基于LonWorks的中央空調(diào)自動控制系統(tǒng)設計

于江利 田海虹 史 進

(1.河北建筑工程學院，河北 張家口075024;2.中國寰球工程公司，河北 涿州072750)

1 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，作為智能大廈的重要組成部分:空調(diào)系統(tǒng)所耗費的能量要占到大樓消耗的總能量的40%以上，特別是作為中央空調(diào)系統(tǒng)前端設備的冷源，冷凍機組的耗電在整個中央空調(diào)系統(tǒng)中占有很大的比重.中央空調(diào)系統(tǒng)主要由新風管道、回風管道、排風管道以及相應的冷凍水閥門調(diào)節(jié)裝置、風閥調(diào)節(jié)器、溫(濕)度傳感器、加熱器和送風機等組成.本系統(tǒng)擬通過溫度傳感器檢測各管道和房間的溫度，對冷凍水閥門調(diào)節(jié)裝置、風閥調(diào)節(jié)器、加熱器等進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對房間溫度和濕度的控制.以使系統(tǒng)在滿足人們需要的同時，利用自動控制技術，開發(fā)一套可靠、有效的空調(diào)節(jié)能系統(tǒng).本系統(tǒng)利用Lon-Works技術開發(fā)一個空調(diào)監(jiān)控網(wǎng)絡系統(tǒng)的技術平臺，進行通信和控制.LonWorks技術是美國Echelon公司于90年代推出的一種現(xiàn)場總線技術，用它來實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)可靠性高、易維護、具有較高的性價比的自動控制系統(tǒng).

2 系統(tǒng)方案設計

現(xiàn)場總線是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，是自動化領域中底層數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡.它以數(shù)字通信替代了傳統(tǒng)的4－20mA模擬信號及普通開關量信號的傳輸.已經(jīng)廣泛應用于樓宇、制造業(yè)、交通、電力等方面的自動化系統(tǒng)中.

本文以空調(diào)系統(tǒng)為主要研究對象，采用Lonworks現(xiàn)場總線進行組網(wǎng)，它以Neuron芯片為核心，組成各個智能節(jié)點，并將這些智能節(jié)點連接在一條Lonworks總線上，實現(xiàn)上下位機之間以及智能節(jié)點之間的通信.這種一對雙絞線上掛接多個控制設備的連接方式，便于節(jié)省安裝費用，節(jié)省維護開銷，并且提高了系統(tǒng)的可靠性，也為用戶提供了更靈活的系統(tǒng)集成主動權.

上位機用LonMaker組網(wǎng)，用組態(tài)王進行監(jiān)控，組態(tài)王和LonMaker之間用DDE進行動態(tài)數(shù)據(jù)交換.網(wǎng)絡適配器選擇PCLTA－21型號.具體結(jié)構(gòu)見下圖1所示.

3 硬件設計

3.1 網(wǎng)絡適配器選擇

網(wǎng)絡適配器是網(wǎng)絡接口設備，它是外部主機的物理接口，它的應用程序提供通信協(xié)議和API(應用程序接口)，使得基于主機的程序可以訪問LON網(wǎng)絡.PCLTA－21網(wǎng)絡適配器是一個高性能的Lon-Works接口，它集成了雙絞線收發(fā)器，并帶有網(wǎng)絡管理接口和可下載的存儲器，同時還支持Win98/2000和XP的即插即用功能，它的這些特點決定它非常適合樓宇自動化、工業(yè)控制和過程控制應用等，所以該項目選用PCLTA－21網(wǎng)絡適配器，它既能與現(xiàn)場智能節(jié)點進行對等雙向通信，又能與PC機進行快速數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)了復雜的數(shù)據(jù)處理和高級監(jiān)控功能.

3.2 智能節(jié)點的設計

節(jié)點也被稱為智能設備，它是LonWorks現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡的基本單元.Lonworks上的智能節(jié)點采用直接數(shù)字控制器DDC，該智能節(jié)點的核心是神經(jīng)元(Neurons)芯片，其內(nèi)部包括三個8位CPU，其中一個用作介質(zhì)訪問控制處理器，一個用作網(wǎng)絡處理器，另外一個作為應用處理器，使用專用的Neuron C編程語言編程.當應用程序下載到控制節(jié)點時，智能節(jié)點可實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)和接收上位機下發(fā)的控制命令［1］.另外還包括I/O處理單元、收發(fā)器和電源等部分.具體結(jié)構(gòu)如下圖2所示.

智能節(jié)點采用Motoral公司生產(chǎn)的型號為MC143150神經(jīng)元芯片作為節(jié)點的處理器，MC143150內(nèi)部具有3個八位的CPU，11個可編程的I/O口可以配制成34種功能對象，包括輸入、輸出和雙向三大類.并且它還可以擴展外部存儲器.這樣就擴大了芯片的內(nèi)部資源［2］.

收發(fā)器是通信電路的核心，它是智能節(jié)點與LonWorks網(wǎng)絡之間的接口.目前，針對不同的通信介質(zhì)有不同的收發(fā)器模塊.例如雙絞線收發(fā)器、電力線收發(fā)器、光纖收發(fā)器等.其中雙絞線收發(fā)器是最通用的一種.本設計采用變壓器耦合型收發(fā)器FTT－10.利用雙絞線作為傳輸媒體［1］.

4 軟件設計

4.1 上位機LonMaker軟件組網(wǎng)

安裝并打開LonMaker軟件后，單擊New Network新建一個網(wǎng)絡，自定義Network Name，Datebase Name自動和Network Name相同.創(chuàng)建好網(wǎng)絡，再添加節(jié)點，從圖形模板中選擇Device，將它拖到Visio的網(wǎng)絡管理區(qū)，填寫Device Name為DDC1、DDC2……依次填寫好設備的名稱.

4.2 上位機組態(tài)程序設計

為了實現(xiàn)上位機與智能節(jié)點的通信，上位機的監(jiān)控系統(tǒng)中使用“組態(tài)王”設計成工藝流程圖.它提供DDE通信接口，可與LonWorks網(wǎng)絡建立連接.這樣可在上位機上實時顯示現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并下發(fā)控制命令.

打開組態(tài)王程序，新建一個工程，自定義工程名稱.在工程瀏覽器左側(cè)“設備”下選DDE，下一步;給要安裝的DDE設備指定連接對象名，我們輸入:新IO設備，下一步;在服務程序名中寫:LNSDde，話題名為在LonMaker組網(wǎng)時起的名字:HBJGBA.Subsystem 1.DevNV，數(shù)據(jù)交換方式選擇:標準的Windows項目交換，點下一步，然后完成.

接下來在數(shù)據(jù)詞典中定義變量.例如，定義溫度變量名為TemH，變量類型為I/O實型，連接設備即我們剛才添加的DDE設備:新IO設備，項目名為DDC3.nvoA_AI［7］即對應的DDC3中的A端口，是一個模擬輸入量.具體見下圖3所示.

這樣建立起連接后，服務器接口程序中的數(shù)據(jù)就會動態(tài)地傳送到組態(tài)軟件中，實現(xiàn)進行記錄、顯示或報警等功能.

4.3 智能節(jié)點軟件設計

用Neuron C語言進行軟件設計.先定義I/O對象，同時設置I/O對象的工作參數(shù)以及對I/O對象進行初始化;由于我們是空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)，需要定時采集各種溫度、流量等參數(shù)，所以接下來定義定時器對象，最多可以定義15個定時器對象;定義網(wǎng)絡變量，這是節(jié)點之間交換信息的重要參數(shù);然后定義任務，即當某事件發(fā)生時，應用程序應執(zhí)行何種操作;最后編寫自定義函數(shù)，完成一些經(jīng)常要用到的功能，如溫度采集程序、PID控制程序等.

溫度采集程序的設計過程如下，當上位機發(fā)出采集數(shù)據(jù)指令后，通過網(wǎng)絡變量傳送到智能節(jié)點，然后控制現(xiàn)場的溫度傳感器采集數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳回到Neuron芯片，再經(jīng)過網(wǎng)絡變量傳遞，經(jīng)LNSDDE動態(tài)數(shù)據(jù)連接傳遞給上位機監(jiān)控界面，這樣循環(huán)操作，直到滿足條件為止［4］.數(shù)據(jù)采集軟件的流程如下圖4所示.

5 結(jié)束語

隨著LonWorks現(xiàn)場總線技術發(fā)展，其在智能樓宇、空調(diào)監(jiān)控、節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)等方面得到了廣泛的應用.本文根據(jù)當前智能建筑發(fā)展趨勢的需求，設計了基于LonWorks的中央空調(diào)自控系統(tǒng)，并且上位機通過“組態(tài)王”實現(xiàn)實時監(jiān)控，達到了預期的控制要求.

［1］彭海霞等，基于LonWorks技術的智能家居網(wǎng)絡節(jié)點設計與開發(fā)［J］，現(xiàn)代電子技術，2005(12)，45～47

［2］凌志浩，從神經(jīng)元芯片到控制網(wǎng)絡［M］，北京航空航天大學出版社，2001

［3］張云貴等，LonWorks總線系統(tǒng)設計與應用［M］，中國電力出版社，2009

［4］黃偉，基于LonWorks技術的溫度控制系統(tǒng)的應用研究［D］，武漢理工大學，2007