基于Lonworks技术的空调自控系统

基于Lonworks技术的空调自控系统摘要：本文首先简单介绍了空调自控系统在智能建筑集成系统中的核心地位，随后阐述了智能建筑一体化系统集成的重要性和开放的Lonworks网络控制技术，最后详细介绍了基于Lonworks控制技术的空调自控系统。关键字：空调、智能建筑、Lonworks技术1.引言空调自控设备是智能建筑物中重要的自控设备。BAS系统是智能建筑集成系统的重要组成部分，智能建筑空调自控设备又是BAS系统的核心设备。空调设备本身是BAS系统的耗能耗电大户，而且由于智能建筑中大量电子设备的应用使得智能建筑的空调负荷远远大于传统建筑物。在我国现已正在运行的具有BAS系统的大厦中，其整套楼宇自控设备及其相应配套系统是专有的系统，大多来自于国外某一厂商，很少由几家厂商共同完成整套系统，也很少有国产的BAS产品。这样就造成了系统造价昂贵、繁杂的系统培训，而且运行过程中的维护必须由原来的供货商完成，建筑物业主毫无自由度可言。因此开放的、可互操作的BAS系统开始受到建筑物业主、系统集成商的关注。随着工业控制的大型化和分散化的要求，现场总线技术开始受到人们的重视。现场总线是一种工业数据总线，主要解决现场设备间的数据通信以及现场设备和高级控制系统之间的信息传递。现场总线控制系统是一种全分布式的控制系统。Lonworks技术是美国Echelon公司于1992年推出的网络控制技术，是目前国际领先的现场总线。Lonworks技术的核心LonTalk协议为我们构建开放的、可互操作的BAS系统提供了一个统一的操作平台，而且Lonworks技术越来越得到智能建筑业人士的承认，已成为事实上的智能建筑控制系统的行业标准。Lonworks控制网络本身是局域网（LAN），它符合ISO的OSI模型，但它不同于局域网，它是针对控制对象研制的控制网络。Lonworks产品具有如下的优点：使用高效和易用的开发工具，可以缩短系统开发周期使用成品元件和模块可以降低开发成本可以利用多种通讯介质：双绞线、无线、电力线、同轴电缆等使用内置协议降低开发成本，提高系统可靠性可降低布线和安装费用为系统网络提供了统一的操作平台易于扩充，易于配置，降低了维护费用在应用应用方面提供了较大的灵活性基于这种考虑，我们有必要开发基于Lonworks技术的空调控制设备，一方面为了提供我们自己的空调自控设备；另一方面为实现开放的、可互操作的BAS系统作准备。2.智能建筑的系统一体化集成智能建筑系统一体化集成是智能建筑最重要的一个基本要素。它是区别于传统建筑弱电系统和独立的3A、5A系统的最根本的特征。系统集成度是反映智能建筑智能化程度和管理水平的客观评审标准。目前，已建成和正建的智能建筑多数都不能将建筑物的各个子系统的管理集成在一起。这种分开管理的局面，形成了一些相互脱节的独立系统，各子系统之间的硬件设备大量冗余，操作和管理人员需要熟悉和掌握各个不同厂家的技术，因而造成了系统建设、技术培训及维修的高额投资和系统效率的低下。无疑，今后智能建筑采用系统一体化集成必然是一个趋势。随着科学技术的发展，以及人们需求的多样化，国内、外各大厂商可提供的产品和系统层出不穷。对于用户来说，在进行系统集成的过程中面临着一个艰难的选择。为了获得系统的成功，每作一个选择都必须谨慎，必须符合正确的开放系统的技术潮流。任何一个错误的选择都可能导致系统的失败。系统集成是以开放系统为前提的，顺应了计算机技术发展的潮流。在以往的专有系统中，系统集成往往由一个厂商完成，所有的技术和接口都成为专制专利技术，生产商通过技术垄断来获取高额利润；而在开放环境下，系统集成通常由一个系统集成商提供一个完整的解决方案，并由多个厂商进行分工与协作来完成整个项目。标准化比以往任何时候都显得重要了，系统集成已逐渐从硬件、软件和服务行业中分离出来，形成了一个独立的新兴行业。智能建筑开放系统是指建筑物自动化系统所有部件均以公认的工业标准技术制造，系统符合公认的工业标准结构。从而，开放系统的各个部件能够用不同生产商的产品组合，实现互相操作。开放系统对生产商和用户都是一次巨大的技术革命。它有两个特点：一是系统的技术规范是所有生产商共同遵守的，或者说规范是中性的，与制造无关；另一个特点是同样功能的部件，虽然由不同生产商生产，但可以互相替换。开放系统意味着自动化系统从不同厂商生产的各自独立的系统，经过网关(Gateway)互相连接，进而使用通讯协议实现可互相操作，直至完全可以互相替代。这种系统对用户有极大的好处，系统有更多的厂商可供选择，减少对某个厂商的依赖，尤其在智能大厦和智能小区的系统集成过程中，降低了维修和管理费用，系统重新配置和技术升级换代，变得更加容易。3.Lonworks技术介绍Lonworks网络是采用神经元芯片技术，在OSI七层协议上实现的控制网络。神经元芯片和LonTalk网络协议是Lonworks的核心技术。3.1神经元芯片(NeuronChip)使用CMOSCLSI技术的神经元芯片使实现低成本的控制网络成为可能。所有获取和处理信息、作出决定、产生输出和传播控制信息、标准协议、使用不同的通信介质所需要的功能都包括在每个神经元芯片中。神经元芯片是高度集成的，使用它所需的外部器件是最少的。在这种芯片中有三个8位的CPU分别为介质访问控制处理器、网络处理器和应用处理器。Neuron芯片的编程语言为NeuronC.它是从ANSIC中派生出来的，并对ANSI进行了删减和增补。神经元芯片既可以从具有5个管脚的通信口，也可以从具有11个管脚的I/O口发送和接收信息。这些管脚可以在不同的配置下，以便为外部配件提供灵活的接口和访问芯片内部计时器。I/O口具有34个预编程模式来实现有效的测量、计时和应用控制的操作模式(即I/O对象)。3.2LonTalk协议Lonworks协议遵循由国际标准化组织(ISO)定义的开放系统互连(OSI)模型。以ISO的术语来说，LonTalk协议提供了OSI参考模型所定义的全部七层服务。它具有以下特点:1)LonTalk协议支持包括双绞线、电力线、无线、红外线、同轴电缆和光纤等多种传输介质。2)LonTalk协议表示层中的数据被称作网络变量。网络变量可以是任何单个数据项也可以是数据结构体。每个网络变量有一个由应用程序说明的数据类型。网络变量的概念大大简化了复杂的分布式应用的编程，网络变量灵活、方便地提供了应用控制网络中分布式数据的传输。程序员不需要关心报文缓冲区、节点地址、报文传输的请求／响应／重发过程，以及其它一些有关底层的细节。3.3Lonworks技术特点1)Lonworks技术是支持完全分布式的网络操作系统2)Lonworks技术可以支持多种传输介质3)支持Internet4)Lonworks应用系统开发周期短Lonworks网络技术在世界上许多行业中已成为标准。在楼宇自动化行业，Lonworks技术已经成为事实上的标准，它包括在ANSI批准的BACnet楼宇自动化标准中，并且在世界范围内用于楼宇自动化系统的开发。总之，Lonworks技术是一种开放互连的网络系统，在灵活性、开放性、可扩充性等方面都有很好的表现，十分适于作为智能建筑的楼宇信息管理系统的平台。4.基于LONWORKS技术的空调自控设备功能介绍智能建筑空调自控设备主要包括建筑物内的空调机组控制器、新风机组控制器、变风量末端（VAV）控制器。这些设备是基于Lonworks技术的，它们在楼宇自动化系统的监控和管理下，使建筑物内的温、湿度达到预期的目标，同时以最低的能源和电力消耗来维持系统和设备的正常工作，以求取得最低的运行成本和最高的经济效益。图4.1控制器示意图空调机组、一台新风组或一个变风量末端。每个控制器内部主要由以下三部分组成：Lonworks控制模块、I/O外围扩展电路、控制器电源，如图4.1所示。（1）Lonworks控制模块：包括Neuron3150芯片、FTT-10A收发器、10MHZ晶体振荡电路、ROM存储器、RAM存储器等器件，主要完成LonTalk协议的功能和控制应用程序的执行，通过FTT-10A收发器与Lonworks网络上的其它节点交换信息。（2）I/O外围扩展电路：主要包括D/A转换电路、A/D转换电路和光电隔离电路等，用来采集传感器的信号和对执行器进行控制，并通过Neuron3150芯片的11个I/O管脚与Neuron3150芯片交换信息。（3）控制器电源：主要包括交流变压器和交/直整流滤波电路，为控制器节点提供5V、12V等直流电源。4.2设备功能设计在新风机组控制器、空调机组控制器、变风量末端控制器的硬件、应用程序软件的设计过程中，严格遵守以下国际LonMark互操作协会公布的功能模块进行设计，例如应用程序中网络变量类型、范围、缺省值等的定义。（1）LONMARKFunctionalProfile8030:RoofTopUnit(RTU)。如图4.2。图4.2RTU对象（2）LONMARKFunctionalProfile8020:FanCoilUnit(FCU)。如图4.3。（3）LONMAKFunctionalProfile8010:VAVController(VAV)。如图4.4。4.2.1空调机组控制器控制功能空调机组系统包括新/回风阀门驱动器、风管式温/湿度传感器、过滤网压差报警开关、防冻报警开关、恒速风机、电动调节阀、配电装置和空调机组控制器等硬件。该系统包括新风、回风和送风三部分。（1）机组启/停：机组可由LonPoint的Scheduler模块控制定时启/停，也可强制启/停。图4.3FCU对象（2）风机控制：风机随机组启/停而自动启/停，也可强制启/停或机旁手动启/停，运行时间和启/停次数累计，有风机故障报警输出网络变量。（3）温度控制：夏季送冷风，冬季送热风，过渡季节送新风以节能，根据回风温度与设定值的偏差，控制电动水阀，调节冷/热水阀门的开度，使回风温度维持在设定的范围内。可进行冷/热水阀门的强制开度控制和机旁手动开度控制(0～100%)。（4）湿度控制：在冬季模式下才进行湿度的控制。当回风湿度下降到下限时，控制加湿阀开启，增加空气中的湿度含量；当回风湿度上升到上限时，停止加湿阀的工作。可进行加湿阀的强制启/停控制和机旁手动启/停控制。（5）新/回风阀门控制：在冬/夏季新风阀门开至最小开度，回风阀门开至最大开度；在过渡季调节新/回风阀门的开度来调节温度。可进行新/回风阀门的强右图4.4VAV对象制开度控制和机旁手动开度控制(0～100%)。（6）联锁控制：防冻报警开关和风机、水阀、新/回风阀门联锁控制。（7）报警：过滤网堵塞报警、风机故障报警及防冻开亲报警4.2.2新风机组控制功能新风机组系统主要由新风阀门驱动器、风管式温/湿度传感器、过滤网压差报警开关、防冻报警开关、电动调节阀、恒速风机、配电装置和新风机组控制器等硬件组成。该系统包括新风、送风两部分。（1）机组启/停：机组可由LonPoint的Scheduler模块控制定时启/停，也可强制启/停。（2）风机控制：风机随机组启/停而自动启/停，也可强制启/停或机旁手动启/停，运行时间和启/停次数累计，有风机故障报警输出网络变量。（3）温度控制：夏季送冷风，冬季送热风，过渡季节送新风以节能，根据送风温度与设定值的偏差，控制电动水阀，调节冷/热水阀门的开度，使送风温度维持在设定的范围内。可进行冷/热水阀门的强制开度控制和机旁手动开度控制(0～100%)。（4）湿度控制：在冬季模式下才进行湿度的控制。当回风湿度下降到下限时，控制加湿阀开启，增加空气中的湿度含量；当回风湿度上升到上限时，停止加湿阀的工作。可进行加湿阀的强制启/停控制和机旁手动启/停控制。（5）新风阀门控制：在机组运行时，新风阀门全开。可进行新风阀门的强制开/关控制和机旁手动开/关控制。（6）联锁控制：防冻报警开关和风机、水阀、新风阀门联锁控制。（7）报警：过滤网堵塞报警、风机故障报警和防冻开关报警。4.2.3变风量(VAV)末端控制功能（1）风机控制：由手动开关控制风机的启/停，有风机