摘 要： 介紹了一種基于LonWorks技術(shù)的中央空調(diào)控制系統(tǒng),，重點介紹了中央空調(diào)總線監(jiān)控系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方法,。闡述了基于LonWorks技術(shù)的智能節(jié)點設(shè)計,。結(jié)合人機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,； 人機界面
在智能建筑中，樓宇自動化是智能大廈中最基本和最重要的部分,?？照{(diào)控制系統(tǒng)又是樓宇自動化系統(tǒng)中最重要的一個子系統(tǒng)?？照{(diào)控制系統(tǒng)涉及面廣,，要實現(xiàn)的任務(wù)復雜，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：系統(tǒng)能耗大,，空調(diào)系統(tǒng)耗能占整個建筑物能耗的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)機組,、新風機組。因此對這樣一個系統(tǒng)進行監(jiān)測,、控制和管理,，以實現(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，實現(xiàn)計算機一體化的集成管理體系,。
1 系統(tǒng)總體構(gòu)成
為實現(xiàn)對于中央空調(diào)這樣一個大系統(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，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)的一個完整的技術(shù)平臺,，并具有現(xiàn)場總線技術(shù)的一切特點,。LonWorks網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由智能節(jié)點組成，每個智能節(jié)點可具有多種形式的I/O功能,，節(jié)點之間可通過不同的傳輸媒體進行通信,。LonWorks是一種具有強勁實力的全新的現(xiàn)場總線技術(shù)，它提供了一個開放性強的局部操作網(wǎng)絡(luò),，其顯著的特征在于：功能強大的神經(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)信息建立了一個通用的標準,。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)點之間的數(shù)據(jù)傳送通過網(wǎng)絡(luò)變量的互聯(lián)實現(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)控點為404個,，其中模擬量控制點為：155個AI(模擬量輸入)，65個AO(模擬量輸出),。數(shù)字量控制點為：104個DI(數(shù)字量輸入),，80個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)處理實時的,、現(xiàn)場的信息，具有協(xié)議簡單,、容錯性強,、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能容易實現(xiàn)遠程監(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,，負責現(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,，它能夠為日常設(shè)備的存取訪問提供一個可靠的、安全的Internet通道,。它所提供的空前大的數(shù)據(jù)包吞吐量,、強大的結(jié)構(gòu)以及簡單的啟動能力，使其非常適合于樓宇自動化系統(tǒng)的應用,。iLON600路由器將Internet或者任何基于10/100 Base-T的LAN或者WAN作為本地或者遠程傳遞LonWorks控制信息的通道,。它使用MD5認證確保存取訪問的安全性，內(nèi)部采用一個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)點設(shè)計
系統(tǒng)中的VCN-MF8006(含8AI+6DO)+M0440(4AO+ADI)+M0080(8DI)+M000A(10DO)是為自動化系統(tǒng)設(shè)計的多功能多I/O智能節(jié)點[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具有自檢復位的功能,。除核心模塊外，還可插3個擴展I/O模塊,。VCN-MF智能節(jié)點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、邏輯運算,、PID調(diào)節(jié),、簡單模糊控制，可供直接使用,。
在節(jié)點軟件中,，LonTalk協(xié)議、操作系統(tǒng),、實時庫以及I/O設(shè)備驅(qū)動程序由Echelon開發(fā)環(huán)境提供,，只有控制算法(稱為應用程序)由節(jié)點設(shè)備的開發(fā)商用Neuron C語言[5]編制。底層智能節(jié)點程序設(shè)計是為節(jié)點編程,，并寫入節(jié)點上的Flash存儲器中,。按功能智能節(jié)點可分為模擬量輸入、模擬量輸出,、數(shù)字量輸入和數(shù)字量輸出等,。采用NodeBuilder進行節(jié)點設(shè)計，它安裝在PC機上,，提供一個開放式的開發(fā)環(huán)境,，用于開發(fā)不同類型的LonWorks節(jié)點。在本系統(tǒng)中,， LonWorks智能節(jié)點具體軟件流程如圖3所示,。
4 人機界面
LonWorks技術(shù)提供的LNS DDE Server[6]不需編程就可以實現(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)一應用程序網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的存取,。當使用LonMarker工具進行網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置時,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,、地址和時序信息來完成監(jiān)控任務(wù),。
本系統(tǒng)的人機界面由WonderWare公司的Intouch組態(tài)軟件經(jīng)二次設(shè)計完成。通過Echelon公司提供的網(wǎng)絡(luò)接口卡和LNS DDE Server動態(tài)數(shù)據(jù)交換軟件,，人機界面可以從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,，而完成相應的控制任務(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)備進行監(jiān)視和控制,；自動監(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。在人機界面上實時觀察系統(tǒng)各個設(shè)備的運行情況,，可強制控制旁通閥的開度,。
點擊進入新風系統(tǒng)，可以自動監(jiān)測新風機組的新風溫度,、送風溫度,、新風閥門和風機的運行狀態(tài)，并累計風機的運行時間和機組的起停次數(shù),。自動監(jiān)測并報警過濾網(wǎng)阻塞,、防凍開關(guān)和風機的故障信息。當有報警發(fā)生時,，對新風閥門,、風機和冷/熱水閥進行聯(lián)動控制。根據(jù)送風溫度采用PID調(diào)節(jié)冷/熱水閥的開度,，保持送風溫度在一定范圍內(nèi),。
空調(diào)機組自動監(jiān)測新風溫度、新風濕度,、回風溫度,、回風濕度、新/回風閥門開度和風機的運行狀態(tài),，并累計風機的運行時間和機組的起停次數(shù),。當有報警發(fā)生時，對新/回風閥門、風機和冷/熱水閥進行聯(lián)動控制,。根據(jù)新風焓值和回風值采用PID調(diào)節(jié)冷熱水閥門的開度,，并保持回風溫度在一定范圍內(nèi)。
在人機界面上實時觀察系統(tǒng)的各項運行參數(shù),，所有被測量的模擬量數(shù)據(jù)和開關(guān)量的狀態(tài)都能在相應的畫面上生動形象地表現(xiàn)出來,。可以強制一些設(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,，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,。網(wǎng)絡(luò)中一個設(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，從而把故障點隔離到最小的程度,。在系統(tǒng)功能設(shè)計過程中,，除了對樓宇內(nèi)各機電設(shè)備實現(xiàn)基本功能的控制以外，還重點考慮了系統(tǒng)節(jié)能,，以便為用戶日后帶來更大的經(jīng)濟效益,。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)過一年時間的穩(wěn)定運行，該系統(tǒng)在各個方面都是令人滿意的,。
參考文獻
[1] Echelon. Introduction to the LonWorks System[Z].USA: Echelon Corporation, 2003.
[2] 馬莉.智能控制與LON網(wǎng)絡(luò)開發(fā)技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學出版社, 2003.
[3] Echelon. i.LON600 LonWorks/IP server user’s guide[Z]. USA: Echelon Corporation, 2003.
[4] 俞洪.神經(jīng)元芯片與LonWorks節(jié)點的設(shè)計[J].電工技術(shù),2004(3):89-91.
[5] Echelon. Neuron C programmer’s guide[Z]. USA: Echelon Corporation, 2002.
[6] Echelon.LonMaker for windows release 3.1 User′s Guide[Z].USA: Echelon Corporation, 2002.
[7] 雷霖.現(xiàn)場總線控制網(wǎng)路技術(shù)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社,，2005.