摘 要： 介紹了一種基于LonWorks技術(shù)的中央空調(diào)控制系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹了中央空調(diào)總線監(jiān)控系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方法。闡述了基于LonWorks技術(shù)的智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。結(jié)合人機(jī)界面闡述了工作過程。
關(guān)鍵詞： 中央空調(diào)系統(tǒng)； LonWorks； 智能節(jié)點(diǎn)； 人機(jī)界面
在智能建筑中，樓宇自動(dòng)化是智能大廈中最基本和最重要的部分?？照{(diào)控制系統(tǒng)又是樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中最重要的一個(gè)子系統(tǒng)。空調(diào)控制系統(tǒng)涉及面廣，要實(shí)現(xiàn)的任務(wù)復(fù)雜，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：系統(tǒng)能耗大，空調(diào)系統(tǒng)耗能占整個(gè)建筑物能耗的50%~70%，因此節(jié)能是關(guān)鍵；數(shù)據(jù)采集量大，系統(tǒng)需檢測整個(gè)建筑物各室各處的溫度、濕度、壓差、流量等諸多信號；監(jiān)控對象多，包括冷水系統(tǒng)、空調(diào)機(jī)組、新風(fēng)機(jī)組。因此對這樣一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測、控制和管理，以實(shí)現(xiàn)安全、高效、節(jié)能的目的，并使設(shè)備損耗降低，延長使用壽命，最有效的方法是實(shí)現(xiàn)空調(diào)控制系統(tǒng)本身的集成，以及控制系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的集成，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)一體化的集成管理體系。
1 系統(tǒng)總體構(gòu)成
為實(shí)現(xiàn)對于中央空調(diào)這樣一個(gè)大系統(tǒng)的監(jiān)控，提高系統(tǒng)的可集成性，最大限度隔離和降低故障率,基于LonWorks技術(shù)的開放性和全分布的特點(diǎn)，并且考慮到以后與其他子系統(tǒng)的集成，決定采用LonWorks總線技術(shù)作為本系統(tǒng)的技術(shù)平臺。
1.1 LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)[1-2]
LonWorks是美國Echlon公司于20世紀(jì)90年代初推出的一種現(xiàn)場總線技術(shù)。它是用于開發(fā)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個(gè)完整的技術(shù)平臺，并具有現(xiàn)場總線技術(shù)的一切特點(diǎn)。LonWorks網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由智能節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)智能節(jié)點(diǎn)可具有多種形式的I/O功能，節(jié)點(diǎn)之間可通過不同的傳輸媒體進(jìn)行通信。LonWorks是一種具有強(qiáng)勁實(shí)力的全新的現(xiàn)場總線技術(shù)，它提供了一個(gè)開放性強(qiáng)的局部操作網(wǎng)絡(luò)，其顯著的特征在于：功能強(qiáng)大的神經(jīng)元芯片、系統(tǒng)互操作性和LonTalk通信協(xié)議。
LonWorks控制網(wǎng)結(jié)構(gòu)包括5個(gè)部分：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(LonWorks)、網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和管理軟件。其中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括智能測控單元、路由器和網(wǎng)關(guān)等；執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括傳感器、變送器等；管理軟件包括LonTalk開放式協(xié)議，并為設(shè)備之間交換控制狀態(tài)信息建立了一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)。在LonTalk協(xié)議的協(xié)調(diào)下，以往那些孤立的設(shè)備融為一體，形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。LonTalk是面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議，支持OSI七層協(xié)議，設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳送通過網(wǎng)絡(luò)變量的互聯(lián)實(shí)現(xiàn)。神經(jīng)元芯片(Neuron Chip)是除LonTalk協(xié)議之外的LonWorks技術(shù)核心產(chǎn)品。它不僅是Lon總線的通信處理器，同時(shí)也可以作為采集和控制的通用處理器，LonWorks技術(shù)中關(guān)于網(wǎng)絡(luò)的操作實(shí)際上都是通過它來完成的。
1.2 基于LonWorks技術(shù)的中央空調(diào)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)的應(yīng)用是校行政辦公大樓,建筑面積為20 000 m2,地下一層，地上八層。整棟大樓的總監(jiān)控點(diǎn)為404個(gè)，其中模擬量控制點(diǎn)為：155個(gè)AI(模擬量輸入)，65個(gè)AO(模擬量輸出)。數(shù)字量控制點(diǎn)為：104個(gè)DI(數(shù)字量輸入)，80個(gè)DO(數(shù)字量輸出)。
整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由兩層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成:LonWorks總線構(gòu)成的面向現(xiàn)場測控對象的底層控制網(wǎng)絡(luò)，控制網(wǎng)絡(luò)處理實(shí)時(shí)的、現(xiàn)場的信息，具有協(xié)議簡單、容錯(cuò)性強(qiáng)、安全可靠、成本低廉等特征;Internet構(gòu)成面向管理人員的信息網(wǎng)絡(luò)，通過信息網(wǎng)絡(luò)人們可以獲取信息、管理信息、處理信息。一般處于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上層，處理大量的、變化的、多樣的信息，具有高速、綜合的特征，并且通過Internet能容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具體如圖1所示，從圖可以看出VCN-MF作為監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和處理。通過iLON600路由器，將信息傳到內(nèi)部網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的網(wǎng)絡(luò)化處理。
2 系統(tǒng)中的iLON600路由器
在本系統(tǒng)中，采用iLON600 LonWorks/IP服務(wù)器[3]作為LonWorks IP路由器。iLON600 LonWorks/IP服務(wù)器是遵從EIA 852協(xié)議的LonTalk到IP的路由器，它能夠?yàn)槿粘ＴO(shè)備的存取訪問提供一個(gè)可靠的、安全的Internet通道。它所提供的空前大的數(shù)據(jù)包吞吐量、強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)以及簡單的啟動(dòng)能力，使其非常適合于樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用。iLON600路由器將Internet或者任何基于10/100 Base-T的LAN或者WAN作為本地或者遠(yuǎn)程傳遞LonWorks控制信息的通道。它使用MD5認(rèn)證確保存取訪問的安全性，內(nèi)部采用一個(gè)32位RISC處理器和Echelon公司的LonWorks/IP體系結(jié)構(gòu)，從而為高速控制、顯示、監(jiān)視應(yīng)用程序提供最佳的性能。在本系統(tǒng)中iLON600路由器的外圍電路如圖2所示。圖2中NETAB-2連接iLON600的FTT-10信道端子。
3 系統(tǒng)中的智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)中的VCN-MF8006(含8AI+6DO)+M0440(4AO+ADI)+M0080(8DI)+M000A(10DO)是為自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的多功能多I/O智能節(jié)點(diǎn)[4]，主模塊是基于LonWorks技術(shù)的通用核心模塊，是以神經(jīng)元3150為核心;收發(fā)器為FTT-10A;I/O模塊處理器AT2051具有自檢復(fù)位的功能。除核心模塊外，還可插3個(gè)擴(kuò)展I/O模塊。VCN-MF智能節(jié)點(diǎn)按其所提供的功能要求和I/O組合,選擇常用軟件功能模塊,可完成數(shù)據(jù)采集、定時(shí)、邏輯運(yùn)算、PID調(diào)節(jié)、簡單模糊控制，可供直接使用。
在節(jié)點(diǎn)軟件中，LonTalk協(xié)議、操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)庫以及I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序由Echelon開發(fā)環(huán)境提供，只有控制算法(稱為應(yīng)用程序)由節(jié)點(diǎn)設(shè)備的開發(fā)商用Neuron C語言[5]編制。底層智能節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)是為節(jié)點(diǎn)編程，并寫入節(jié)點(diǎn)上的Flash存儲器中。按功能智能節(jié)點(diǎn)可分為模擬量輸入、模擬量輸出、數(shù)字量輸入和數(shù)字量輸出等。采用NodeBuilder進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，它安裝在PC機(jī)上，提供一個(gè)開放式的開發(fā)環(huán)境，用于開發(fā)不同類型的LonWorks節(jié)點(diǎn)。在本系統(tǒng)中， LonWorks智能節(jié)點(diǎn)具體軟件流程如圖3所示。
4 人機(jī)界面
LonWorks技術(shù)提供的LNS DDE Server[6]不需編程就可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)視和控制的多賣方、開放、可互操作的網(wǎng)絡(luò)軟件包。它基于Echelon公司的LNS操作系統(tǒng)，提供了支持微軟DDE協(xié)議的統(tǒng)一應(yīng)用程序網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的存取。當(dāng)使用LonMarker工具進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置時(shí),它把這一信息備份于LNS DDE Server中，安裝完成后，LNS DDE Server中包含了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的配置圖、所有設(shè)備的名稱、設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)變量、配置屬性以及LonMark對象。LNS DDE Server使用存儲在LNS服務(wù)器中的名字、地址和時(shí)序信息來完成監(jiān)控任務(wù)。
本系統(tǒng)的人機(jī)界面由WonderWare公司的Intouch組態(tài)軟件經(jīng)二次設(shè)計(jì)完成。通過Echelon公司提供的網(wǎng)絡(luò)接口卡和LNS DDE Server動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換軟件，人機(jī)界面可以從LonWorks網(wǎng)絡(luò)上采集信息，也可以把控制命令發(fā)送給網(wǎng)路上的控制節(jié)點(diǎn)，而完成相應(yīng)的控制任務(wù)。
圖4所示為冷水系統(tǒng)界面，它主要是對冷水機(jī)組、冷卻塔、冷卻水泵、集水器、分水器及相關(guān)的閥門和水流開關(guān)等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制；自動(dòng)監(jiān)測各相關(guān)設(shè)備的工作狀態(tài)、故障情況。根據(jù)供回水壓差采用PID控制方法控制旁通閥的開度，保持供回水壓差平衡。在人機(jī)界面上實(shí)時(shí)觀察系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行情況，可強(qiáng)制控制旁通閥的開度。
點(diǎn)擊進(jìn)入新風(fēng)系統(tǒng)，可以自動(dòng)監(jiān)測新風(fēng)機(jī)組的新風(fēng)溫度、送風(fēng)溫度、新風(fēng)閥門和風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并累計(jì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間和機(jī)組的起停次數(shù)。自動(dòng)監(jiān)測并報(bào)警過濾網(wǎng)阻塞、防凍開關(guān)和風(fēng)機(jī)的故障信息。當(dāng)有報(bào)警發(fā)生時(shí)，對新風(fēng)閥門、風(fēng)機(jī)和冷/熱水閥進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。根據(jù)送風(fēng)溫度采用PID調(diào)節(jié)冷/熱水閥的開度，保持送風(fēng)溫度在一定范圍內(nèi)。
空調(diào)機(jī)組自動(dòng)監(jiān)測新風(fēng)溫度、新風(fēng)濕度、回風(fēng)溫度、回風(fēng)濕度、新/回風(fēng)閥門開度和風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并累計(jì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間和機(jī)組的起停次數(shù)。當(dāng)有報(bào)警發(fā)生時(shí)，對新/回風(fēng)閥門、風(fēng)機(jī)和冷/熱水閥進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。根據(jù)新風(fēng)焓值和回風(fēng)值采用PID調(diào)節(jié)冷熱水閥門的開度，并保持回風(fēng)溫度在一定范圍內(nèi)。
在人機(jī)界面上實(shí)時(shí)觀察系統(tǒng)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，所有被測量的模擬量數(shù)據(jù)和開關(guān)量的狀態(tài)都能在相應(yīng)的畫面上生動(dòng)形象地表現(xiàn)出來?？梢詮?qiáng)制一些設(shè)備的起停；可以調(diào)整和修改設(shè)定值；可以修改模擬量的報(bào)警限值等。
系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)充分體現(xiàn)了LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，即全分布的、對等的、開放性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)控制箱放置在對象的附近，這樣減少了布線工作量，節(jié)省了人力，降低了成本，提高了工作效率，且便于調(diào)試和維護(hù)。網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)設(shè)備出現(xiàn)了故障，不會影響網(wǎng)內(nèi)其他設(shè)備的正常工作，從而把故障點(diǎn)隔離到最小的程度。在系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)過程中，除了對樓宇內(nèi)各機(jī)電設(shè)備實(shí)現(xiàn)基本功能的控制以外，還重點(diǎn)考慮了系統(tǒng)節(jié)能，以便為用戶日后帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。采用LonWorks技術(shù)作為系統(tǒng)的技術(shù)平臺，在選擇產(chǎn)品時(shí)可以有更多的選擇余地，這樣有效地控制了系統(tǒng)成本。經(jīng)過一年時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行，該系統(tǒng)在各個(gè)方面都是令人滿意的。
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