摘 要： 介紹了一種基于LonWorks技術的中央空調控制系統，重點介紹了中央空調總線監控系統的具體實現方法。闡述了基于LonWorks技術的智能節點設計。結合人機界面闡述了工作過程。
關鍵詞： 中央空調系統； LonWorks； 智能節點； 人機界面
在智能建筑中，樓宇自動化是智能大廈中最基本和最重要的部分。空調控制系統又是樓宇自動化系統中最重要的一個子系統。空調控制系統涉及面廣，要實現的任務復雜，主要表現在以下幾個方面：系統能耗大，空調系統耗能占整個建筑物能耗的50%~70%，因此節能是關鍵；數據采集量大，系統需檢測整個建筑物各室各處的溫度、濕度、壓差、流量等諸多信號；監控對象多，包括冷水系統、空調機組、新風機組。因此對這樣一個系統進行監測、控制和管理，以實現安全、高效、節能的目的，并使設備損耗降低，延長使用壽命，最有效的方法是實現空調控制系統本身的集成，以及控制系統與信息系統的集成，實現計算機一體化的集成管理體系。
1 系統總體構成
為實現對于中央空調這樣一個大系統的監控，提高系統的可集成性，最大限度隔離和降低故障率,基于LonWorks技術的開放性和全分布的特點，并且考慮到以后與其他子系統的集成，決定采用LonWorks總線技術作為本系統的技術平臺。
1.1 LonWorks現場總線技術[1-2]
LonWorks是美國Echlon公司于20世紀90年代初推出的一種現場總線技術。它是用于開發監控網絡系統的一個完整的技術平臺，并具有現場總線技術的一切特點。LonWorks網絡系統由智能節點組成，每個智能節點可具有多種形式的I/O功能，節點之間可通過不同的傳輸媒體進行通信。LonWorks是一種具有強勁實力的全新的現場總線技術，它提供了一個開放性強的局部操作網絡，其顯著的特征在于：功能強大的神經元芯片、系統互操作性和LonTalk通信協議。
LonWorks控制網結構包括5個部分：網絡協議(LonWorks)、網絡傳輸介質、網絡設備、執行機構和管理軟件。其中網絡設備包括智能測控單元、路由器和網關等；執行機構包括傳感器、變送器等；管理軟件包括LonTalk開放式協議，并為設備之間交換控制狀態信息建立了一個通用的標準。在LonTalk協議的協調下，以往那些孤立的設備融為一體，形成一個網絡控制系統。LonTalk是面向對象的網絡協議，支持OSI七層協議，設備節點之間的數據傳送通過網絡變量的互聯實現。神經元芯片(Neuron Chip)是除LonTalk協議之外的LonWorks技術核心產品。它不僅是Lon總線的通信處理器，同時也可以作為采集和控制的通用處理器，LonWorks技術中關于網絡的操作實際上都是通過它來完成的。
1.2 基于LonWorks技術的中央空調控制系統的結構
本系統的應用是校行政辦公大樓,建筑面積為20 000 m2,地下一層，地上八層。整棟大樓的總監控點為404個，其中模擬量控制點為：155個AI(模擬量輸入)，65個AO(模擬量輸出)。數字量控制點為：104個DI(數字量輸入)，80個DO(數字量輸出)。
整體系統結構由兩層網絡構成:LonWorks總線構成的面向現場測控對象的底層控制網絡，控制網絡處理實時的、現場的信息，具有協議簡單、容錯性強、安全可靠、成本低廉等特征;Internet構成面向管理人員的信息網絡，通過信息網絡人們可以獲取信息、管理信息、處理信息。一般處于系統結構上層，處理大量的、變化的、多樣的信息，具有高速、綜合的特征，并且通過Internet能容易實現遠程監控。整體系統結構具體如圖1所示，從圖可以看出VCN-MF作為監控節點，負責現場數據采集和處理。通過iLON600路由器，將信息傳到內部網，實現數據信息的網絡化處理。
2 系統中的iLON600路由器
在本系統中，采用iLON600 LonWorks/IP服務器[3]作為LonWorks IP路由器。iLON600 LonWorks/IP服務器是遵從EIA 852協議的LonTalk到IP的路由器，它能夠為日常設備的存取訪問提供一個可靠的、安全的Internet通道。它所提供的空前大的數據包吞吐量、強大的結構以及簡單的啟動能力，使其非常適合于樓宇自動化系統的應用。iLON600路由器將Internet或者任何基于10/100 Base-T的LAN或者WAN作為本地或者遠程傳遞LonWorks控制信息的通道。它使用MD5認證確保存取訪問的安全性，內部采用一個32位RISC處理器和Echelon公司的LonWorks/IP體系結構，從而為高速控制、顯示、監視應用程序提供最佳的性能。在本系統中iLON600路由器的外圍電路如圖2所示。圖2中NETAB-2連接iLON600的FTT-10信道端子。
3 系統中的智能節點設計
系統中的VCN-MF8006(含8AI+6DO)+M0440(4AO+ADI)+M0080(8DI)+M000A(10DO)是為自動化系統設計的多功能多I/O智能節點[4]，主模塊是基于LonWorks技術的通用核心模塊，是以神經元3150為核心;收發器為FTT-10A;I/O模塊處理器AT2051具有自檢復位的功能。除核心模塊外，還可插3個擴展I/O模塊。VCN-MF智能節點按其所提供的功能要求和I/O組合,選擇常用軟件功能模塊,可完成數據采集、定時、邏輯運算、PID調節、簡單模糊控制，可供直接使用。
在節點軟件中，LonTalk協議、操作系統、實時庫以及I/O設備驅動程序由Echelon開發環境提供，只有控制算法(稱為應用程序)由節點設備的開發商用Neuron C語言[5]編制。底層智能節點程序設計是為節點編程，并寫入節點上的Flash存儲器中。按功能智能節點可分為模擬量輸入、模擬量輸出、數字量輸入和數字量輸出等。采用NodeBuilder進行節點設計，它安裝在PC機上，提供一個開放式的開發環境，用于開發不同類型的LonWorks節點。在本系統中， LonWorks智能節點具體軟件流程如圖3所示。
4 人機界面
LonWorks技術提供的LNS DDE Server[6]不需編程就可以實現監視和控制的多賣方、開放、可互操作的網絡軟件包。它基于Echelon公司的LNS操作系統，提供了支持微軟DDE協議的統一應用程序網絡數據的存取。當使用LonMarker工具進行網絡設備配置時,它把這一信息備份于LNS DDE Server中，安裝完成后，LNS DDE Server中包含了整個網絡的配置圖、所有設備的名稱、設備的網絡變量、配置屬性以及LonMark對象。LNS DDE Server使用存儲在LNS服務器中的名字、地址和時序信息來完成監控任務。
本系統的人機界面由WonderWare公司的Intouch組態軟件經二次設計完成。通過Echelon公司提供的網絡接口卡和LNS DDE Server動態數據交換軟件，人機界面可以從LonWorks網絡上采集信息，也可以把控制命令發送給網路上的控制節點，而完成相應的控制任務。
圖4所示為冷水系統界面，它主要是對冷水機組、冷卻塔、冷卻水泵、集水器、分水器及相關的閥門和水流開關等設備進行監視和控制；自動監測各相關設備的工作狀態、故障情況。根據供回水壓差采用PID控制方法控制旁通閥的開度，保持供回水壓差平衡。在人機界面上實時觀察系統各個設備的運行情況，可強制控制旁通閥的開度。
點擊進入新風系統，可以自動監測新風機組的新風溫度、送風溫度、新風閥門和風機的運行狀態，并累計風機的運行時間和機組的起停次數。自動監測并報警過濾網阻塞、防凍開關和風機的故障信息。當有報警發生時，對新風閥門、風機和冷/熱水閥進行聯動控制。根據送風溫度采用PID調節冷/熱水閥的開度，保持送風溫度在一定范圍內。
空調機組自動監測新風溫度、新風濕度、回風溫度、回風濕度、新/回風閥門開度和風機的運行狀態，并累計風機的運行時間和機組的起停次數。當有報警發生時，對新/回風閥門、風機和冷/熱水閥進行聯動控制。根據新風焓值和回風值采用PID調節冷熱水閥門的開度，并保持回風溫度在一定范圍內。
在人機界面上實時觀察系統的各項運行參數，所有被測量的模擬量數據和開關量的狀態都能在相應的畫面上生動形象地表現出來。可以強制一些設備的起停；可以調整和修改設定值；可以修改模擬量的報警限值等。
系統的網絡結構充分體現了LonWorks控制網絡的特點，即全分布的、對等的、開放性的網絡結構。網絡的節點控制箱放置在對象的附近，這樣減少了布線工作量，節省了人力，降低了成本，提高了工作效率，且便于調試和維護。網絡中一個設備出現了故障，不會影響網內其他設備的正常工作，從而把故障點隔離到最小的程度。在系統功能設計過程中，除了對樓宇內各機電設備實現基本功能的控制以外，還重點考慮了系統節能，以便為用戶日后帶來更大的經濟效益。采用LonWorks技術作為系統的技術平臺，在選擇產品時可以有更多的選擇余地，這樣有效地控制了系統成本。經過一年時間的穩定運行，該系統在各個方面都是令人滿意的。
參考文獻
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[2] 馬莉.智能控制與LON網絡開發技術[M].北京:北京航空航天大學出版社, 2003.
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[4] 俞洪.神經元芯片與LonWorks節點的設計[J].電工技術,2004(3):89-91.
[5] Echelon. Neuron C programmer’s guide[Z]. USA: Echelon Corporation, 2002.
[6] Echelon.LonMaker for windows release 3.1 User′s Guide[Z].USA: Echelon Corporation, 2002.
[7] 雷霖.現場總線控制網路技術[M]. 北京：電子工業出版社，2005.