基于DDC樓宇智能控制系統的設計

高見芳

（湖南科技職業學院 電子信息工程與技術系,湖南 長沙 410118）

DDC系統的全稱為直接數字控制器，是從PLC和FCS系統中派生出來的，它是用于監視和控制系統中有關機電設備的控制器，一個完整的控制器應具有相應的軟硬件，才能夠獨立完成相關控制。因此，DDC系統構成應符合以下要求：

(1)以16 bit或者32 bit微處理器為核心的可編程DDC；

(2)具有可脫機控制的獨立運行或聯網運行能力；

(3)具有獨立的電源模塊；

(4)具有通信模塊；

(5)DDC具有LED顯示模塊，具備單獨的后備電源，當外電斷開時，能使RAM中的數據在60天內不丟失。

(6)當外電重新供應時，在無需人工干預的情況下，DDC能自動恢復功能。

為了達到上述要求，本設計采用依據IEC61131-3[1]標準定義的編程模塊和IEC61131-5[2]定義通信模塊及多種現場總線CAN的FCS來實現；引入模塊化和開放設計理念，將整個系統分為上位機和下位機兩大模塊。其中上位機主要完成通信管理和控制功能，而下位機則實現功能模塊的執行、系統管理、變量通信、用戶程序的通信[3]并可根據用戶的需要進行I/O擴展等內容。

1 系統總體設計方案

該系統按功能可分為現場層、控制層、管理層3個部分，現場層由下位機完成，主要通過傳感器實現相關數據的采集，各執行器、傳感器、儀表與控制系統是通過CAN總線完成的相互之間的聯接；而控制層和管理層兩個功能是由上位機實現的，其中控制層由DDC控制器組成，完成整個系統的控制，管理層則由服務器、數據庫、管理員和操作員站組成，主要實現人機對話、對相關數據管理等功能。系統方框圖如圖1所示。

1.1上位機編程軟件模塊

上位機由工程師站、數據庫及操作員站和遠程管理站組成，能夠實現用戶自定義功能的C/C++編輯調試界面，支持擴展DDC支持的硬件單元，對I/O映射表單元進行修改等滿足DDC需要的體系結構。其上位機的軟件開發界面[6]有菜單、工程管理欄、編輯欄、狀態信息欄等欄目，該界面具有直觀，易操作的特點。

1.2下位機模塊硬件系統

硬件系統由一系列模塊組成，包括CPU模塊（解題模塊和PP通信程序）、MODBUS總線模塊、智能模塊、通信模塊和I/O模塊等等,各模塊之間的關系如圖2所示。模塊中CPU處理數據量最大。傳感器采集來的數據經過I/O接口，通過映射表映射到下位機CPU的內存表，CPU直接對內存數據進行處理，并經過總線告之上位機。

1.2.1 CPU[4-5]模塊功能要求

(1)管理功能：對采集的狀態數據進行處理、管理。

(2)通信功能：利用CPU中的接口UBS、RS232、RS485、CAN等總線及相關的通信協議實現與上位機通信的功能。

(3)執行功能：執行上位機經過編程、編譯后的用戶程序。

(4)調試和監控功能：支持對上位機所編程序調試及監控功能。

(5)外設管理功能：對I/O模塊的管理及數據更新功能。

1.2.2 CPU 模塊[6]

CPU模塊是整個控制系統的核心部分，它是用來調試、處理、管理和執行用戶程序，負責掃描和驅動I/O模塊，如圖3所示。該模塊有中央處理單元、I/O擴展單元、狀態使用權集單元、存貯單元和通信單元等。對CPU模塊進行開發，首先構建硬件模塊，即CPU的最小系統，再進行功能擴展；對下位機的采集、處理和通信程序等下位機系統程序的開發；最后進行系統集成三個步驟。

1.2.3 下位機系統程序[7-8]

下位機系統程序包括引導程序、主程序、中斷程序、I/O處理程序、通信程序、功能模塊控制程序、特殊寄存器和線圈、配置表格、高速部件故障處理等功能模塊程序。圖4為下位機程序流程圖。

圖4 下位機程序流程圖

2 系統工作原理

該設計采用循環掃描的工作方式，每一個程序CPU都從第一條指令開始執行，按照指令步序號做周期性循環掃描，如沒有跳轉指令，則從第一條指令開始一條一條執行，直到結束后，再進入下一個掃描周期，如此循環往復。每一個循環稱為一個掃描周期，而掃描周期的大小主要取決于：(1)CPU的主頻；(2)程序中指令的多少；(3)指令周期這3個因素。

每個掃描周期有如下三個主要階段：

(1)在輸入刷新階段，首先CPU掃描全部輸入端口，讀取各個端口的狀態信息，并根據工作要求寫入狀態寄存器。完成刷新階段的工作后，即轉入程序的執行階段，在程序執行期間，即使輸入狀態在不斷的變化，輸入寄存器的內容也不會隨著發生變化，直到下一個周期的輸入刷新階段才可改變。

(2)程序執行階段

根據用戶輸入的梯形圖程序，從第一條指令開始逐步執行，并將相應的邏輯運算結果存入對應的內部輔助寄存器和輸出狀態寄存器中，當最后一條控制程序執行完成后，轉入輸出刷新階段。

(3)輸出刷新階段

當所有指令執行完畢后，將狀態寄存器的內容依次送到I/O對應的輸出寄存器中，并通過一定的轉換方式，驅動執行部件工作。

由此可見，輸入刷新、程序執行、輸出刷新三個階段構成一個工作周期，并且循環往復，稱為循環掃描工作方式。由于輸入刷新階段是緊接輸出刷新階段后馬上進行的，所以將這兩個階段稱為IO映射表刷新。當然還有自診斷功能和通信功能。綜上所述整個掃描過程如圖5所示。

掃描周期的長度主要取決于程序的長度，掃描周期越長，相應速度越慢，由于每個周期只進行一次I/O刷新，所以系統存在輸入輸出滯后現象，這在一定程度上降低了系統的響應速度，但由于其對I/O映射表的變化，每個周期限只輸出更新一次，DDC在一個工作周期的大部分時間是與外部擴展模塊隔離的，有利于避免工業現場脈沖的瞬時干擾，使誤動作大大減少，但在快速響應的系統中就會造成滯后現象。

該設計是以網絡可編程控制器DDC為核心，利用現場總線CAN、工業以太網、GPRS等相關的通信媒介，將傳感器、執行電機和計算機進行遠程或無線鏈接的硬件系統，通過對上位機進行編程，從而實現了對下位機的控制，實現了樓宇系統的控制。其特點為：

(1)操作簡單、方便并具備很強的故障診斷能力；

(2)由于采用中心控制室對不同位置的建筑進行統一管理，大大節省了能源和人力成本；

(3)控制的精確度大大提高，從而提高了舒適度；

(4)由于傳統的DDC系統校準后會降低精度，而該系統則無需校準，減小了誤差。

總之，通過該設計系統對樓宇進行控制,提高了效率，達到預期的效果。

[1]IEC61131-3標準[S].

[2]IEC61131-5標準[S].

[3]黎連業.智能大廈和智能小區安全防范系統的設計與實施[M].北京：清華大學出版社,2008.

[4]怯肇乾.嵌入式系統硬件體系設計[M].北京：北京航空航天大學出版社,2007.

[5]胡漢才.單片機原理及接口技術[M].北京：清華大學出版社,2008.

[6]PPC系列PLC中文手冊[Z].2010.

[7]陸瓊文,劉傳聚,曹靜.浦東國際機場變空調供水溫度節能運行方案分析[J].暖通空調,2003，33(2)∶123-125.

[8]周巧航,趙加寧,施雪華.深圳市某辦公樓空調系統節能潛力分析[J].暖通空調,2004,34(4)∶19-21.