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馬新軍，胥布工

1  引言
現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的興起，改變了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使其向著網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，形成控制網(wǎng)絡(luò)。由于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)適應(yīng)了控制系統(tǒng)向智能化、網(wǎng)絡(luò)化、分散化發(fā)展的趨勢(shì)，因而顯示出強(qiáng)大的生命力，成為控制領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)。LonWorks是美國(guó) Echelon公司 1990年推出的一種現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，它采用了 ISO/ OSI模型的全部七層通信協(xié)議和面向?qū)ο笫录?qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法(When()語(yǔ)句)，物理層支持雙絞線、同軸電纜、光纖、紅外線、電力線等多種通信介質(zhì)。近幾年來(lái)，在許多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，特別是在現(xiàn)代樓宇控制、智能家居中具有突出的地位和優(yōu)勢(shì)。本文在基于LonWorks技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了樓宇空調(diào)控制器。并且在分析了普通樓宇控制空調(diào)對(duì)象后，給出了符合LonMark互操作性協(xié)議的空調(diào)控制器軟件實(shí)現(xiàn)的途徑和方法。
2  LonMark規(guī)范簡(jiǎn)介
LonWorks技術(shù)使得在一起工作形成控制網(wǎng)的新一代智能控制產(chǎn)品成為可能；使得使用不同生產(chǎn)商提供的產(chǎn)品來(lái)設(shè)計(jì)增強(qiáng)的控制系統(tǒng)柔性成為可能。Neuron(神經(jīng)元)芯片中的LonTalk協(xié)議是LonWorks互操作性的基石。LonMark互操作性規(guī)范為怎樣設(shè)計(jì)一個(gè)基于LonWorks技術(shù)可互操作的產(chǎn)品提供了詳細(xì)的說(shuō)明和技術(shù)闡述。對(duì)配置、管理和與在LonWorks網(wǎng)絡(luò)上的產(chǎn)品進(jìn)行通訊，LonTalk協(xié)議應(yīng)用層(第7層)提供了詳細(xì)的設(shè)計(jì)規(guī)范[1]，而基于網(wǎng)絡(luò)變量的LonMark對(duì)象的使用是應(yīng)用層互操作性的基礎(chǔ)。LonMark對(duì)象最大化地提供了在用于執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)功能的網(wǎng)絡(luò)變量集合上一致的定義。LonMark對(duì)象充分的運(yùn)用了能更好的支持互操作性的一套預(yù)定義的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)變量類型[2](SNVT)和標(biāo)準(zhǔn)配置參數(shù)類型[3] (SCPT)，使得不同提供商提供的不同產(chǎn)品很容易的滿足可互操作的、友好的通訊接口。
LonMark對(duì)象有5種類型，節(jié)點(diǎn)對(duì)象－對(duì)象0，它允許節(jié)點(diǎn)內(nèi)的對(duì)象的功能受到監(jiān)視。傳感器對(duì)象，它是可用于任意傳感器類型的通用對(duì)象，可為執(zhí)行器和在一個(gè)控制器對(duì)象內(nèi)的控制回路提供數(shù)據(jù)。傳感器對(duì)象包括有對(duì)象1－開(kāi)環(huán)傳感器對(duì)象：適用于檢測(cè)絕對(duì)值和不要求反饋信息用于校正操作的傳感器設(shè)備；對(duì)象2－閉環(huán)傳感器對(duì)象：包含有反饋特點(diǎn)使他適用于多個(gè)傳感器控制同一個(gè)執(zhí)行器，同時(shí)使傳感器和執(zhí)行器的實(shí)際狀態(tài)與預(yù)定狀態(tài)保持同步。執(zhí)行器對(duì)象包括有對(duì)象3－開(kāi)環(huán)執(zhí)行器對(duì)象：適用于執(zhí)行器不提供反饋信息的應(yīng)用場(chǎng)合；對(duì)象4－閉環(huán)執(zhí)行器對(duì)象：具有的反饋特點(diǎn)使他適用于多個(gè)傳感器設(shè)備與多個(gè)執(zhí)行器綁定的場(chǎng)合，反饋可同步多個(gè)傳感器設(shè)備與多個(gè)執(zhí)行器的實(shí)際狀態(tài)和預(yù)定狀態(tài)。控制器對(duì)象－對(duì)象5：它在數(shù)據(jù)引入對(duì)象（例如傳感器對(duì)象）和數(shù)據(jù)消費(fèi)對(duì)象（例如執(zhí)行器對(duì)象）之間引入控制算法。
3  空調(diào)控制對(duì)象分析
空調(diào)機(jī)用于控制樓宇內(nèi)工作空間的溫度，是樓宇控制中能源消耗的主要設(shè)備之一，因而空調(diào)機(jī)控制的要求和合理性等方面需仔細(xì)考慮。本文主要以較普通的一種空調(diào)機(jī)為例(見(jiàn)圖1)來(lái)分析設(shè)計(jì)空調(diào)機(jī)的控制策略。
控制需求分析：① 送風(fēng)溫度檢測(cè)；空調(diào)機(jī)的工作狀態(tài)及故障狀態(tài)；空氣濾網(wǎng)的堵塞狀態(tài)及報(bào)警；根據(jù)檢測(cè)溫度與設(shè)定溫度的比較，調(diào)節(jié)冷水(暖氣)管電動(dòng)閥的開(kāi)度；控制規(guī)律采用PI(比例積分)，因室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)是一個(gè)大滯后、大慣性環(huán)節(jié)，PI控制是可行的；過(guò)程變量為送風(fēng)溫度，控制變量為冷水(暖氣)閥閥門開(kāi)度。② 每臺(tái)風(fēng)機(jī)都安排每天啟動(dòng)和關(guān)機(jī)的時(shí)序控制，時(shí)序表存放在上位機(jī)程序中，可以修改并下載。③ 可改變空調(diào)機(jī)的運(yùn)行模式：制冷模式，加熱模式，通風(fēng)模式和旁路模式（缺省）。

 
圖1  空調(diào)機(jī)控制圖

4  程序接口設(shè)置
空調(diào)機(jī)的程序?yàn)槟K化設(shè)計(jì)，有對(duì)外的網(wǎng)絡(luò)變量接口，接口設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)的符合LonMark互操作性規(guī)范。模塊化的設(shè)計(jì)使得實(shí)際的功能實(shí)現(xiàn)可以根據(jù)需要進(jìn)行組態(tài)和鏈接，增強(qiáng)了各模塊使用的靈活性，使模塊可復(fù)用性強(qiáng)，并且在保持外部接口的穩(wěn)定條件下，可改進(jìn)控制的算法，提高可升級(jí)性。同時(shí)，模塊化的設(shè)計(jì)使得程序的可維護(hù)性和調(diào)試的方便性大大的提高。
表1是各控制模塊的接口變量設(shè)計(jì)的安排，共有PI控制、時(shí)序控制、邏輯控制三個(gè)功能模塊。各模塊均使用了LonMark對(duì)象類型，限于篇幅，對(duì)以下介紹的控制模塊僅列出了部分變量，并且省去了變量名，變量初值的說(shuō)明。LonMark對(duì)象定義為：

表1

#pragma set_node_sd_string &3.0@0,1DI,1TEMP AI,5PI,5SCHEDULE,3CONTROLDOAO,5LOGIC,
1CONFIG, FOR AIR CONTIONING.
5  軟件設(shè)計(jì)
5.1  PI函數(shù)的功能
SNVT_count PI( SNVT_temp_p Setpoint, SNVT _temp_p  Spacetemp,
               SNVT_temp_p OutDoortemp, SNVT_temp_p  DeadBand,
               SNVT_hvac_mode Mode, SNVT_lev_disc  FanState,
               SNVT_time_sec ByPassT, SNVT_lev_percent ByPassV,
               SNVT_count PIDPropor-tion, SNVT_count  PIDIntegral,
               SNVT_count  PIDInterval)
PI函數(shù)的返回值是nvoPidOut的數(shù)值。
PI函數(shù)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的功能包括：
(1)  制冷狀態(tài)下和加熱狀態(tài)下的控制算法。
(2)  采樣周期和PI周期的關(guān)系是：采樣周期是PI周期的十分之一，經(jīng)過(guò)十次采樣后求出采樣的平均值，再進(jìn)行PI運(yùn)算。
(3)  PI輸出：輸出是百分比。在開(kāi)機(jī)時(shí)，先固定閥門開(kāi)度一定時(shí)間，然后再進(jìn)行PI控制。
5.2  SCHEDULE函數(shù)
SNVT_lev_disc SCHEDULE（BA_timezone *Timezone;  SNVT_time_stamp  *Time;
SNVT_date_day Week; )
SCHEDULE函數(shù)的返回值：nvoSchEnable。函數(shù)實(shí)現(xiàn)一年中可設(shè)7個(gè)節(jié)假日，一天中可設(shè)兩個(gè)工作時(shí)間段（由BA_Timezone定義）。每星期可選擇工作日，在工作時(shí)間外可自動(dòng)關(guān)閉空調(diào)，在工作時(shí)間內(nèi)可自動(dòng)打開(kāi)空調(diào)。
5.3  邏輯函數(shù)
邏輯控制模塊是最終處理輸出的控制器。所有的信號(hào)均傳遞給邏輯控制器，然后決定控制的輸出。整個(gè)軟件的控制流程如圖2所示：

 
圖2  邏輯控制流程圖

6  結(jié)語(yǔ)
LonWorks現(xiàn)場(chǎng)控制總線的應(yīng)用使得空調(diào)控制變得簡(jiǎn)單，功能實(shí)現(xiàn)靈活，多樣化。控制算法集成在智能節(jié)點(diǎn)設(shè)備中，適應(yīng)了樓宇的控制對(duì)象分散的特點(diǎn)。與傳統(tǒng)控制相比，組態(tài)、調(diào)試和維護(hù)十分方便。本文對(duì)樓宇的主要對(duì)象空調(diào)機(jī)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，重點(diǎn)討論了空調(diào)控制器的實(shí)現(xiàn)。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中關(guān)鍵在于對(duì)對(duì)象的全面了解后設(shè)計(jì)其模塊化的外部接口。本文討論的控制器設(shè)計(jì)已經(jīng)在實(shí)際的工程應(yīng)用中得到了應(yīng)用和檢驗(yàn)，實(shí)踐證明控制器的性能是可靠的，穩(wěn)定的。此外，本方法可以擴(kuò)展后應(yīng)用于各種實(shí)際場(chǎng)合中。

參考文獻(xiàn)：
[1]  LonMark Layers 1-6 Interoperability Guidelines, Version 3.1. LonMark Interoperability Association. Echelon Corporation.
[2]  SNVT Master List and Programmer’s Guide, Echelon Corporation，May 1997.
[3]  SCPT Master List and Programmer’s Guide, Echelon Corporation，May 1997.
[4]  Neuron C Programmer’s Guide, Revision 4, Echelon Corporation.
[5]  楊育紅. LON 網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)及應(yīng)用. 西安電子科技大學(xué), 1999.