基于GSM网络的中央空调智能群控节能系统

邹 恩 ，霍 庆 ，黄浩扬 ，张增根 ，黄水鸿

（1.华南农业大学 工程学院，广州 510642；2.华南农业大学 珠江学院，广州 510642）

随着楼宇的日益庞大，中央空调应用也越来越广泛。常规中央空调为工业现场管理模式，以分散控制为主，已经无法适应人们对居住、办公等环境舒适度日益增高的需求。随着智能楼宇的出现，为实现管理人员与中央空调机组的空间分割与时间同步，同时降低管理费用和空调能耗，空调系统的网络化控制已成为趋势，文献[1-2]报导了基于Android手机及无线传感器网络的中央空调远程数据监控系统。文献[3]等开发了基于网络服务器链路通信技术的建筑空调远程控制系统，文献[4]将嵌入式技术应用于中央空调系统和高端的集中控制中。这些监控系统实现了楼宇智能化的要求，但组网较复杂、设备较昂贵，且较少考虑节能因素。由于GSM技术具有组网便捷、可靠性高的优点，目前被广泛应用于工业上的数据通讯中[5]。

本文以中国人民银行某支行中央空调智能化节能改造为工程案例，提出一套基于GSM网络的中央空调智能群控节能系统，将变频变压技术嵌入到控制系统中，通过GSM无线通讯，管理人员可以集中监控中央空调运行的温度、频率等参数，同时将采集到的数据在上位机进行实时显示和储存。该系统可实现整套中央空调的自动化、网络化管理，成本低廉并实现节能目的。经过实际运行分析，改造后系统运行稳定，输出参数满足要求，节省人力、物力和财力。

1 系统结构及工作原理

本中央空调智能群控节能系统由监控平台和控制柜终端构成，在原来的空调系统上改造完成。原系统功率参数为18 kW的冷却水泵3台，2用1备；15 kW的冷冻水泵3台，2用1备；5.5 kW冷却风机2台，控制方式为手动且无监控，工程改造内容为增加新控制柜终端，实现原控制柜和新控制柜互相切换工作。改造后系统框图如图1所示。

图1 群控节能系统框图Fig.1 Saving group control system block diagram

控制柜终端主要由西门子CPU226和触摸屏、GSM模块、外部扩展模块EM223、EM221和EM231、施耐德LC1-D3201交流接触器和C65D断路器、欧姆龙MY-4J中间继电器、易能EDS1000-4T-0150P变频器、广州北泽DN100电动开关法兰蝶阀等电气元件组成，控制柜终端结构框图如图2所示。

图2 控制柜终端系统结构框图Fig.2 Control cabinet terminal system structure diagram

温度传感器将检测到的温度信号通过模块EM231直接转化为数字信号存储在PLC的寄存器中，智能电动阀的状态则显示在人机交互界面上。变频器与PLC以RS485总线形式通讯，PLC实时读取变频器运行时各参数的信息，并及时调节变频器的频率，改变冷却泵和冷冻泵的转速从而改变水流量实现室内温度调节和用电量的减少，同时控制GSM模块将采集的各种数据以短信形式实时发送到监控平台。系统与管理人员手机实现双向通讯，可通过手机读取系统运行的实时数据，亦可远程控制整套空调系统的启停。

2 系统硬件设计

2.1 PLC中央处理器

选用西门子CPU226作为控制器，配合西门子公司的外部扩展模块 EM223、EM221、EM231和6AV6 648-0BC11-3AX0触摸屏[6]，控制器具备12位A/D转换模块，方便将采集到的模拟信号转换为数字信号，输出端主要控制各个中间继电器和接触器。

2.2 温度传感器模块

温度传感器采用Pt100，测量范围：-50～300℃，主机冷却进回水处和冷冻进回水处各放置2个温度传感器，2台主机总共放置8个温度传感器，用于实时监测各管道温度并显示到触摸屏上。温度传感器配合EM231模块，接线简单，不需要外部信号调理电路。

2.3 变频器模块

变频器采用18 kW的易能EDS1000-4T-0150P变频器，该款变频器功能完善、适合各种现场配套使用，可实现恒压一台拖多台控制，并且内置RS485通讯接口，可实现集中控制和主从连动控制[7]。在本系统中，PLC与变频器以RS485通讯，读取变频器内常用参数如电流、电压和频率等通过GSM模块发送到监控中心。

2.4 GSM模块

GSM模块采用TC35i，该模块主要是西门子公司为适应各生产领域对无线通讯、语音传输需求开发的一款基于移动通信网络系统的产品，并且集成了标准RS232接口和SIM卡，接收信息经PLC解析数据后，立即响应中断，并按中断所设置的方式进行数据处理。系统需要传输数字文本信息，故选用 Text Mode模式[8]。

3 系统软件设计

本系统的软件设计包括PLC主程序设计、WinCC界面设计、GSM模块程序设计。

3.1 PLC主程序设计

风机水泵类负载电机转速n、流量Q、扬程H及轴功率P的关系为

式中：n1、n2为电机转速；Q1，Q2为流量；H1，H2为扬程；P1，P2为轴功率。由式（1）可知，流量、扬程和轴功率分别正比于转速、转速的平方和立方。

系统主程序流程如图3所示，系统开始时初始化串口、中断、变频器等，通过WinCC flexible软件自整定出PID参数，比例参数P=1、积分参数I=5、微分参数D=0[9]。每当PLC接收到一组数据后便自动产生中断请求，在中断服务的子程序中，设定标志位M0.1置位，表示允许进入中断服务，在主程序中通过检测M0.1的状态来确定是否转入接收短信并解码，完毕后及时将接收数据标志M0.1复位。PLC数据的上传则根据通信协议格式上传。当系统进入自动运行，电动阀开启和读取各管道温度传感器后CPU与变频器通讯进行PID自动调节，读写操作都在PLC一个扫描周期内完成，系统的响应是实时的。

图3 PLC主程序流程图Fig.3 PLC main program flow chart

3.2 触摸屏系统设计

触摸屏系统是利用西门子WinCC编写的。在主界面中，可以监控冷却水泵和冷冻水泵的运行状态、电动阀的开启状态和各个温度测试点的温度值。另外设计了停止/启动按钮，一键式启停整个中央空调系统，方便管理人员现场操控。整套系统无需设置过多复杂语句，仅需设置与PLC中寄存器链接。

3.3 GSM模块程序设计

3.3.1 通讯协议

PLC设置为自由串口通讯模式，要通过RS485-RS232转换接口与GSM模块通讯。控制柜终端以表1短信形式发送到监控平台或者直接发送到管理员手机。其中频率值包括冷却泵和冷冻泵的频率值，温度值则包括各管道内的温度值。

表1 短信数据帧格式Tab.1 SMS data frame format

3.3.2 GSM通讯流程设计

GSM通讯包括模块与模块间通讯和模块与手机间通讯。编程语言为AT指令，如图4所示，首先对 GSM 模块初始化，“AT+CNMI=1，1，2 ”设置短信息为自动回显模式；为节省短信费用，将控制柜终端号码、监测平台号码和管理人员手机号码加入5元移动家庭网月套餐，短信数量无上限。另外设置Text编码模式和服务中心地址后，初始化完毕。

图4 GSM通讯流程图Fig.4 GSM communication flow chart

系统实际运行时，PLC读取寄存器中频率、温度等参数构造成短信数据帧格式发送到监控平台GSM模块，监控平台判断是否为正确来电号码，若是直接在电脑终端显示短信内容。当管理人员发送手机指令，如“open system”，控制柜终端GSM模块接收指令后向PLC串口发送 “+CMTI：‘SM’＜number＞”，PLC则构造 AT读取指令读取手机短信内容，进入远程控制程序，实现远程开启系统。考虑到移动4G的SIM卡可容纳150条短信，在程序设计中加上“AT+CMGS=＜x＞ ”删除短信指令，保证短信存储容量充足。若收到不正确来电号码或者系统出现故障，系统发出报警信号。

4 结语

本系统结合GSM网络技术，该信号可覆盖范围为半径35 km，组网方便；由温度传感器采集实时温度，PLC自动调整水泵转速和切换运行水泵数目，搭建监控平台实现中央空调系统全自动化及管控一体化。系统具有远程遥控启停功能以及良好的人机交互界面，目前已经投入使用，半年多的运行结果表明该系统性能稳定、方便人员管理和控制，节能效益良好。

[1]张瑞卿.基于Android手机客户端的中央空调远程数据监控系统研究[D].福建：厦门大学，2014.

[2]张艳阳，叶峰，吴丽菲，等.基于ZigBee的智能中央空调无线监控系统[J].自动化与仪表，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，韩剑，赵英，等.基于GSM和LabVIEW的污水处理远程监控系统[J].测控技术，2014，33（4）：62-65.

[6]丛华，谢金良，江鹏程，等.基于PLC的组合式空调机组控制系统设计[J].计算机测量与控制，2013，21（1）：119-121.

[7]深圳易能电气技术有限公司.易能变频器EDS1000系列说明书[Z]，2011.

[8]邹恩，霍庆，黄浩扬，等.基于GSM网络的远程遥控空气开关系统[J].自动化与仪表，2014，29（4）：27-29.

[9]李鑫.浅谈西门子PLC的PID参数整定[J].科技视界，2014（14）：89-90.