基于GSM網絡的中央空調智能群控節能系統

鄒 恩 ，霍 慶 ，黃浩揚 ，張增根 ，黃水鴻

（1.華南農業大學 工程學院，廣州 510642；2.華南農業大學 珠江學院，廣州 510642）

隨著樓宇的日益龐大，中央空調應用也越來越廣泛。常規中央空調為工業現場管理模式，以分散控制為主，已經無法適應人們對居住、辦公等環境舒適度日益增高的需求。隨著智能樓宇的出現，為實現管理人員與中央空調機組的空間分割與時間同步，同時降低管理費用和空調能耗，空調系統的網絡化控制已成為趨勢，文獻[1-2]報導了基于Android手機及無線傳感器網絡的中央空調遠程數據監控系統。文獻[3]等開發了基于網絡服務器鏈路通信技術的建筑空調遠程控制系統，文獻[4]將嵌入式技術應用于中央空調系統和高端的集中控制中。這些監控系統實現了樓宇智能化的要求，但組網較復雜、設備較昂貴，且較少考慮節能因素。由于GSM技術具有組網便捷、可靠性高的優點，目前被廣泛應用于工業上的數據通訊中[5]。

本文以中國人民銀行某支行中央空調智能化節能改造為工程案例，提出一套基于GSM網絡的中央空調智能群控節能系統，將變頻變壓技術嵌入到控制系統中，通過GSM無線通訊，管理人員可以集中監控中央空調運行的溫度、頻率等參數，同時將采集到的數據在上位機進行實時顯示和儲存。該系統可實現整套中央空調的自動化、網絡化管理，成本低廉并實現節能目的。經過實際運行分析，改造后系統運行穩定，輸出參數滿足要求，節省人力、物力和財力。

1 系統結構及工作原理

本中央空調智能群控節能系統由監控平臺和控制柜終端構成，在原來的空調系統上改造完成。原系統功率參數為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冷卻風機2臺，控制方式為手動且無監控，工程改造內容為增加新控制柜終端，實現原控制柜和新控制柜互相切換工作。改造后系統框圖如圖1所示。

圖1 群控節能系統框圖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電動開關法蘭蝶閥等電氣元件組成，控制柜終端結構框圖如圖2所示。

圖2 控制柜終端系統結構框圖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直接轉化為數字信號存儲在PLC的寄存器中，智能電動閥的狀態則顯示在人機交互界面上。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的信息，并及時調節變頻器的頻率，改變冷卻泵和冷凍泵的轉速從而改變水流量實現室內溫度調節和用電量的減少，同時控制GSM模塊將采集的各種數據以短信形式實時發送到監控平臺。系統與管理人員手機實現雙向通訊，可通過手機讀取系統運行的實時數據，亦可遠程控制整套空調系統的啟停。

2 系統硬件設計

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轉換模塊，方便將采集到的模擬信號轉換為數字信號，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℃，主機冷卻進回水處和冷凍進回水處各放置2個溫度傳感器，2臺主機總共放置8個溫度傳感器，用于實時監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、適合各種現場配套使用，可實現恒壓一臺拖多臺控制，并且內置RS485通訊接口，可實現集中控制和主從連動控制[7]。在本系統中，PLC與變頻器以RS485通訊，讀取變頻器內常用參數如電流、電壓和頻率等通過GSM模塊發送到監控中心。

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各生產領域對無線通訊、語音傳輸需求開發的一款基于移動通信網絡系統的產品，并且集成了標準RS232接口和SIM卡，接收信息經PLC解析數據后，立即響應中斷，并按中斷所設置的方式進行數據處理。系統需要傳輸數字文本信息，故選用 Text Mode模式[8]。

3 系統軟件設計

本系統的軟件設計包括PLC主程序設計、WinCC界面設計、GSM模塊程序設計。

3.1 PLC主程序設計

風機水泵類負載電機轉速n、流量Q、揚程H及軸功率P的關系為

式中：n1、n2為電機轉速；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速、轉速的平方和立方。

系統主程序流程如圖3所示，系統開始時初始化串口、中斷、變頻器等，通過WinCC flexible軟件自整定出PID參數，比例參數P=1、積分參數I=5、微分參數D=0[9]。每當PLC接收到一組數據后便自動產生中斷請求，在中斷服務的子程序中，設定標志位M0.1置位，表示允許進入中斷服務，在主程序中通過檢測M0.1的狀態來確定是否轉入接收短信并解碼，完畢后及時將接收數據標志M0.1復位。PLC數據的上傳則根據通信協議格式上傳。當系統進入自動運行，電動閥開啟和讀取各管道溫度傳感器后CPU與變頻器通訊進行PID自動調節，讀寫操作都在PLC一個掃描周期內完成，系統的響應是實時的。

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

3.2 觸摸屏系統設計

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

3.3 GSM模塊程序設計

3.3.1 通訊協議

PLC設置為自由串口通訊模式，要通過RS485-RS232轉換接口與GSM模塊通訊。控制柜終端以表1短信形式發送到監控平臺或者直接發送到管理員手機。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的溫度值。

表1 短信數據幀格式Tab.1 SMS data frame format

3.3.2 GSM通訊流程設計

GSM通訊包括模塊與模塊間通訊和模塊與手機間通訊。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 ”設置短信息為自動回顯模式；為節省短信費用，將控制柜終端號碼、監測平臺號碼和管理人員手機號碼加入5元移動家庭網月套餐，短信數量無上限。另外設置Text編碼模式和服務中心地址后，初始化完畢。

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

系統實際運行時，PLC讀取寄存器中頻率、溫度等參數構造成短信數據幀格式發送到監控平臺GSM模塊，監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容。當管理人員發送手機指令，如“open system”，控制柜終端GSM模塊接收指令后向PLC串口發送 “+CMTI：‘SM’＜number＞”，PLC則構造 AT讀取指令讀取手機短信內容，進入遠程控制程序，實現遠程開啟系統。考慮到移動4G的SIM卡可容納150條短信，在程序設計中加上“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出現故障，系統發出報警信號。

4 結語

本系統結合GSM網絡技術，該信號可覆蓋范圍為半徑35 km，組網方便；由溫度傳感器采集實時溫度，PLC自動調整水泵轉速和切換運行水泵數目，搭建監控平臺實現中央空調系統全自動化及管控一體化。系統具有遠程遙控啟停功能以及良好的人機交互界面，目前已經投入使用，半年多的運行結果表明該系統性能穩定、方便人員管理和控制，節能效益良好。

[1]張瑞卿.基于Android手機客戶端的中央空調遠程數據監控系統研究[D].福建：廈門大學，2014.

[2]張艷陽，葉峰，吳麗菲，等.基于ZigBee的智能中央空調無線監控系統[J].自動化與儀表，2013，28（7）：26-30.

[3]Chuzo Ninagawa.Remoto monitoring of building air-conditioners using internet Web server link communication technology[J].Mitsubishi Heavy Industries Tcchnical Review，2011，48（2）：14-22.

[4]Du Haicun.Study of air condition remote control based on embedded system[C]//IEEE Computer Society，Piscataway，2011：550-553.

[5]莫德清，韓劍，趙英，等.基于GSM和LabVIEW的污水處理遠程監控系統[J].測控技術，2014，33（4）：62-65.

[6]叢華，謝金良，江鵬程，等.基于PLC的組合式空調機組控制系統設計[J].計算機測量與控制，2013，21（1）：119-121.

[7]深圳易能電氣技術有限公司.易能變頻器EDS1000系列說明書[Z]，2011.

[8]鄒恩，霍慶，黃浩揚，等.基于GSM網絡的遠程遙控空氣開關系統[J].自動化與儀表，2014，29（4）：27-29.

[9]李鑫.淺談西門子PLC的PID參數整定[J].科技視界，2014（14）：89-90.