汪義旺，張波，曹豐文

（1.蘇州市職業(yè)大學(xué) 電子信息工程系，江蘇 蘇州 215104；2.蘇州市漢達(dá)工業(yè)自動(dòng)化有限公司，江蘇 蘇州 215129）

1 引言

目前，將風(fēng)機(jī)和過濾器組合在一起構(gòu)成自身能提供動(dòng)力的末端凈化設(shè)備的風(fēng)機(jī)過濾器單元（FFU），作為一種凈化設(shè)備，具有投資低、建造迅速、占用空間小、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、組合方便、對(duì)工藝的變更適應(yīng)性好、易于管理等優(yōu)點(diǎn)，在各種潔凈工程中得到廣泛應(yīng)用，特別是在電子、制藥、食品、生物工程、醫(yī)療、實(shí)驗(yàn)室等領(lǐng)域［1-3］。

對(duì)于大型凈化工程中，常采用多臺(tái)FFU組合來實(shí)現(xiàn)，這就需要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)臺(tái)FFU風(fēng)機(jī)的集中控制，而傳統(tǒng)的分散控制難以滿足生產(chǎn)需求。Lon－Works總線技術(shù)是美國(guó)Echelon公司于20世紀(jì)90年代推出的一種現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，具有很強(qiáng)的開放性、兼容性、靈活性、可靠性和可互操作性，可以依托LonWorks技術(shù)開發(fā)出各種智能控制節(jié)點(diǎn)以及各種智能傳感器、執(zhí)行器，搭建新一代智能控制網(wǎng)絡(luò)［4-5］。

針對(duì)多FFU風(fēng)機(jī)群控系統(tǒng)的工程實(shí)際需求，本文設(shè)計(jì)了一種基于LonWorks總線技術(shù)的FFU風(fēng)機(jī)群控系統(tǒng)，采用基于LonWorks總線技術(shù)群控系統(tǒng)，利用風(fēng)機(jī)供電線路進(jìn)行電力載波通信，可以減少系統(tǒng)布線并提高了系統(tǒng)靈活性、可靠性。同時(shí)組合了電力載波和TCP／IP通信技術(shù)，有效降低了成本，提高FFU群控系統(tǒng)的技術(shù)管理信息化和自動(dòng)化水平，這對(duì)FFU產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和技術(shù)的更新升級(jí)具有重要的意義。采用Lon－Works總線技術(shù)還可以促進(jìn)FFU風(fēng)機(jī)群控系統(tǒng)向智能化、控制功能分散化和控制過程自動(dòng)化方向發(fā)展，符合工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，具有良好的工程應(yīng)用前景。

2 系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

基于LonWorks總線技術(shù)的FFU風(fēng)機(jī)群控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［5］如圖1所示。系統(tǒng)由監(jiān)控主機(jī)管理層、LonWorks總線網(wǎng)絡(luò)層和現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備層組成。由PC監(jiān)控主機(jī)組成的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理層主要完成系統(tǒng)的在線遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理，通過TCP／IP局域網(wǎng)絡(luò)與iLON智能服務(wù)器相連接。LonWorks總線網(wǎng)絡(luò)層通過電力供電線路與各智能控制節(jié)點(diǎn)相連接，并與iLON智能服務(wù)器組成LonWorks總線網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備層主要由智能控制節(jié)點(diǎn)和FFU風(fēng)機(jī)構(gòu)成。

圖1 基于LonWorks的FFU風(fēng)機(jī)群控系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.1 Block diagram of FFU motor group control system based on LonWorks bus

2.2 系統(tǒng)工作原理

智能控制節(jié)點(diǎn)將采集的電機(jī)工作狀態(tài)、轉(zhuǎn)速等參數(shù)信息通過電力線路送至iLON智能服務(wù)器，智能服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換后通過TCP／IP網(wǎng)絡(luò)上傳至PC監(jiān)控主機(jī)，PC監(jiān)控主機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理與顯示，并根據(jù)操作設(shè)定將指令等參數(shù)信息通過TCP／IP網(wǎng)絡(luò)下傳至iLON智能服務(wù)器和LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)，智能控制節(jié)點(diǎn)解析指令信息并對(duì)FFU風(fēng)機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的控制操作。

3 FFU風(fēng)機(jī)控制策略與智能控制節(jié)點(diǎn)開發(fā)

3.1 風(fēng)機(jī)控制策略［6］

本文設(shè)計(jì)的FFU風(fēng)機(jī)采用單相交流感應(yīng)電機(jī)（SPIM），而SPIM的控制是一種非線性時(shí)變的復(fù)雜系統(tǒng)，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型及存在一些不確定的擾動(dòng)因素，采用傳統(tǒng)的開環(huán)控制或經(jīng)典控制理論難以取得較好的控制效果。模糊控制是一種人工智能控制方法，不依賴對(duì)被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，比較適合這類非線性系統(tǒng)的控制。因此，在本系統(tǒng)中采用基于模糊控制的智能控制策略來實(shí)現(xiàn)對(duì)FFU風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速控制，其控制原理框圖如圖2所示。

圖2 變頻調(diào)速模糊控制原理圖Fig.2 The schematic of variable frequency speed regulation fuzzy control

轉(zhuǎn)速設(shè)定值和實(shí)際反饋轉(zhuǎn)速的差值和差值變化率作為模糊控制器的輸入，模糊控制的輸出控制橋式逆變器SPWM控制信號(hào)的周期和占空比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)單相交流FFU風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速控制。

3.2 智能控制節(jié)點(diǎn)的開發(fā)

3.2.1 硬件設(shè)計(jì)

智能控制節(jié)點(diǎn)主要完成電力載波通信組網(wǎng)和FFU風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制。節(jié)點(diǎn)采用美國(guó)Echelon公司的專用電力載波神經(jīng)元芯片PL3120［7］為核心，芯片內(nèi)部集成有3個(gè)處理器單元和1個(gè)電力線收發(fā)器，并內(nèi)置通信控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，采用BPSK調(diào)制方式傳輸信號(hào)，且具有雙載波頻率，極大增強(qiáng)了系統(tǒng)抗干擾能力［8］。

智能控制節(jié)點(diǎn)硬件原理結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，主要由主電路和控制電路兩部分組成。主電路主要由EMI電路、整流電路、濾波電路和逆變電路組成。通過控制將穩(wěn)定的交流電輸入轉(zhuǎn)變成頻率和幅值可調(diào)的可變頻變壓交流輸出，給FFU風(fēng)機(jī)負(fù)載供電，從而控制FFU風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速控制?？刂齐娐分饕蒔L3120電力線智能收發(fā)器、采樣轉(zhuǎn)換電路、通信耦合電路、控制電源和其他外圍電路組成，通過對(duì)主控制芯片PL3120的編程操作，完成FFU風(fēng)機(jī)的智能調(diào)速控制和LonWorks組網(wǎng)管理。

圖3 智能控制節(jié)點(diǎn)硬件原理結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Hardware schematic diagram of the intelligent control node

3.2.2 控制軟件設(shè)計(jì)

智能控制節(jié)點(diǎn)軟件采用Nueron C［9］語言來開發(fā)，Nueron C是基于ANSI C并針對(duì)LonWorks的分布式控制應(yīng)用經(jīng)優(yōu)化、加強(qiáng)而成的一種編程設(shè)計(jì)語言。是編寫Nueron芯片應(yīng)用程序的重要編程語言，它擴(kuò)充了對(duì)I／O對(duì)象的操作以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)方面的庫(kù)函數(shù)，在結(jié)構(gòu)上取消了main（）函數(shù)，使用面向事件驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)［4 5］。智能控制節(jié)點(diǎn)的控制程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示，軟件主要實(shí)現(xiàn)LonWorks網(wǎng)絡(luò)通信和FFU風(fēng)機(jī)智能控制的兩種功能。

圖4 智能控制節(jié)點(diǎn)控制程序流程圖Fig.4 The program flow chart of intelligent control node

4 系統(tǒng)集成及實(shí)現(xiàn)

群控系統(tǒng)采用iLon智能服務(wù)器［10］將各控制節(jié)點(diǎn)單元集中調(diào)度管理后，通過TCP／IP網(wǎng)絡(luò)與PC監(jiān)控主機(jī)連接，組成完整的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)?；赩isual-Studio開發(fā)環(huán)境對(duì)PC監(jiān)控軟件進(jìn)行了開發(fā)，監(jiān)控軟件可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程FFU風(fēng)機(jī)狀態(tài)在線檢測(cè)控制、系統(tǒng)管理、消防設(shè)置和運(yùn)行信息等功能，總體結(jié)構(gòu)包括用戶管理、系統(tǒng)運(yùn)行和開停機(jī)調(diào)速控制、系統(tǒng)管理和設(shè)置、運(yùn)行信息等，監(jiān)控軟件系統(tǒng)的總體功能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The diagram of monitoring and control system

5 測(cè)試結(jié)果及工程應(yīng)用

對(duì)所設(shè)計(jì)的FFU風(fēng)機(jī)群控系統(tǒng)在FFU風(fēng)機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)1 000臺(tái)。對(duì)FFU風(fēng)機(jī)的速度控制進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣記錄，對(duì)比數(shù)據(jù)圖如圖6所示。

圖6 風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)速度響應(yīng)與設(shè)定轉(zhuǎn)速對(duì)比Fig.6 Comparison between FFU motor measured response output and set－speed

由測(cè)試結(jié)果可以看出，F(xiàn)FU風(fēng)機(jī)能快速準(zhǔn)確地響應(yīng)設(shè)定的轉(zhuǎn)速值，控制精確，響應(yīng)速度快。同時(shí)通過大量的實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)監(jiān)控性能良好、通信可靠，各臺(tái)FFU風(fēng)機(jī)均能按照設(shè)定的參數(shù)運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

將開發(fā)的系統(tǒng)應(yīng)用于某電子工廠的大型凈化工程項(xiàng)目，從長(zhǎng)期運(yùn)行工作效果看，該群控系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，系統(tǒng)維護(hù)成本低，很好地解決了傳統(tǒng)控制方案存在的自動(dòng)化水平低、布線難、運(yùn)行成本高等難題，受到了市場(chǎng)的好評(píng)，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

6 結(jié)論

針對(duì)多FFU風(fēng)機(jī)群控技術(shù)的需求，提出了一種基于LonWorks總線技術(shù)的FFU風(fēng)機(jī)群控系統(tǒng)，系統(tǒng)采用電力供電線路作為通信介質(zhì)，并采用智能控制算法和PL3120電力線載波控制、iLon智能服務(wù)器技術(shù)，將TCP／IP網(wǎng)絡(luò)與LonWorks總線技術(shù)相結(jié)合，成功地開發(fā)出了新型的FFU風(fēng)機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)，為多FFU風(fēng)機(jī)智能化網(wǎng)絡(luò)化控制，提供了一種新型的技術(shù)解決方案，具有較高的理論和實(shí)際價(jià)值。

［1］覃建軍.淺析FFU在電子潔凈室的應(yīng)用［J］.印制電路信息，2009（6）：61－64.

［2］張利群.FFU 的應(yīng)用［J］.潔凈與空調(diào)技術(shù)，2003，39（3）：46－48.

［3］嚴(yán)勤豐，陳中權(quán).關(guān)于交流5速群控FFU控制系統(tǒng)探討［J］.潔凈與空調(diào)技術(shù)，2008，9（3）：86－90.

［4］盧淋薌，彭杰.基于LonWorks的智能照明調(diào)光系統(tǒng)［J］.低壓電器，2009（14）：26－28.

［5］許春香，孫建延，隋昆.LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線在油罐測(cè)量與管理系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2009（12）：55－57.

［6］汪義旺.單相交流FFU智能控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微電機(jī)，2011，44（1）：93－95.

［7］Echelon Corporation.PL3120／PL3150Power Line Smart Transceiver Data Book［Z］.2008.

［8］呂豪杰，吳建德，楊國(guó)仁，等.基于LonWorks控制網(wǎng)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2010，21（2）：49－53.

［9］Echelon Corporation.Neuron C Programmer′s Guide［Z］.2003.

［10］劉永生.基于Echelon公司電力載波通信技術(shù)的路燈單燈控制解決方案［J］.儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量，2010（2）：38－40.