基于LonWorks的中央空调自动控制系统设计

2012-09-25于江利田海虹

河北建筑工程学院学报 2012年3期

于江利田海虹史进

(1.河北建筑工程学院，河北张家口075024;2.中国寰球工程公司，河北涿州072750)

1 引言

随着经济的发展，作为智能大厦的重要组成部分:空调系统所耗费的能量要占到大楼消耗的总能量的40%以上，特别是作为中央空调系统前端设备的冷源，冷冻机组的耗电在整个中央空调系统中占有很大的比重.中央空调系统主要由新风管道、回风管道、排风管道以及相应的冷冻水阀门调节装置、风阀调节器、温(湿)度传感器、加热器和送风机等组成.本系统拟通过温度传感器检测各管道和房间的温度，对冷冻水阀门调节装置、风阀调节器、加热器等进行调节，实现对房间温度和湿度的控制.以使系统在满足人们需要的同时，利用自动控制技术，开发一套可靠、有效的空调节能系统.本系统利用Lon-Works技术开发一个空调监控网络系统的技术平台，进行通信和控制.LonWorks技术是美国Echelon公司于90年代推出的一种现场总线技术，用它来实现空调系统可靠性高、易维护、具有较高的性价比的自动控制系统.

2 系统方案设计

现场总线是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络.它以数字通信替代了传统的4－20mA模拟信号及普通开关量信号的传输.已经广泛应用于楼宇、制造业、交通、电力等方面的自动化系统中.

本文以空调系统为主要研究对象，采用Lonworks现场总线进行组网，它以Neuron芯片为核心，组成各个智能节点，并将这些智能节点连接在一条Lonworks总线上，实现上下位机之间以及智能节点之间的通信.这种一对双绞线上挂接多个控制设备的连接方式，便于节省安装费用，节省维护开销，并且提高了系统的可靠性，也为用户提供了更灵活的系统集成主动权.

上位机用LonMaker组网，用组态王进行监控，组态王和LonMaker之间用DDE进行动态数据交换.网络适配器选择PCLTA－21型号.具体结构见下图1所示.

3 硬件设计

3.1 网络适配器选择

网络适配器是网络接口设备，它是外部主机的物理接口，它的应用程序提供通信协议和API(应用程序接口)，使得基于主机的程序可以访问LON网络.PCLTA－21网络适配器是一个高性能的Lon-Works接口，它集成了双绞线收发器，并带有网络管理接口和可下载的存储器，同时还支持Win98/2000和XP的即插即用功能，它的这些特点决定它非常适合楼宇自动化、工业控制和过程控制应用等，所以该项目选用PCLTA－21网络适配器，它既能与现场智能节点进行对等双向通信，又能与PC机进行快速数据交换，实现了复杂的数据处理和高级监控功能.

3.2 智能节点的设计

节点也被称为智能设备，它是LonWorks现场总线控制网络的基本单元.Lonworks上的智能节点采用直接数字控制器DDC，该智能节点的核心是神经元(Neurons)芯片，其内部包括三个8位CPU，其中一个用作介质访问控制处理器，一个用作网络处理器，另外一个作为应用处理器，使用专用的Neuron C编程语言编程.当应用程序下载到控制节点时，智能节点可实时采集现场数据和接收上位机下发的控制命令［1］.另外还包括I/O处理单元、收发器和电源等部分.具体结构如下图2所示.

智能节点采用Motoral公司生产的型号为MC143150神经元芯片作为节点的处理器，MC143150内部具有3个八位的CPU，11个可编程的I/O口可以配制成34种功能对象，包括输入、输出和双向三大类.并且它还可以扩展外部存储器.这样就扩大了芯片的内部资源［2］.

收发器是通信电路的核心，它是智能节点与LonWorks网络之间的接口.目前，针对不同的通信介质有不同的收发器模块.例如双绞线收发器、电力线收发器、光纤收发器等.其中双绞线收发器是最通用的一种.本设计采用变压器耦合型收发器FTT－10.利用双绞线作为传输媒体［1］.

4 软件设计

4.1 上位机LonMaker软件组网

安装并打开LonMaker软件后，单击New Network新建一个网络，自定义Network Name，Datebase Name自动和Network Name相同.创建好网络，再添加节点，从图形模板中选择Device，将它拖到Visio的网络管理区，填写Device Name为DDC1、DDC2……依次填写好设备的名称.

4.2 上位机组态程序设计

为了实现上位机与智能节点的通信，上位机的监控系统中使用“组态王”设计成工艺流程图.它提供DDE通信接口，可与LonWorks网络建立连接.这样可在上位机上实时显示现场数据，并下发控制命令.

打开组态王程序，新建一个工程，自定义工程名称.在工程浏览器左侧“设备”下选DDE，下一步;给要安装的DDE设备指定连接对象名，我们输入:新IO设备，下一步;在服务程序名中写:LNSDde，话题名为在LonMaker组网时起的名字:HBJGBA.Subsystem 1.DevNV，数据交换方式选择:标准的Windows项目交换，点下一步，然后完成.

接下来在数据词典中定义变量.例如，定义温度变量名为TemH，变量类型为I/O实型，连接设备即我们刚才添加的DDE设备:新IO设备，项目名为DDC3.nvoA_AI［7］即对应的DDC3中的A端口，是一个模拟输入量.具体见下图3所示.

这样建立起连接后，服务器接口程序中的数据就会动态地传送到组态软件中，实现进行记录、显示或报警等功能.

4.3 智能节点软件设计

用Neuron C语言进行软件设计.先定义I/O对象，同时设置I/O对象的工作参数以及对I/O对象进行初始化;由于我们是空调监控系统，需要定时采集各种温度、流量等参数，所以接下来定义定时器对象，最多可以定义15个定时器对象;定义网络变量，这是节点之间交换信息的重要参数;然后定义任务，即当某事件发生时，应用程序应执行何种操作;最后编写自定义函数，完成一些经常要用到的功能，如温度采集程序、PID控制程序等.

温度采集程序的设计过程如下，当上位机发出采集数据指令后，通过网络变量传送到智能节点，然后控制现场的温度传感器采集数据，并将采集到的数据经A/D转换后传回到Neuron芯片，再经过网络变量传递，经LNSDDE动态数据连接传递给上位机监控界面，这样循环操作，直到满足条件为止［4］.数据采集软件的流程如下图4所示.