李明海， 趙明強(qiáng)， 魯 娟， 楊子毛， 劉 敏

（1.西安建筑科技大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，陜西西安 710055；2.西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，陜西西安 710055）

基于LonW orkS總線技術(shù)的中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李明海1， 趙明強(qiáng)1， 魯 娟2， 楊子毛1， 劉 敏1

（1.西安建筑科技大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，陜西西安 710055；2.西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，陜西西安 710055）

針對空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)中經(jīng)常遇到的不穩(wěn)定、不兼容、互操作性不強(qiáng)等問題，以實(shí)驗(yàn)室中央空調(diào)系統(tǒng)為平臺，結(jié)合LonW orkS現(xiàn)場總線技術(shù)，將中央空調(diào)冷熱源系統(tǒng)、新風(fēng)機(jī)組、空調(diào)機(jī)組等集成在一個相對穩(wěn)定的現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)平臺上，并利用LonMaker集成工具、LNS DDE Server和組態(tài)王軟件6.52設(shè)計(jì)了一套中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)動態(tài)的溫/濕度調(diào)節(jié)和設(shè)備遠(yuǎn)程控制。

LonW orkS總線；現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)；中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)；智能節(jié)點(diǎn)

0 引 言

在國家大力倡導(dǎo)綠色建筑、智能建筑的大環(huán)境下,空調(diào)系統(tǒng)作為建筑耗能的大戶,對其進(jìn)行節(jié)能監(jiān)控并據(jù)此作出分析決策具有重要意義。同時,工業(yè)以太網(wǎng)、CAN總線、BACnet總線、LonWorks總線等現(xiàn)場總線技術(shù)的廣泛應(yīng)用,給智能建筑的發(fā)展提供了廣闊的發(fā)展空間。LonWorks是目前現(xiàn)場總線中技術(shù)最完整、應(yīng)用領(lǐng)域最廣泛的一種技術(shù)。空調(diào)系統(tǒng)耗能占建筑總能耗的40%左右,通過樓宇自控系統(tǒng)對其進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控,符合國家關(guān)于建筑節(jié)能的長遠(yuǎn)規(guī)劃。

1 LonW orkS總線技術(shù)在中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

1.1 LonW orkS總線技術(shù)的組網(wǎng)優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)體系相比,利用LonWorks總線技術(shù)組建底層控制網(wǎng)絡(luò)具有完全開放性、互操作性、分布式無主站控制、成本低等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)控制體系多為集中式控制,傳感器和執(zhí)行器接線到輔助面板,后者又通過專用的主從通信總線連接到控制面板,執(zhí)行器和傳感器之間是典型的“啞”終端,內(nèi)部節(jié)點(diǎn)間沒有智能通信能力,這是傳統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)體系最大的不足?？刂凭W(wǎng)絡(luò)體系對比圖如圖1所示。

圖1 控制網(wǎng)絡(luò)體系對比圖

1.2 中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可分為三個部分：

(1)I/O設(shè)備層,主要包括各種智能終端節(jié)點(diǎn),如智能閥門、溫/濕度控制器、開關(guān)量控制器等,作為執(zhí)行器使用,可執(zhí)行上層網(wǎng)絡(luò)下達(dá)的各項(xiàng)指令。

(2)控制層,主要包括3個LonWorks節(jié)點(diǎn)控制器,負(fù)責(zé)對智能終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集、模式轉(zhuǎn)換和上傳。

(3)管理層,包括網(wǎng)絡(luò)適配器、上位PC機(jī)和各種LON網(wǎng)絡(luò)接口等,主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)監(jiān)測上位和下達(dá)控制指令。

中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3 中央空調(diào)系統(tǒng)監(jiān)控原理圖設(shè)計(jì)

中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)采用3個VCN_MF智能節(jié)點(diǎn)控制器模塊,分別對中央空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)系統(tǒng)、冷熱源系統(tǒng)和空調(diào)機(jī)組進(jìn)行監(jiān)控。VCN_MF模塊主要是為自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的多功能多I/O智能節(jié)點(diǎn),主模塊是基于LonWorks技術(shù)的通用核心模塊,除核心模塊外,還可插接3個擴(kuò)展I/O模塊。

本文以空調(diào)機(jī)組的監(jiān)控為例,說明中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控基本原理?？照{(diào)機(jī)組主要由新風(fēng)閥、回風(fēng)閥、排風(fēng)閥、過濾器、冷/熱盤管、送風(fēng)機(jī)等設(shè)備組成,其控制系統(tǒng)主要由新風(fēng)、送風(fēng)、回風(fēng)溫/濕度傳感器、壓差開關(guān)、電動調(diào)節(jié)閥、風(fēng)閥執(zhí)行器等組成?？照{(diào)機(jī)組采用VCN_MF模塊,包括VCN_MF8006(含8AI+6DO)+M0440(含4AO +ADI)+M0080(含8DI)。

空調(diào)機(jī)組的監(jiān)控原理如圖3所示。圖3中, MD1、MD2、MD3為風(fēng)門執(zhí)行器；ΔP為壓差開關(guān)；K為防凍開關(guān)；MV1為水閥；MV2為加濕器；T為溫度傳感器；H為濕度傳感器。

圖2 中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖3 空調(diào)機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)原理圖

LonWorks智能節(jié)點(diǎn)控制器I/O地址分配表如表1所示。

表1 LonW orkS智能節(jié)點(diǎn)控制器I/O地址分配表

2 LonW orkS智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

LonWorks技術(shù)是控制網(wǎng)絡(luò)層次上的技術(shù),智能節(jié)點(diǎn)占據(jù)著最重要的地位。智能節(jié)點(diǎn)的任務(wù)是獲取和傳輸數(shù)據(jù),并根據(jù)所獲取的信息來執(zhí)行相應(yīng)的控制邏輯。智能節(jié)點(diǎn)硬件整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 智能節(jié)點(diǎn)硬件整體結(jié)構(gòu)

智能節(jié)點(diǎn)的工作原理是溫/濕度控制器測得溫度和濕度后,通過運(yùn)算獲得閥門的調(diào)節(jié)輸出。該輸出通過LonWorks網(wǎng)絡(luò)送到智能閥,產(chǎn)生相應(yīng)的閥門開度。開關(guān)量控制器則用于起、停機(jī)組,監(jiān)測空調(diào)狀態(tài)及產(chǎn)生報(bào)警等。

(1)智能閥門直接連接在LonWorks網(wǎng)絡(luò)上,直接通過LonWorks總線接收閥門開度命令,該命令以網(wǎng)絡(luò)變量形式出現(xiàn)。收發(fā)器采用FTT_ 10A自由拓?fù)涫瞻l(fā)器,電源使用LM2575芯片,濾波后能夠得到比較穩(wěn)定的5 V電壓。JGX_IF型固態(tài)繼電器驅(qū)動能力大,使用壽命長。智能閥門結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 智能閥門結(jié)構(gòu)

(2)溫/濕度控制器主要由Neuron芯片、D/A轉(zhuǎn)換電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動電路和顯示電路組成。Neuron芯片選用3150CPU模塊,D/A轉(zhuǎn)換電路包括MAX7228及其相應(yīng)的外圍電路,顯示電路由MAX7219及相關(guān)的驅(qū)動放大電路組成,執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動電路包括AD694及其相關(guān)的外圍電路。溫/濕度控制器的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 溫/濕度控制器結(jié)構(gòu)

(3)開關(guān)量控制器主要用于起、停空調(diào)機(jī)組,檢測空調(diào)狀態(tài)及產(chǎn)生報(bào)警。開關(guān)量控制器硬件選擇：①選用了Neuron 3150芯片；②電源選用MAX727芯片；③繼電器使用固態(tài)繼電器JGC_3FA,體積小,驅(qū)動能力大(可直接驅(qū)動380 V交流設(shè)備),使用壽命長。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

智能節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)一般步驟：①定義網(wǎng)絡(luò)變量、I/O對象、時鐘對象等；②編寫控制子程序；③采用when語句設(shè)計(jì)完成調(diào)度程序。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括測量單元軟件和控制單元軟件。測量單元程序設(shè)計(jì)流程與控制單元程序設(shè)計(jì)流程分別如圖7、圖8所示。

圖7 測量單元程序設(shè)計(jì)流程

圖8 控制單元程序設(shè)計(jì)流程

3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括下位機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和上位機(jī)監(jiān)控平臺設(shè)計(jì)。其中,下位機(jī)采用LonMaker3.1集成工具設(shè)計(jì)底層控制網(wǎng)絡(luò)；上位機(jī)采用組態(tài)王6.52設(shè)計(jì)人機(jī)界面。

3.1 LonM aker集成工具

LonMaker集成工具包含功能強(qiáng)大的客戶服務(wù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及Microsoft Visio用戶界面,可用來設(shè)計(jì)和啟動一個分布式控制網(wǎng)絡(luò),其基本步驟為設(shè)備創(chuàng)建、功能模塊創(chuàng)建、變量創(chuàng)建和配置、參數(shù)配置。

3.2 LNSDDE Server

LNSDDE Server是LonWorks節(jié)點(diǎn)和Windows客戶應(yīng)用程序之間交換網(wǎng)絡(luò)變量、配置屬性和應(yīng)用報(bào)文等信息的工具,可用于任何支持標(biāo)準(zhǔn)Windows DDE接口的應(yīng)用程序。本文LNS DDE Server用來提供數(shù)據(jù)服務(wù),以供監(jiān)控程序訪問。

3.3 上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控

借助亞控組態(tài)王6.52軟件功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),進(jìn)行系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì),憑借Lontalk協(xié)議構(gòu)建一個高可靠、高性能、高抗干擾性的通信機(jī)制,具體步驟包括通信連接、數(shù)據(jù)庫建立、人機(jī)界面設(shè)計(jì)和編制程序等,開發(fā)了一套完整的中央空調(diào)系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控平臺。本文利用LonMaker3.1集成工具創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò),并配合組態(tài)王6.52軟件調(diào)試邏輯。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了基于LonWorks總線技術(shù)的中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng),相比較傳統(tǒng)空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng),不僅可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)的溫/濕度調(diào)節(jié),實(shí)時監(jiān)控各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),而且可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制,節(jié)約了大量的人力資源。

該系統(tǒng)對中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能研究具有一定的借鑒意義,未來將針對該系統(tǒng)采集的實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的能耗研究,并構(gòu)建相應(yīng)的能耗評價(jià)體系。

[1] 高安邦，楊帥.LonW orkS技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2] 王瑱.LonW orkS技術(shù)在變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)控制中的應(yīng)用研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2005.

[3] 張少軍.樓宇自動化與智能控制技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2011.

[4] 馬占敖.基于LonWorkS技術(shù)的智能建筑樓宇自動化系統(tǒng)的研究[J].制造業(yè)自動化，2010，32（6）：98-100.

[5] 智淑亞.基于LonW orkS技術(shù)的智能樓宇空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2013，42（4）：59-61.

[6] 馬蕊.基于LonW orkS技術(shù)的教室照明節(jié)能系統(tǒng)研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，51（S1）：81-83.

DeSign of Central Air Conditioning M onitoring SyStem BaSed on LonW orkSField BuSTechnology

LIMinghai1, ZHAO Mingqiang1, LU Juan2, YANG Zimao1, LIU Min1
(1.Information and Control Engineering Institute,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710055,China；2.Architecture Design and Research Institute, Xi′an University of Architecture and Technology,Xi'an 710055,China)

Aiming at the problems of unstabilization,incompatible and interoperability for air conditioning monitoring system,this paper designed a set of central air conditioningmonitoring and control system by combining with LonWorks fieldbus technology and using LonMaker integration tool,LNSDDE Server and kingview software 6.52.This system was based on the laboratory central air conditioning system.The cold and heat source system,fresh air units and air conditioning units of the central air conditioning system were integrated in a relatively stable field control network platform.This system realizes the temperature and humidity regulation,and the remote control of the equipments.

LonWorkSfield buS；field control netWork；centralair conditioningmonitoring SyStem；intelligent node

TU 852

B

1674-8417(2015)12-0054-04

2015- 04- 28

趙明強(qiáng)（1990-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄芙ㄖc樓宇自動化。

魯 娟（1971-），女，高級工程師，研究方向?yàn)榻ㄖ姎馀c建筑智能化。

楊子毛（1991-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄芙ㄖc樓宇自動化。

劉 敏（1990-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄芙ㄖ敖ㄖ?jié)能。