利用NCU对工业空调通讯系统进行三级网络改进

山东中烟工业有限责任公司青州卷烟厂 田立鹏 王顺昌 郭志伟

本文介绍了一种全新的工业空调数据处理分析网络架构，针对工业空调复杂性、不确定性、大滞后性、非线性和多工况等特性，对分散区域空调设备的控制和通讯方式进行改进。利用NCU中央网络处理器，通过niagaraworkbench平台，有效提升各生产区域空调数据的分析处理和空调控制能力。第一级为现场末端控制器或温湿度测点与直接数字控制器DDC建立链接，采用MODBUS RTU现场通讯技术；第二级为直接数字控制器DDC与中心网络控制器NCU实现链接，利用MODBUS TCP/IP协议通讯，建立计算机网络子系统，采用以太网、客户机、服务器结构模式，实现中心网络控制器处理和传输数据；第三级为一体化集成平台，中心网络控制器NCU与上位机或PC用BACnet/IP协议进行数据交互，组建三级网络。区别于以往的光电转换集中处理模式，减少中央操作站的运行负担和数据丢失率，有效提升区域温湿度控制精准度和监测灵敏度。

1 现场温湿度传感器，水阀、风阀等执行器与DDC直接数字控制器的链接

针对现已布局的光纤和光端机设备，重新设置现场DDC控制器，每个DDC控制器链接24个点位，与空调机组或区域温湿度进行通讯，实现接收处理各模拟量和boolean型变量（0/1），和控制空调机组的各项设备启停与执行。重新设定各区域温湿度区域和空调机组各项参数的名称。如图1所示。

图1 空调执行器参数及控制区域名称

2 设置现场直接数字控制器DDC地址

进行niagaraworkbench操作平台与NCU网络控制器之间的地址设置连接。设置各区域DDC的IP地址及通断状态，如图2所示。

图2 各区域直接数字控制器DDC的IP地址

设置每个区域测点及空调机组执行机构的名称及对应地址，如图3所示。

图3 空调执行机构点位名称及类型

3 通讯网络设计

实现NCU网络控制器与现场DDC直接数字控制器和上位机PC之间的通讯。利用现有网络控制器WEB-600e自带的BACnet/IP协议，通过Niagaraworkbench平台上的通讯控件，实现与上位机PC之间的数据传输。与现场DDC控制器则采用交换机利用MODBUS TCP/IP协议，进行通讯。网络控制器NCU和工业交换机之间，进行以太网和RS485通讯协议之间的转换，保存接收和要发送的数据、对现场接收的温湿度及执行机构的状态数据进行处理。且能编写逻辑控制程序，与上位机之间进行通讯，实现数据收发速度快，请求响应处理能力高的要求。如图4所示。

图4 空调网络架构图

4 绘制温湿度自控流程图

充分考虑区域温湿度与各影响量之间的关系和逻辑，用CAD绘制影响区域温度及湿度的水汽调节阀和风阀的自控流程图，如图5、图6所示。

图5 水汽阀门控制流程框图

图6 各风阀控制和风机频率控制框图

5 编写控制算法程序

通过niagaraworkbench平台编写温湿度控制程序，根据PID算法计算出空调自控过程中的系统误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。如图7、图8所示。

图7 空调机组温度控制程序

图8 空调机组湿度控制程序

6 PC监控画面设计

搭建系统目录及设计总站点平台（IP：192.168.1.226），设置空调机组可视化动态界面及各类接口按钮，并与之前设置的执行机构地址进行一一对应，完善程序控制功能，实现通过平台可远程控制执行机构。

平台通过NCU集成了各空调机组及温湿度区域所对应的现场DDC，实现PC端通过软件收发数据，控制各空调机组。如图9所示。

图9 PC端空调操作界面

7 效果验证

卷包车间北区某时间段内温湿度变化（夏季六月份），如图10图11所示。

图10 卷包车间北区温度变化曲线

图11 卷包车间北区湿度变化曲线

总结：此项改进延用原本的光纤铺设、光端机设备，利用其传输距离远，信号稳定、可靠，远距离大容量通信系统的优点。完美的节省了布线和走线的工作，利用三级网络架构设计出更为高效的通讯系统。即使上位机离线，只需要网络控制器NCU正常运行，就可以保证空调自控系统运行，从而减少上位机负担，并使整个系统容错率提升。同时网络控制器NCU高效的处理能力，有效提升了空调机组的工艺性和稳定性，使区域温湿度控制更为精准可靠。