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1 引言 隨著科技進步和社會發展，空調技術日新月異，各機關單位、大廈、酒店等大型建筑物紛紛采用技術先進、節能環保的集中式空調系統，然而由于國外集中式空調系統控制技術先進成熟，占據市場壟斷地位。在LonWorks技術廣泛應用的今天，應抓住難得的契機，利用其良好的兼容性和擴展性開發出基于LonWorks技術的集中式空調系統，打破國外壟斷局面。 考慮到LonWorks技術的優勢，本文設計了一個基于LonWorks技術的集中式空調系統。 2 LonWOFks技術簡介 LonWorks是由Echelon公司推出的一種全面的現場總線測控網絡，又稱作局部操作網(LocalOperating Network—LON)。LonWorks技術具有完整的開發控制網絡系統的平臺，包括設計、配置安裝和維護控制網絡所需的所有硬件和軟件。LonWorks網絡的基本單元是節點，一個網絡節點包括神經元芯片(Neuron Chip)、電源、收發器和用于連接監控設備接口的I／O電路。 Lonworks采用了ISO／OSI模型的全部7層通信協議，采用面向對象的設計方法，通過網絡變量將網絡通信設計簡化為參數設置，從而易于實現網絡的互操作性；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，并開發出相應的本質安全產品。 3 集中式空調系統概述 集中式空調系統(又稱集中式水空調系統)包括空氣系統、水系統、集中供熱／制冷設備機房以及控制系統。 空氣系統(又稱為空氣處理系統)包括空氣處理機組、送排風管、風機驅動箱、空氣集散流裝置和排氣系統，用于調節、輸送、分配處理后的空氣、再循環空氣、室外新鮮空氣和排放空氣，按室內要求控制室內環境；水系統包括冷凍水系統和熱水系統、冷卻水泵和熱水泵、冷卻水系統和冷卻水泵，用于將冷凍水和熱水從機房送到空氣處理機組和風機驅動箱，從冷卻水塔、水井或其它水源輸送冷卻水到中央設備機房。中央設備機房包括熱源設備和冷源設備，用于降低冷凍水溫度，不加熱成熱水或蒸氣；控制系統包括電子傳感器、微處理器等，用于控制相關設備。 4 基于LonWorks的集中式空調系統 4.1 系統總體架構 本系統設計針對某機關大院的集中式空調系統，有1 000個待控制點，考慮到今后的擴展及升級，采用兩層結構，分別為管理層和現場控制層。其系統總體架構如圖1所示。 管理層總線采用基于LonWorks的TCP／IP協議層完成整個系統的監控，這是由計算機實現的。其中路由器連接不同信道之間的LonWorks信息，實現網絡通信量控制，劃分不同網段、增大網絡容量的目的。管理層主要功能是設置系統參數、檢測集中空調系統控制節點的狀態、動態顯示電子地圖數據、打印報警報表及狀態分析、采集和記錄實時數據等。 現場層主要由智能節點和現場設備組成，是整個系統的基礎。智能節點通過LonWorks總線與現場空調機、水泵、冷熱源設備等相連。接收現場采集的數字信號和模擬信號，根據寫入的程序和管理層設定的參數控制現場設備，并將所有信號反饋至管理層。 4.2 硬件設計 集中式空調系統智能節點的硬件結構圖如圖2所示。 4.2.1 CPU 智能節點的CPU采用Neuron TMPN3150神經元芯片。Neuron芯片提供了完整的系統資源，內部集成有3個CPU，第一個用于實現開放互連模型中第1和第2層的功能，稱為媒體訪問控制處理器，實現介質訪問控制與處理；第二個用于完成第3～6層的功能。稱為網絡處理器，用于網絡變量的尋址、處理、背景診斷、路徑選擇、軟件計時、網絡管理，并負責網絡通信控制、收發數據包等；第三個是應用處理器。執行操作系統服務與用戶代碼。Neuron芯片提供11個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)。本系統設計中將I／O0～I／O2設置為輸出，分別驅動風機、水泵、水閥的繼電器或執行器，將I／O3～I／O11設置為輸入，分別采集現場設備狀態、報警等數據。 4.2.2 程序存儲器 Neuron TMPN3150神經元芯片無內部ROM，但具有外部存儲器的接口，尋址空間可達64 KB。本系統采用帶可編程邏輯的PSD9xx存儲器，可擴展收發器以及相應外圍電路，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網絡節點，PSD9xx系列存儲器還增加了神經元芯片的。I／O能力和存儲量，可將神經元芯片的I／O端口數從11個擴展到21個。TMPN3150以地址／數據非復用的8位數據總線方式工作。 4.2.3 收發器 采用信號線供電收發器FTT-10A，它是一種自由拓撲雙絞線收發器，通信速率為78 kb／s，并帶有變壓器隔離耦合。收發器在神經元芯片和LonWorks網絡間提供了物理通信接口。 4.2.4 其他電路 晶體振蕩器電路：為神經元芯片提供工作時鐘。 復位電路：用于智能節點通電時的復位。 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點安裝到網絡而設置的。Service指示燈主要是在診斷神經元芯片固件狀態時用于指示信息。 4.3 軟件設計 4.3.1 軟件設計簡介 智能節點的軟件程序采用Neuron C語言編寫。它在標準C的基礎上進行了自然擴展，直接支持Neuron芯片的固化軟件。其內部包括一個多任務調度程序，采用事件驅動編程結構，所以整個節點的軟件功能由若干個事件驅動完成。其中包括：復位事件，主要完成系統的一些變量的初始化；定時器溢出事件，完成50 ms的定時循環采集I／O事件，包括接收報警、采集溫度、流量等信息；網絡變量更新事件，獲取其他節點的信息及服務器修改的網絡變量。 4.3.2 PID控制算法及程序設計 本系統包括對冷熱源設備、空調機、風機盤管、水泵、加壓風機等的控制，涉及到的控制方法主要是PID控制，這里舉例說明系統運用最多的水閥PID調節的運算方法及程序的實現。 在工業控制系統中，常采用模擬PID控制系統，其控制規律如下： 其中，KP為比例增益，TI為積分時間常數，TD為微分時間常數，u(t)為控制量，e(t)為偏差。為便于實現程序控制和編程，采用數字增量式PID控制系統。如圖3所示。 將(1)式換成差分方程并作適當近似： T為采樣時間。考慮到水閥通過調節冷熱水流量控制風機送風溫度，設定溫度一般不變，為一階恒值控制系統。參照工程實踐，取KP=4，KI=KP(T／TI)=0.02KP，KD=0。采樣時間T可以在編程序時自行修改，這里取1 s，e(k)為溫度差，單位為℃。數字PID增量型控制算法流程如圖4所示。 5 結束語 集中式空調系統采用LonWorks技術進行通信和控制，達到預期控制要求。采用Lonworks技術開發的集中式空調系統可靠性高、易維護、具有較高的性能價格比，同時可方便地對系統功能進行擴展升級，滿足工程實際需要。 |
