李明海， 趙明強， 魯 娟， 楊子毛， 劉 敏

（1.西安建筑科技大學信息與控制工程學院，陜西西安 710055；2.西安建筑科技大學建筑設計研究院，陜西西安 710055）

基于LonW orkS總線技術的中央空調監(jiān)控系統(tǒng)設計

李明海1， 趙明強1， 魯 娟2， 楊子毛1， 劉 敏1

（1.西安建筑科技大學信息與控制工程學院，陜西西安 710055；2.西安建筑科技大學建筑設計研究院，陜西西安 710055）

針對空調監(jiān)控系統(tǒng)中經常遇到的不穩(wěn)定、不兼容、互操作性不強等問題，以實驗室中央空調系統(tǒng)為平臺，結合LonW orkS現(xiàn)場總線技術，將中央空調冷熱源系統(tǒng)、新風機組、空調機組等集成在一個相對穩(wěn)定的現(xiàn)場控制網絡平臺上，并利用LonMaker集成工具、LNS DDE Server和組態(tài)王軟件6.52設計了一套中央空調監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)動態(tài)的溫/濕度調節(jié)和設備遠程控制。

LonW orkS總線；現(xiàn)場控制網絡；中央空調監(jiān)控系統(tǒng)；智能節(jié)點

0 引 言

在國家大力倡導綠色建筑、智能建筑的大環(huán)境下,空調系統(tǒng)作為建筑耗能的大戶,對其進行節(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、CAN總線、BACnet總線、LonWorks總線等現(xiàn)場總線技術的廣泛應用,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)場總線中技術最完整、應用領域最廣泛的一種技術。空調系統(tǒng)耗能占建筑總能耗的40%左右,通過樓宇自控系統(tǒng)對其進行實時監(jiān)控,符合國家關于建筑節(jié)能的長遠規(guī)劃。

1 LonW orkS總線技術在中央空調監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

1.1 LonW orkS總線技術的組網優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的控制網絡體系相比,利用LonWorks總線技術組建底層控制網絡具有完全開放性、互操作性、分布式無主站控制、成本低等優(yōu)點。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,內部節(jié)點間沒有智能通信能力,這是傳統(tǒng)控制網絡體系最大的不足?？刂凭W絡體系對比圖如圖1所示。

圖1 控制網絡體系對比圖

1.2 中央空調監(jiān)控系統(tǒng)網絡結構設計

中央空調監(jiān)控系統(tǒng)網絡結構設計可分為三個部分：

(1)I/O設備層,主要包括各種智能終端節(jié)點,如智能閥門、溫/濕度控制器、開關量控制器等,作為執(zhí)行器使用,可執(zhí)行上層網絡下達的各項指令。

(2)控制層,主要包括3個LonWorks節(jié)點控制器,負責對智能終端節(jié)點數(shù)據(jù)的采集、模式轉換和上傳。

(3)管理層,包括網絡適配器、上位PC機和各種LON網絡接口等,主要負責數(shù)據(jù)監(jiān)測上位和下達控制指令。

中央空調監(jiān)控系統(tǒng)網絡結構如圖2所示。

1.3 中央空調系統(tǒng)監(jiān)控原理圖設計

中央空調監(jiān)控系統(tǒng)采用3個VCN_MF智能節(jié)點控制器模塊,分別對中央空調系統(tǒng)的風系統(tǒng)、冷熱源系統(tǒng)和空調機組進行監(jiān)控。VCN_MF模塊主要是為自動化系統(tǒng)設計的多功能多I/O智能節(jié)點,主模塊是基于LonWorks技術的通用核心模塊,除核心模塊外,還可插接3個擴展I/O模塊。

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

空調機組的監(jiān)控原理如圖3所示。圖3中, MD1、MD2、MD3為風門執(zhí)行器；ΔP為壓差開關；K為防凍開關；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 中央空調監(jiān)控系統(tǒng)網絡結構

圖3 空調機組監(jiān)控系統(tǒng)原理圖

LonWorks智能節(jié)點控制器I/O地址分配表如表1所示。

表1 LonW orkS智能節(jié)點控制器I/O地址分配表

2 LonW orkS智能節(jié)點設計

2.1 硬件設計

LonWorks技術是控制網絡層次上的技術,智能節(jié)點占據(jù)著最重要的地位。智能節(jié)點的任務是獲取和傳輸數(shù)據(jù),并根據(jù)所獲取的信息來執(zhí)行相應的控制邏輯。智能節(jié)點硬件整體結構如圖4所示。

圖4 智能節(jié)點硬件整體結構

智能節(jié)點的工作原理是溫/濕度控制器測得溫度和濕度后,通過運算獲得閥門的調節(jié)輸出。該輸出通過LonWorks網絡送到智能閥,產生相應的閥門開度。開關量控制器則用于起、停機組,監(jiān)測空調狀態(tài)及產生報警等。

(1)智能閥門直接連接在LonWorks網絡上,直接通過LonWorks總線接收閥門開度命令,該命令以網絡變量形式出現(xiàn)。收發(fā)器采用FTT_ 10A自由拓撲收發(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)繼電器驅動能力大,使用壽命長。智能閥門結構如圖5所示。

圖5 智能閥門結構

(2)溫/濕度控制器主要由Neuron芯片、D/A轉換電路、執(zhí)行機構驅動電路和顯示電路組成。Neuron芯片選用3150CPU模塊,D/A轉換電路包括MAX7228及其相應的外圍電路,顯示電路由MAX7219及相關的驅動放大電路組成,執(zhí)行機構驅動電路包括AD694及其相關的外圍電路。溫/濕度控制器的結構如圖6所示。

圖6 溫/濕度控制器結構

(3)開關量控制器主要用于起、停空調機組,檢測空調狀態(tài)及產生報警。開關量控制器硬件選擇：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,驅動能力大(可直接驅動380 V交流設備),使用壽命長。

2.2 軟件設計

智能節(jié)點軟件設計一般步驟：①定義網絡變量、I/O對象、時鐘對象等；②編寫控制子程序；③采用when語句設計完成調度程序。設計內容包括測量單元軟件和控制單元軟件。測量單元程序設計流程與控制單元程序設計流程分別如圖7、圖8所示。

圖7 測量單元程序設計流程

圖8 控制單元程序設計流程

3 監(jiān)控系統(tǒng)設計

中央空調監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計包括下位機控制網絡設計和上位機監(jiān)控平臺設計。其中,下位機采用LonMaker3.1集成工具設計底層控制網絡；上位機采用組態(tài)王6.52設計人機界面。

3.1 LonM aker集成工具

LonMaker集成工具包含功能強大的客戶服務系統(tǒng)結構以及Microsoft Visio用戶界面,可用來設計和啟動一個分布式控制網絡,其基本步驟為設備創(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)點和Windows客戶應用程序之間交換網絡變量、配置屬性和應用報文等信息的工具,可用于任何支持標準Windows DDE接口的應用程序。本文LNS DDE Server用來提供數(shù)據(jù)服務,以供監(jiān)控程序訪問。

3.3 上位機組態(tài)監(jiān)控

借助亞控組態(tài)王6.52軟件功能強大、性能穩(wěn)定等優(yōu)點,進行系統(tǒng)人機界面設計,憑借Lontalk協(xié)議構建一個高可靠、高性能、高抗干擾性的通信機制,具體步驟包括通信連接、數(shù)據(jù)庫建立、人機界面設計和編制程序等,開發(fā)了一套完整的中央空調系統(tǒng)上位機監(jiān)控平臺。本文利用LonMaker3.1集成工具創(chuàng)建網絡,并配合組態(tài)王6.52軟件調試邏輯。

4 結 語

本文設計了基于LonWorks總線技術的中央空調監(jiān)控系統(tǒng),相比較傳統(tǒng)空調監(jiān)控系統(tǒng),不僅可以實現(xiàn)動態(tài)的溫/濕度調節(jié),實時監(jiān)控各設備的運行狀態(tài),而且可以實現(xiàn)設備的遠程控制,節(jié)約了大量的人力資源。

該系統(tǒng)對中央空調系統(tǒng)節(jié)能研究具有一定的借鑒意義,未來將針對該系統(tǒng)采集的實時數(shù)據(jù)進行后續(xù)的能耗研究,并構建相應的能耗評價體系。

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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（1990-），男，碩士研究生，研究方向為智能建筑與樓宇自動化。

魯 娟（1971-），女，高級工程師，研究方向為建筑電氣與建筑智能化。

楊子毛（1991-），男，碩士研究生，研究方向為智能建筑與樓宇自動化。

劉 敏（1990-），男，碩士研究生，研究方向為智能建筑及建筑節(jié)能。