基于DCS的变风量智能空调系统的研究
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中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .......................................................... 1
§1.1 空气调节的形成...............................................................................................1
§1.2 变风量空调系统的研究现状...........................................................................2
§1.3 DCS 系统的发展现状........................................................................................2
§1.4 课题的研究内容及意义....................................................................................4
第二章 变风量空调系统的理论概述 ...................................... 6
§2.1 变风量空调系统的定义....................................................................................6
§2.2 变风量空调系统的组成....................................................................................7
§2.3 变风量空调系统的特点....................................................................................8
§2.4 变风量空调系统的分类....................................................................................9
§2.5 变风量空调系统的末端装置..........................................................................11
§2.6 变风量空调系统的应用..................................................................................13
第三章 变风量智能空调实验系统的硬件设计 ............................. 14
§3.1 变风量智能空调实验系统的硬件构成..........................................................14
§3.2 变风量智能空调实验系统的控制系统设计..................................................17
第四章 变风量智能空调系统的控制方案设计 ............................. 21
§4.1 变风量智能空调系统的控制目标..................................................................21
§4.1.1 室外设计参数........................................................................................21
§4.1.2 室内设计参数........................................................................................21
§4.1.2 送风温差的确定....................................................................................21
§4.2 变风量系统控制方案的设计..........................................................................21
§4.2.1 房间温度控制........................................................................................22
§4.2.2 送风静压控制........................................................................................23
§4.2.3 送风温度控制........................................................................................25
§4.2.4 新风量控制............................................................................................25
§4.2.5 室内正压控制........................................................................................27
第五章 变风量智能空调系统的 DDC 控制 ................................. 29
§5.1 DDC 概述........................................................................................................ 29
§5.1.1 DDC 的定义.......................................................................................... 29
§5.1.2 DDC 的组成.......................................................................................... 29
§5.1.3 DDC 的分类.......................................................................................... 30
§5.1.4 DDC 控制系统的特点.......................................................................... 30
§5.1.5 DDC 控制系统的网络结构.................................................................. 31
§5.1.6 DDC 控制系统的网络协议.................................................................. 32
§5.2 变风量空调实验系统的 DDC 控制.............................................................. 33
§5.2.1 DDC 控制器选型.................................................................................. 33
§5.2.2 DDC 网络架构及协议转换.................................................................. 34
§5.2.3 DDC 控制策略...................................................................................... 35
§5.2.4 DDC 控制算法...................................................................................... 37
§5.2.5 编程软件介绍及部分程序详解...........................................................39
第六章 变风量智能空调系统组态 ....................................... 42
§6.1 组态软件概述.................................................................................................42
§6.1.1 组态软件产生的背景...........................................................................42
§6.1.2 组态软件的特点和构成.......................................................................43
§6.1.3 组态软件的体系结构...........................................................................44
§6.1.4 国内外组态软件介绍...........................................................................45
§6.2 本课题的组态软件介绍..................................................................................46
§6.3 软件通讯接口设计..........................................................................................48
§6.3.1 设备驱动概述.......................................................................................48
§6.3.2 设备驱动挂接.......................................................................................48
§6.3.3 变量连接...............................................................................................50
§6.4 系统组态..........................................................................................................51
§6.4.1 主监控界面...........................................................................................52
§6.4.2 房间温度监控界面...............................................................................52
§6.4.3 数据报表界面.......................................................................................53
§6.4.4 权限设置...............................................................................................54
§6.5 系统运行及实验分析......................................................................................55
§6.5.1 运行环境及参数设置............................................................................55
§6.5.2 结果分析................................................................................................55
第七章 总结与展望 ................................................... 57
§7.1 总结..................................................................................................................57
§7.2 展望..................................................................................................................58
附录 ................................................................ 59
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 空气调节的形成.
人类自从学会了用火以后，便脱离了茹毛饮血的时代。人类学会了建造房屋
后，便开始了有了能遮风避雨不致于风餐露宿的生活空间。这就是室内环境的起
源。随着生产力的发展和人类生活水平的不断提高，人们对室内环境也提出了越
来越高的要求。为了避免酷暑严寒和改善室内环境，人们学会了生火取暖和开窗
通气，开创了空气调节的历史。经过漫长的岁月，直到 20 世纪，冶金和材料工业
有了很大的发展，传热和流涕力学理论日臻成熟。流体机械的广泛应用，使空气
调节术迅速发展。
空气调节（简称空调）是伴随社会生产力的发展，在生产过程所要求的空气
状态以及人类自身工作和居住所要求的空气状态不断提高的条件下产生和发展
的。空气调节通过采用一定的技术手段，在某一特定空间内对空气环境( 如：温
度、湿度、洁净度及空气流动速度等参数) 进行调节和控制，以满足工艺过程和
人体舒适的要求。
空调系统工作的建筑物，是人们进行工作和社会性活动的空间。人与人之间
的社会关系、个人在不同时期的心理、生理状态都会影响人们对热环境的感受。
为此，有的国外学者提出室内环境品质 IEQ（Indoor Environment Quality）的概念，
指出影响室内人员的舒适度和具有健康保障的室内环境品质，不仅取决于室内空
气温、湿度的环境因素，还与室内人员的组织因素、社会因素及个人因素等个人
心理、生理状态有关。
一个优良的空调系统必须在保证具有良好的室内空气品质情况下，还需要有
良好的节能技术。为了确保一个空调系统有良好的室内空气品质，需要消耗一定
的能量；然而考虑到空调系统的节能性，室内空气品质往往要或多或少地受到影
响。当空调系统的节能要求遇到此类矛盾时，应遵循以人为本的原则，确保人体
的健康和舒适。空调系统的参数选定时，要考虑到人体对环境冷热感觉的舒适度。
世界空调的发展大致可分为三个阶段。首先是后风扇时代，其典型特征是后
风扇时代空调的功能局限于制冷制热，技术含量低。其次是纯空调时代，此时代
的最显著标志是空调成为真正意义的空气调节器。不只是调节空气的温度，对空
气的舒适度也进行调节。随着各国政府对空调的能耗标准提出要求。空调进入了
超空调时代，其显著特点是空调不仅要完成空气调节的任务，还需要满足节能环
保的要求。
总之，当今的空气调节技术，是与建筑技术技术的发展、节能和舒适性要求
不断提高一起发展起来的。人们需要一种既舒适又节能的全空气空调。
基于 DCS 的变风量智能空调系统的研究
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§1.2 变风量空调系统的研究现状
变风量空调系统（Variable Air Volume System）是全空气空调系统中的一种。
变风量空调系统是随着空调的节能技术发展出来的一项新技术，它由单风道的定
风量空调系统演变而来，以其节约能耗、运行品质高等特点而优于其它空调系统，
并已经在办公和商用建筑中得到了广泛的应用。
变风量空调是随着空调的节能技术发展出来的一项新技术。变风量空调系统
是目前主要应用于办公和商用建筑的舒适性空调。变风量空调系统通过改变送入
各区域的风量来适应区域负荷变化。它可以根据空调负荷的变化及室内参数要求
来变化，自动地调节空调送风量以满足室内人员的舒适要求或其他工艺要求，同
时根据实际送风量，自动地调节送回风机的转速，以最大程度地减少风机动力，
节约能耗。变风量空调技术综合了暖通技术、自动化技术、微电子技术、计算机
技术等多门学科，从 20 世纪 60 年代中期诞生至今，随着这些学科技术的迅猛发
展，变风量空调技术取得了长足的进步。
然而，国内外变风量空调系统的发展并非一帆风顺。国外早期的变风量空调
系统起源于 20 世纪 60 年的美国[1]。当时的变风量空调系统常采用单风道再加热方
式或双风道混合方式来满足各空调区域的温度要求。由于各种原因，变风量空调
系统并未立即得到广泛应用。直到上世纪 70 年代的石油危机使人们观念有了改变，
空调节能成为了行业的关注点，变风量空调技术得到了较快的应用和发展。随着
压力无关型末端装置、风机动力型末端装置的出现和变频调速技术的成熟，特别
是90 年代后期，直接数字控制（DDC）技术在空调领域的应用和普及，更使变风
量空调技术日趋成熟和完善。近年来，美国和日本的办公、商用建筑都已经普遍
采用了变风量空调系统。
在我国，变风量空调系统经历了应用－停滞－再应用的三个阶段。我国的变
风量空调系统起始于 20 世纪 80 年代，且多为风机盘管加新风系统。在此期间的
一些智能建筑中也采用了变风量空调系统。但由于建筑过程和应用过程中的种种
问题，有些工程在两三年后，使用单位就取消了变风量系统的运行方式，拆除了
相应的自动控制设备。这使得变风量系统的优点并没有发挥出来，对变风量系统
附加的投资便成了泡影。直到了 90 年代中期，随着人们对室内空气品质（IAQ）
的逐步重视，变风量空调系统开始应用于一些高级办公建筑中。与变风量空调系
统相关的一些技术也在不断地被消化和发展。变风量空调系统又重新成为了国内
空调界研究的一个热门课题。
§1.3 DCS 系统的发展现状
DCS 是分布式控制系统的简称，在国内又称为集散控制系统，其英文缩写为
第一章 绪论
3
Distributed Control System。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的，以通信
网络为链接的多级计算机监控系统，其综合了计算机（Computer ） 、 通 讯
（Communication）、显示（CRT）和控制（Control）4C 技术。DCS 的基本思想
是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。DCS 控制系统具有以
下特点[31]：
(1) 高可靠性
由于 DCS 系统将控制功能分配给各台计算机，系统结构采用容错设计。因此
某一台计算机出现故障后不会导致系统丧失其它功能。
(2) 开放性
DCS 采用开放式、标准化、模块化和系列化的设计，系统中各台计算机采用
局域网方式通信，实现信息传输。当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算
机方便地连入系统通信网络或从网络中移出。
(3) 灵活性
通过组态软件根据不同对象进行软硬件组态，即确定测量与控制信号相互间
连接关系、从控制算法库中选择合适的控制规律以及从图形库中调用基本图形组
成所需的各种监控和报警画面，方便地构成所需要的控制系统。
(4) 易于维护
功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单方便的特点。当某一局部
或某个计算机发生故障时，可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换。
(5) 协调性
各个工作站之间通过通信网络传送数据，整个系统信息共享，协调工作，以
完成控制系统的总体功能和优化处理。
(6) 控制功能齐全
控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，可实现串级、
前馈、自适应和预测控制等先进控制方式，并可方便地加入所需的特殊控制算法。
DCS 的构成方式十分灵活，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记
录站、现场控制站和数据采集站等组成，也可以由通用的服务器、工业控制计算
机和可编程控制器构成。
DCS 系统是随着计算机技术、信号处理技术、自动测量技术、控制技术、通
信网络技术和人机接口技术的发展而发展的。其发展大体分为四个阶段[35]。
20 世纪 80 年代之前的分散系统属于第一代 DCS。第一代 DCS 系统由过程控
制单元、数据采集装置、CRT 操作站、监控计算机和数据传输通道 5个部分组成。
其中数据传输通道也称数据高速公路，是第一代分散系统的通信系统，一般由通
基于 DCS 的变风量智能空调系统的研究
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信电缆和数据传输管理指挥装置组成。
进入 80 年代，局域网技术广泛应用于分散系统的第二代 DCS。它是以局域网
为主干、系统中的各个单元被看作是网络的节点，由同轴电缆与屏蔽双绞线一类
传输媒体将网络节点互连，并可通过网络连接器 GW（Gateway）与其子网或其他
工业网络相连。过程控制单元 PCU 作为局域网的节点工作站。
80 年代末，为了克服第二代 DCS 局域网不能互连的缺点，出现了采用了开放
通信协议的第三代 DCS。典型产品有：Foxboro 公司的 I/A Series,Honeywell 公司
的TDC 3000/PM；日本横河的 CENTUM-XL 等。
如今 DCS 已经发展到了第四代。第四代 DCS 充分体信息化和集成化，其体系
结构主要分为四层结构：现场仪表层、控制装置单元层、工厂管理层和企业管理
层。Honeywell 公司最新推出的 Experion PKS(过程知识系统)、Emerson 公司的
PlantWeb、Foxboro 公司的 A2、横河公司的 R3(PRM-工厂资源管理系统)和 ABB
公司的 Industrial IT 系统标志着新一代 DCS 系统已经形成。
§1.4 课题的研究内容及意义
本文以我校光电信息与计算机工程学院的智能空调实验室的变风量空调机组
为研究对象，尝试利用澳大利亚 Hysine Control 公司的 DDC 控制器和开放式体系
结构的组态软件 BACview 对系统进行实时监控，达到精确控制的要求。根据本文
的研究重点，具体的工作内容如下：
1、根据实验室现有硬件条件，设计变风量空调实验系统。其中包括管道分布、
网络布线、控制系统选型、传感器分配等工作。
2、参考实际硬件条件，设计变风量空调系统的控制方案。实际控制方案决定
由5种控制子回路组成，即：房间温度控制、送风静压控制、送风温度控制、新
风量控制和室内正压控制。通过对这 5个回路的控制，使系统稳定运行。
3、选用澳大利亚 Hysine Control 公司的 DDC 控制器，采用 Viewlogic 编程工
具，根据变风量空调系统的控制要求，对 DDC 控制器进行编程调试，使系统达到
控制要求并稳定运行。
4、利用 BACview 组态软件控制运行变风量空调系统。主要工作包括建立软
件与控制系统硬件的连接，使得各个子系统服务器、工作站、网络路由器、DDC
控制器及变风量末端装置 VAV 相互之间能够正常通讯。系统能实现监测变风量空
调运行，故障检测等功能。
5、对实验过程和结果进行详细分析。
本课题着重对变风量空调系统的研究，实际意义在于：
首先，空调系统的能耗是建筑能耗中的重要组成部分，随着人们的环保意识
摘要：
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作者：陈辉
分类：高等教育资料
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时间：2024-11-19
