基于LonWorks技术的集中式空调系统 - 消费电子 - 电子工程师

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1 引言

随着科技进步和社会发展，空调技术日新月异，各机关单位、大厦、酒店等大型建筑物纷纷采用技术先进、节能环保的集中式空调系统，然而由于国外集中式空调系统控制技术先进成熟，占据市场垄断地位。在LonWorks技术广泛应用的今天，应抓住难得的契机，利用其良好的兼容性和扩展性开发出基于LonWorks技术的集中式空调系统，打破国外垄断局面。

考虑到LonWorks技术的优势，本文设计了一个基于LonWorks技术的集中式空调系统。

2 LonWOFks技术简介

LonWorks是由Echelon公司推出的一种全面的现场总线测控网络，又称作局部操作网(LocalOperating Network—LON)。LonWorks技术具有完整的开发控制网络系统的平台，包括设计、配置安装和维护控制网络所需的所有硬件和软件。LonWorks网络的基本单元是节点，一个网络节点包括神经元芯片(Neuron Chip)、电源、收发器和用于连接监控设备接口的I／O电路。

Lonworks采用了ISO／OSI模型的全部7层通信协议，采用面向对象的设计方法，通过网络变量将网络通信设计简化为参数设置，从而易于实现网络的互操作性；其通信速率从300 b／s至1.5 Mb／s不等，通信距离高达2700 m；支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质，并开发出相应的本质安全产品。

3 集中式空调系统概述

集中式空调系统(又称集中式水空调系统)包括空气系统、水系统、集中供热／制冷设备机房以及控制系统。

空气系统(又称为空气处理系统)包括空气处理机组、送排风管、风机驱动箱、空气集散流装置和排气系统，用于调节、输送、分配处理后的空气、再循环空气、室外新鲜空气和排放空气，按室内要求控制室内环境；水系统包括冷冻水系统和热水系统、冷却水泵和热水泵、冷却水系统和冷却水泵，用于将冷冻水和热水从机房送到空气处理机组和风机驱动箱，从冷却水塔、水井或其它水源输送冷却水到中央设备机房。中央设备机房包括热源设备和冷源设备，用于降低冷冻水温度，不加热成热水或蒸气；控制系统包括电子传感器、微处理器等，用于控制相关设备。

4 基于LonWorks的集中式空调系统

4.1 系统总体架构

本系统设计针对某机关大院的集中式空调系统，有1 000个待控制点，考虑到今后的扩展及升级，采用两层结构，分别为管理层和现场控制层。其系统总体架构如图1所示。


管理层总线采用基于LonWorks的TCP／IP协议层完成整个系统的监控，这是由计算机实现的。其中路由器连接不同信道之间的LonWorks信息，实现网络通信量控制，划分不同网段、增大网络容量的目的。管理层主要功能是设置系统参数、检测集中空调系统控制节点的状态、动态显示电子地图数据、打印报警报表及状态分析、采集和记录实时数据等。

现场层主要由智能节点和现场设备组成，是整个系统的基础。智能节点通过LonWorks总线与现场空调机、水泵、冷热源设备等相连。接收现场采集的数字信号和模拟信号，根据写入的程序和管理层设定的参数控制现场设备，并将所有信号反馈至管理层。

4.2 硬件设计

集中式空调系统智能节点的硬件结构图如图2所示。


4.2.1 CPU

智能节点的CPU采用Neuron TMPN3150神经元芯片。Neuron芯片提供了完整的系统资源，内部集成有3个CPU，第一个用于实现开放互连模型中第1和第2层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问控制与处理；第二个用于完成第3～6层的功能。称为网络处理器，用于网络变量的寻址、处理、背景诊断、路径选择、软件计时、网络管理，并负责网络通信控制、收发数据包等；第三个是应用处理器。执行操作系统服务与用户代码。Neuron芯片提供11个I／O引脚，通过不同的配置，可最多可提供34种I／O对象(即输入输出方式)。本系统设计中将I／O0～I／O2设置为输出，分别驱动风机、水泵、水阀的继电器或执行器，将I／O3～I／O11设置为输入，分别采集现场设备状态、报警等数据。

4.2.2 程序存储器

Neuron TMPN3150神经元芯片无内部ROM，但具有外部存储器的接口，寻址空间可达64 KB。本系统采用带可编程逻辑的PSD9xx存储器，可扩展收发器以及相应外围电路，从而形成了具有模入、模出、开入、开出、脉冲、RS-232等多种模块化接口的多功能LonWorks网络节点，PSD9xx系列存储器还增加了神经元芯片的。I／O能力和存储量，可将神经元芯片的I／O端口数从11个扩展到21个。TMPN3150以地址／数据非复用的8位数据总线方式工作。

4.2.3 收发器

采用信号线供电收发器FTT-10A，它是一种自由拓扑双绞线收发器，通信速率为78 kb／s，并带有变压器隔离耦合。收发器在神经元芯片和LonWorks网络间提供了物理通信接口。

4.2.4 其他电路

晶体振荡器电路：为神经元芯片提供工作时钟。
复位电路：用于智能节点通电时的复位。
Service电路：包括Service按钮和Service指示灯。其中Service按钮是专为将智能节点安装到网络而设置的。Service指示灯主要是在诊断神经元芯片固件状态时用于指示信息。

4.3 软件设计

4.3.1 软件设计简介

智能节点的软件程序采用Neuron C语言编写。它在标准C的基础上进行了自然扩展，直接支持Neuron芯片的固化软件。其内部包括一个多任务调度程序，采用事件驱动编程结构，所以整个节点的软件功能由若干个事件驱动完成。其中包括：复位事件，主要完成系统的一些变量的初始化；定时器溢出事件，完成50 ms的定时循环采集I／O事件，包括接收报警、采集温度、流量等信息；网络变量更新事件，获取其他节点的信息及服务器修改的网络变量。

4.3.2 PID控制算法及程序设计

本系统包括对冷热源设备、空调机、风机盘管、水泵、加压风机等的控制，涉及到的控制方法主要是PID控制，这里举例说明系统运用最多的水阀PID调节的运算方法及程序的实现。

在工业控制系统中，常采用模拟PID控制系统，其控制规律如下：


其中，KP为比例增益，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数，u(t)为控制量，e(t)为偏差。为便于实现程序控制和编程，采用数字增量式PID控制系统。如图3所示。


将(1)式换成差分方程并作适当近似：


T为采样时间。考虑到水阀通过调节冷热水流量控制风机送风温度，设定温度一般不变，为一阶恒值控制系统。参照工程实践，取KP=4，KI=KP(T／TI)=0.02KP，KD=0。采样时间T可以在编程序时自行修改，这里取1 s，e(k)为温度差，单位为℃。数字PID增量型控制算法流程如图4所示。


5 结束语

集中式空调系统采用LonWorks技术进行通信和控制，达到预期控制要求。采用Lonworks技术开发的集中式空调系统可靠性高、易维护、具有较高的性能价格比，同时可方便地对系统功能进行扩展升级，满足工程实际需要。