL上网并不需要缴付另外的电话费。
由于ADSL在开发初期，是专为视像节目点播而设计的，具有不对称性和高速的下行通道，随着Internet的急速发展，ADSL作为一种高速接入Internet的技术更具有生命力，它使在现有Internet网上提供多媒体服务成为可能。
而现在由于企业与用户越来越高的要求，也慢慢出现在工业中。
表1几种通讯技术的比较
方案
方案1
方案2
方案4
通信方式
无线电台
GPRS
ADSL
网络类型
专网
广域网
广域网
使用方式
申请频率
GSM/GPRS入网
宽带入网
通讯方式
内部协议、自动建链
短消息+建链
TCP/IP协议，自动链接
通信时效
实时性强
实时性差，有延时
实时性最强
覆盖范围
几十公里
广
广
对环境要求
无大的阻碍，无大的电磁干扰
GSM信号
无
数据速率
速度慢
57.6K（需服务器支持动态IP地址管理）
高速，能进行各种信息的传输，包括图像、声音等
常用业务
数据量，实时
中数据量，突发传送
大数据量，实时
开通费用
中
中
高
运行费用
低（频占费）
中（按流量或包月费）
低
特殊要求
无
需主站PC机以实IP地址接入INTERNET
固定IP，主从站都需PC机，组态软件
通信可靠性
稳定、可靠
依赖移动电信网络质量和INTERNET质量
稳定、可靠
维护
现场维护
现场维护
实时在线直接维护
2.2.4目前远程监控所存在的技术问题
随着网络技术的飞速发展和监控范围的扩大，监控系统由过去的单机监控过渡到现在的网络监控。
建立在GPRS或无线电台基础上的远程控制系统，解决了工业控制中点分散，集中监控难的问题，实现了远程监控和数据采集，尤其是GRPS技术，目前已经越来越广泛的运用到工业控制中。
但目前此类控制系统还存在着一些问题。
首先，网络通信技术不足的问题。
网络通信技术是远程监控技术中最为关键的技术，然而，目前网络通信一般简单采用Socket技术，甚至FTP或E—Mail等，这些技术无论在传输的数据量、编程的灵活性还是安全性方面都有很大的欠缺，特别是对于现场多个端点的数据采集，会大大增加编程的复杂度，不能满足远程监控技术对网络通信的需求；其次，网络通信中多种结构并存的问题。
目前的远程监控系统结构大多比较复杂，分布距离远，而且还存在着不同局域网，不同平台，甚至在同一局域网中的操作平台以及编程语言也可能有不同的问题，这就要求集成网络中的不同平台，实现相互之间的通信，而这些问题采用传统方法是难以解决的。
如无线Adhoc网络技术自组网在变电站自动化通信中的应用[12]，由于无线网络自身的特点，决定了此类系统具有范围小；信号稳定行差易受干扰；数据只能定向传输，远端不能控制现场．
另外广泛应用于工业控制中的GPRS技术也存一些不足，无法满足工业控制的要求，如GPRS系统在污水处理中的应用[13]，由于GPRS依赖于移动电信网，使其难以在远程控制实时性上达到要求，GPRS更低于短消息，待到节假日等移动电信繁忙时，GPRS的传输就会受到很大的影响．
而本装置系统是从现阶段的网络控制技术上改进完善而成的，是集过程监督、数据处理、智能报警、实时控制等多功能的新颖网络控制装置，它不仅包括其它网络技术的优点.而且还拥有其他网络控制技术无法比拟的功能：
a.实时在线控制功能，强调了实时的特点，在此基础上除有完善的监督控系统功能外，另有多样化的报警输出、历史数据随时调用等功能。
不仅能远程控制PLC的启停，而且能修改一些特定参数，可进行远程维护。
b.WWW网络功能：
可在全球任何Internet网络节点，使用IE浏览器键入对应IP可浏览共享系统所发布的资源信息，突破一般网络控制技术的居域性，实现监控移动化、全球化。
本装置系统以Internet网络为基础，通过特有通讯方式Portsever方式，原理上如同计算机内部通讯一般，十分稳定。
有效的解决了目前在工业控制中一般网络远程控制技术范围小、控制功能简单、有延迟的问题。
因此对比与一般网络技术有较高的先进性和实用性。
3系统概述
而本系统是从现阶段的网络控制技术上改进完善而成的，是集过程监督、数据处理、智能报警、实时控制等多功能的新颖网络控制系统。
监控中心的数据库具备全面的分布式特征。
人机界面部分与数据库部分可以分别运行在不同的网络节点上，它们彼此的数据库还可以互相访问。
真正实现了数据的分布处理，此系统还具有WWW网络功能。
同时拥有完善的安全管理机制，只有授权的用户才能修改相关参数。
3.1系统基本配置
（1）电脑（2台）
（2）打印机等其它设备（1台）
（3）报警输出设备（1台）
（4）几大参数（压力、温度、流量等）的传感器（若干）
（5）可编程控制器PLC（1台）
（6）PLC专用通讯电缆/PLC通讯模块/接口转换模块（1根/个）
3.1.1相关设备说明
电脑
分别架设与监控中心和现场控制端，来实现两端的数据采集和通讯。
用在监控中心的计算机需有较高的配置，来完成汇集信息的处理。
同时根据需要可多准备台计算机来做备份冗余处理。
放在现场控制端电脑，一般配置可以上网即可。
但需考虑现场环境，必要时需配置相关保护设备。
两台计算机必须都进行组态设置，实现两端通信。
打印机等其它设备
用来调用打印计算机信息：
如报表、实时曲线、历史曲线、历史数据等以便工作管理人员调用审查。
报警输出设备
当某种状态或参数超过预设值时，报警设备输出报警信号，形式多种多样：
声光报警、真人语音提示报警、拨号猫电话报警等。
力求保证管理人员快速准确的发现并解决问题，降低企业用户的损失，提高工作效率。
PLC
可编程控制器，简称PLC（ProgrammablelogicController）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
它是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
以S7-200为例，PLC必须由专门的软件编程设计，如SIEMENSSTEP7Micro/WINS.SIMATICS7-200是一种通用型的PLC，在现代工业领域中应用比较广泛．STEP7是s7-200的编程语言，包含了自动化项目中从项目的启动、实施到测试以及服务，每一阶段所需要的全部功能，此软件编辑的程序不仅能够在项目间自由移植，而且对工程提供密码保护、自由扩展等功能，能够解决复杂的自动化任务。
PLC通讯模块（如CP243）
CP 243-1 是一种通讯处理器，设计用于在S7-200 自动化系统中运行。
它可用于将S7-200 系统连接到工业以太网（IE）中。
CP 243-1 有助于 S7 产品系列通过因特网进行通讯。
因此，可以使用STEP 7 Micro/WIN 32，对S7-200 进行远程组态、编程和诊断。
而且，一台S7-200 还可通过以太网与其它S7-200、S7-300 或S7-400 控制器进行通讯。
并可与OPC 服务器进行通讯。
在开放式SIMATIC NET 通讯系统中，工业以太网可以用作协调级和单元级网络。
在技术上，工业以太网是一种基于屏蔽同轴电缆、双绞电缆而建立的电气网络，或一种基于光纤电缆的光网络。
工业以太网根据国际标准IEEE 802.3 定义。
CP 243-1 具有以下功能：
a、使用 CP 243-1，通过工业以太网，可S7-200 和其它 S7-200或 S7-300 或 S7-400 PLC 之间的通讯。
b、通过工业以太网和STEP 7 Micro/WIN 32，实现S7-200 系统的远程编程、组态和诊断。
c、最多可以组态 8 个连接。
对于连接控制（保持活动状态），可以为主动和被动伙伴的所有的 TCP/IP 传输连接进行组态。
可提供与S7-OPC 的连接：
串口转换模块（如串口转以太网8570串口服务器）
串口服务器8570是基于TCP/IP和RS-485/422/23
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