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1 引言 隨著科技進(jìn)步和社會發(fā)展，空調(diào)技術(shù)日新月異，各機(jī)關(guān)單位、大廈、酒店等大型建筑物紛紛采用技術(shù)先進(jìn)、節(jié)能環(huán)保的集中式空調(diào)系統(tǒng)，然而由于國外集中式空調(diào)系統(tǒng)控制技術(shù)先進(jìn)成熟，占據(jù)市場壟斷地位。在LonWorks技術(shù)廣泛應(yīng)用的今天，應(yīng)抓住難得的契機(jī)，利用其良好的兼容性和擴(kuò)展性開發(fā)出基于LonWorks技術(shù)的集中式空調(diào)系統(tǒng)，打破國外壟斷局面。 考慮到LonWorks技術(shù)的優(yōu)勢，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于LonWorks技術(shù)的集中式空調(diào)系統(tǒng)。 2 LonWOFks技術(shù)簡介 LonWorks是由Echelon公司推出的一種全面的現(xiàn)場總線測控網(wǎng)絡(luò)，又稱作局部操作網(wǎng)(LocalOperating Network—LON)。LonWorks技術(shù)具有完整的開發(fā)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的平臺，包括設(shè)計(jì)、配置安裝和維護(hù)控制網(wǎng)絡(luò)所需的所有硬件和軟件。LonWorks網(wǎng)絡(luò)的基本單元是節(jié)點(diǎn)，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括神經(jīng)元芯片(Neuron Chip)、電源、收發(fā)器和用于連接監(jiān)控設(shè)備接口的I／O電路。 Lonworks采用了ISO／OSI模型的全部7層通信協(xié)議，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量將網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡化為參數(shù)設(shè)置，從而易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的互操作性；其通信速率從300 b／s至1.5 Mb／s不等，通信距離高達(dá)2700 m；支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電力線等多種通信介質(zhì)，并開發(fā)出相應(yīng)的本質(zhì)安全產(chǎn)品。 3 集中式空調(diào)系統(tǒng)概述 集中式空調(diào)系統(tǒng)(又稱集中式水空調(diào)系統(tǒng))包括空氣系統(tǒng)、水系統(tǒng)、集中供熱／制冷設(shè)備機(jī)房以及控制系統(tǒng)。 空氣系統(tǒng)(又稱為空氣處理系統(tǒng))包括空氣處理機(jī)組、送排風(fēng)管、風(fēng)機(jī)驅(qū)動箱、空氣集散流裝置和排氣系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)、輸送、分配處理后的空氣、再循環(huán)空氣、室外新鮮空氣和排放空氣，按室內(nèi)要求控制室內(nèi)環(huán)境；水系統(tǒng)包括冷凍水系統(tǒng)和熱水系統(tǒng)、冷卻水泵和熱水泵、冷卻水系統(tǒng)和冷卻水泵，用于將冷凍水和熱水從機(jī)房送到空氣處理機(jī)組和風(fēng)機(jī)驅(qū)動箱，從冷卻水塔、水井或其它水源輸送冷卻水到中央設(shè)備機(jī)房。中央設(shè)備機(jī)房包括熱源設(shè)備和冷源設(shè)備，用于降低冷凍水溫度，不加熱成熱水或蒸氣；控制系統(tǒng)包括電子傳感器、微處理器等，用于控制相關(guān)設(shè)備。 4 基于LonWorks的集中式空調(diào)系統(tǒng) 4.1 系統(tǒng)總體架構(gòu) 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)針對某機(jī)關(guān)大院的集中式空調(diào)系統(tǒng)，有1 000個(gè)待控制點(diǎn)，考慮到今后的擴(kuò)展及升級，采用兩層結(jié)構(gòu)，分別為管理層和現(xiàn)場控制層。其系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。 管理層總線采用基于LonWorks的TCP／IP協(xié)議層完成整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控，這是由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的。其中路由器連接不同信道之間的LonWorks信息，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信量控制，劃分不同網(wǎng)段、增大網(wǎng)絡(luò)容量的目的。管理層主要功能是設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)、檢測集中空調(diào)系統(tǒng)控制節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)、動態(tài)顯示電子地圖數(shù)據(jù)、打印報(bào)警報(bào)表及狀態(tài)分析、采集和記錄實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等。 現(xiàn)場層主要由智能節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)場設(shè)備組成，是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。智能節(jié)點(diǎn)通過LonWorks總線與現(xiàn)場空調(diào)機(jī)、水泵、冷熱源設(shè)備等相連。接收現(xiàn)場采集的數(shù)字信號和模擬信號，根據(jù)寫入的程序和管理層設(shè)定的參數(shù)控制現(xiàn)場設(shè)備，并將所有信號反饋至管理層。 4.2 硬件設(shè)計(jì) 集中式空調(diào)系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。 4.2.1 CPU 智能節(jié)點(diǎn)的CPU采用Neuron TMPN3150神經(jīng)元芯片。Neuron芯片提供了完整的系統(tǒng)資源，內(nèi)部集成有3個(gè)CPU，第一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)開放互連模型中第1和第2層的功能，稱為媒體訪問控制處理器，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)訪問控制與處理；第二個(gè)用于完成第3～6層的功能。稱為網(wǎng)絡(luò)處理器，用于網(wǎng)絡(luò)變量的尋址、處理、背景診斷、路徑選擇、軟件計(jì)時(shí)、網(wǎng)絡(luò)管理，并負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信控制、收發(fā)數(shù)據(jù)包等；第三個(gè)是應(yīng)用處理器。執(zhí)行操作系統(tǒng)服務(wù)與用戶代碼。Neuron芯片提供11個(gè)I／O引腳，通過不同的配置，可最多可提供34種I／O對象(即輸入輸出方式)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將I／O0～I(xiàn)／O2設(shè)置為輸出，分別驅(qū)動風(fēng)機(jī)、水泵、水閥的繼電器或執(zhí)行器，將I／O3～I(xiàn)／O11設(shè)置為輸入，分別采集現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)、報(bào)警等數(shù)據(jù)。 4.2.2 程序存儲器 Neuron TMPN3150神經(jīng)元芯片無內(nèi)部ROM，但具有外部存儲器的接口，尋址空間可達(dá)64 KB。本系統(tǒng)采用帶可編程邏輯的PSD9xx存儲器，可擴(kuò)展收發(fā)器以及相應(yīng)外圍電路，從而形成了具有模入、模出、開入、開出、脈沖、RS-232等多種模塊化接口的多功能LonWorks網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，PSD9xx系列存儲器還增加了神經(jīng)元芯片的。I／O能力和存儲量，可將神經(jīng)元芯片的I／O端口數(shù)從11個(gè)擴(kuò)展到21個(gè)。TMPN3150以地址／數(shù)據(jù)非復(fù)用的8位數(shù)據(jù)總線方式工作。 4.2.3 收發(fā)器 采用信號線供電收發(fā)器FTT-10A，它是一種自由拓?fù)潆p絞線收發(fā)器，通信速率為78 kb／s，并帶有變壓器隔離耦合。收發(fā)器在神經(jīng)元芯片和LonWorks網(wǎng)絡(luò)間提供了物理通信接口。 4.2.4 其他電路 晶體振蕩器電路：為神經(jīng)元芯片提供工作時(shí)鐘。 復(fù)位電路：用于智能節(jié)點(diǎn)通電時(shí)的復(fù)位。 Service電路：包括Service按鈕和Service指示燈。其中Service按鈕是專為將智能節(jié)點(diǎn)安裝到網(wǎng)絡(luò)而設(shè)置的。Service指示燈主要是在診斷神經(jīng)元芯片固件狀態(tài)時(shí)用于指示信息。 4.3 軟件設(shè)計(jì) 4.3.1 軟件設(shè)計(jì)簡介 智能節(jié)點(diǎn)的軟件程序采用Neuron C語言編寫。它在標(biāo)準(zhǔn)C的基礎(chǔ)上進(jìn)行了自然擴(kuò)展，直接支持Neuron芯片的固化軟件。其內(nèi)部包括一個(gè)多任務(wù)調(diào)度程序，采用事件驅(qū)動編程結(jié)構(gòu)，所以整個(gè)節(jié)點(diǎn)的軟件功能由若干個(gè)事件驅(qū)動完成。其中包括：復(fù)位事件，主要完成系統(tǒng)的一些變量的初始化；定時(shí)器溢出事件，完成50 ms的定時(shí)循環(huán)采集I／O事件，包括接收報(bào)警、采集溫度、流量等信息；網(wǎng)絡(luò)變量更新事件，獲取其他節(jié)點(diǎn)的信息及服務(wù)器修改的網(wǎng)絡(luò)變量。 4.3.2 PID控制算法及程序設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)包括對冷熱源設(shè)備、空調(diào)機(jī)、風(fēng)機(jī)盤管、水泵、加壓風(fēng)機(jī)等的控制，涉及到的控制方法主要是PID控制，這里舉例說明系統(tǒng)運(yùn)用最多的水閥PID調(diào)節(jié)的運(yùn)算方法及程序的實(shí)現(xiàn)。 在工業(yè)控制系統(tǒng)中，常采用模擬PID控制系統(tǒng)，其控制規(guī)律如下： 其中，KP為比例增益，TI為積分時(shí)間常數(shù)，TD為微分時(shí)間常數(shù)，u(t)為控制量，e(t)為偏差。為便于實(shí)現(xiàn)程序控制和編程，采用數(shù)字增量式PID控制系統(tǒng)。如圖3所示。 將(1)式換成差分方程并作適當(dāng)近似： T為采樣時(shí)間。考慮到水閥通過調(diào)節(jié)冷熱水流量控制風(fēng)機(jī)送風(fēng)溫度，設(shè)定溫度一般不變，為一階恒值控制系統(tǒng)。參照工程實(shí)踐，取KP=4，KI=KP(T／TI)=0.02KP，KD=0。采樣時(shí)間T可以在編程序時(shí)自行修改，這里取1 s，e(k)為溫度差，單位為℃。數(shù)字PID增量型控制算法流程如圖4所示。 5 結(jié)束語 集中式空調(diào)系統(tǒng)采用LonWorks技術(shù)進(jìn)行通信和控制，達(dá)到預(yù)期控制要求。采用Lonworks技術(shù)開發(fā)的集中式空調(diào)系統(tǒng)可靠性高、易維護(hù)、具有較高的性能價(jià)格比，同時(shí)可方便地對系統(tǒng)功能進(jìn)行擴(kuò)展升級，滿足工程實(shí)際需要。 |
