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1 引言 隨著(zhù)科技進(jìn)步和社會(huì )發(fā)展，空調技術(shù)日新月異，各機關(guān)單位、大廈、酒店等大型建筑物紛紛采用技術(shù)先進(jìn)、節能環(huán)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(shù)先進(jìn)成熟，占據市場(chǎng)壟斷地位。在LonWorks技術(shù)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(kāi)發(fā)出基于LonWorks技術(shù)的集中式空調系統，打破國外壟斷局面。 考慮到LonWorks技術(shù)的優(yōu)勢，本文設計了一個(gè)基于LonWorks技術(shù)的集中式空調系統。 2 LonWOFks技術(shù)簡(jiǎn)介 LonWorks是由Echelon公司推出的一種全面的現場(chǎng)總線(xiàn)測控網(wǎng)絡(luò )，又稱(chēng)作局部操作網(wǎng)(LocalOperating Network—LON)。LonWorks技術(shù)具有完整的開(kāi)發(fā)控制網(wǎng)絡(luò )系統的平臺，包括設計、配置安裝和維護控制網(wǎng)絡(luò )所需的所有硬件和軟件。LonWorks網(wǎng)絡(luò )的基本單元是節點(diǎn)，一個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)包括神經(jīng)元芯片(Neuron Chip)、電源、收發(fā)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(xié)議，采用面向對象的設計方法，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )變量將網(wǎng)絡(luò )通信設計簡(jiǎn)化為參數設置，從而易于實(shí)現網(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2700 m；支持雙絞線(xiàn)、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線(xiàn)、電力線(xiàn)等多種通信介質(zhì)，并開(kāi)發(fā)出相應的本質(zhì)安全產(chǎn)品。 3 集中式空調系統概述 集中式空調系統(又稱(chēng)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(chēng)為空氣處理系統)包括空氣處理機組、送排風(fēng)管、風(fēng)機驅動(dòng)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(huán)空氣、室外新鮮空氣和排放空氣，按室內要求控制室內環(huán)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(fēng)機驅動(dòng)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(guān)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(guān)大院的集中式空調系統，有1 000個(gè)待控制點(diǎn)，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(chǎng)控制層。其系統總體架構如圖1所示。 管理層總線(xiàn)采用基于LonWorks的TCP／IP協(xié)議層完成整個(gè)系統的監控，這是由計算機實(shí)現的。其中路由器連接不同信道之間的LonWorks信息，實(shí)現網(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置系統參數、檢測集中空調系統控制節點(diǎn)的狀態(tài)、動(dòng)態(tài)顯示電子地圖數據、打印報警報表及狀態(tài)分析、采集和記錄實(shí)時(shí)數據等。 現場(chǎng)層主要由智能節點(diǎn)和現場(chǎng)設備組成，是整個(gè)系統的基礎。智能節點(diǎn)通過(guò)LonWorks總線(xiàn)與現場(chǎng)空調機、水泵、冷熱源設備等相連。接收現場(chǎng)采集的數字信號和模擬信號，根據寫(xiě)入的程序和管理層設定的參數控制現場(chǎng)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(diǎn)的硬件結構圖如圖2所示。 4.2.1 CPU 智能節點(diǎn)的CPU采用Neuron TMPN3150神經(jīng)元芯片。Neuron芯片提供了完整的系統資源，內部集成有3個(gè)CPU，第一個(gè)用于實(shí)現開(kāi)放互連模型中第1和第2層的功能，稱(chēng)為媒體訪(fǎng)問(wèn)控制處理器，實(shí)現介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制與處理；第二個(gè)用于完成第3～6層的功能。稱(chēng)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、軟件計時(shí)、網(wǎng)絡(luò )管理，并負責網(wǎng)絡(luò )通信控制、收發(fā)數據包等；第三個(gè)是應用處理器。執行操作系統服務(wù)與用戶(hù)代碼。Neuron芯片提供11個(gè)I／O引腳，通過(guò)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(dòng)風(fēng)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(chǎng)設備狀態(tài)、報警等數據。 4.2.2 程序存儲器 Neuron TMPN3150神經(jīng)元芯片無(wú)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(fā)器以及相應外圍電路，從而形成了具有模入、模出、開(kāi)入、開(kāi)出、脈沖、RS-232等多種模塊化接口的多功能LonWorks網(wǎng)絡(luò )節點(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端口數從11個(gè)擴展到21個(gè)。TMPN3150以地址／數據非復用的8位數據總線(xiàn)方式工作。 4.2.3 收發(fā)器 采用信號線(xiàn)供電收發(fā)器FTT-10A，它是一種自由拓撲雙絞線(xiàn)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。 復位電路：用于智能節點(diǎn)通電時(shí)的復位。 Service電路：包括Service按鈕和Service指示燈。其中Service按鈕是專(zhuān)為將智能節點(diǎn)安裝到網(wǎng)絡(luò )而設置的。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 軟件設計 4.3.1 軟件設計簡(jiǎn)介 智能節點(diǎn)的軟件程序采用Neuron C語(yǔ)言編寫(xiě)。它在標準C的基礎上進(jìn)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(gè)多任務(wù)調度程序，采用事件驅動(dòng)編程結構，所以整個(gè)節點(diǎn)的軟件功能由若干個(gè)事件驅動(dòng)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(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控制算法及程序設計 本系統包括對冷熱源設備、空調機、風(fēng)機盤(pán)管、水泵、加壓風(fēng)機等的控制，涉及到的控制方法主要是PID控制，這里舉例說(shuō)明系統運用最多的水閥PID調節的運算方法及程序的實(shí)現。 在工業(yè)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(shí)間常數，TD為微分時(shí)間常數，u(t)為控制量，e(t)為偏差。為便于實(shí)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(shí)間�？紤]到水閥通過(guò)調節冷熱水流量控制風(fēng)機送風(fēng)溫度，設定溫度一般不變，為一階恒值控制系統。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℃。數字PID增量型控制算法流程如圖4所示。 5 結束語(yǔ) 集中式空調系統采用LonWorks技術(shù)進(jìn)行通信和控制，達到預期控制要求。采用Lonworks技術(shù)開(kāi)發(fā)的集中式空調系統可靠性高、易維護、具有較高的性能價(jià)格比，同時(shí)可方便地對系統功能進(jìn)行擴展升級，滿(mǎn)足工程實(shí)際需要。 |
