李明海， 赵明强， 鲁 娟， 杨子毛， 刘 敏

（1.西安建筑科技大学信息与控制工程学院，陕西西安 710055；2.西安建筑科技大学建筑设计研究院，陕西西安 710055）

基于LonW orkS总线技术的中央空调监控系统设计

李明海1， 赵明强1， 鲁 娟2， 杨子毛1， 刘 敏1

（1.西安建筑科技大学信息与控制工程学院，陕西西安 710055；2.西安建筑科技大学建筑设计研究院，陕西西安 710055）

针对空调监控系统中经常遇到的不稳定、不兼容、互操作性不强等问题，以实验室中央空调系统为平台，结合LonW orkS现场总线技术，将中央空调冷热源系统、新风机组、空调机组等集成在一个相对稳定的现场控制网络平台上，并利用LonMaker集成工具、LNS DDE Server和组态王软件6.52设计了一套中央空调监控系统，可实现动态的温/湿度调节和设备远程控制。

LonW orkS总线；现场控制网络；中央空调监控系统；智能节点

0 引 言

在国家大力倡导绿色建筑、智能建筑的大环境下,空调系统作为建筑耗能的大户,对其进行节能监控并据此作出分析决策具有重要意义。同时,工业以太网、CAN总线、BACnet总线、LonWorks总线等现场总线技术的广泛应用,给智能建筑的发展提供了广阔的发展空间。LonWorks是目前现场总线中技术最完整、应用领域最广泛的一种技术。空调系统耗能占建筑总能耗的40%左右,通过楼宇自控系统对其进行实时监控,符合国家关于建筑节能的长远规划。

1 LonW orkS总线技术在中央空调监控系统中的应用

1.1 LonW orkS总线技术的组网优势

与传统的控制网络体系相比,利用LonWorks总线技术组建底层控制网络具有完全开放性、互操作性、分布式无主站控制、成本低等优点。传统控制体系多为集中式控制,传感器和执行器接线到辅助面板,后者又通过专用的主从通信总线连接到控制面板,执行器和传感器之间是典型的“哑”终端,内部节点间没有智能通信能力,这是传统控制网络体系最大的不足。控制网络体系对比图如图1所示。

图1 控制网络体系对比图

1.2 中央空调监控系统网络结构设计

中央空调监控系统网络结构设计可分为三个部分：

(1)I/O设备层,主要包括各种智能终端节点,如智能阀门、温/湿度控制器、开关量控制器等,作为执行器使用,可执行上层网络下达的各项指令。

(2)控制层,主要包括3个LonWorks节点控制器,负责对智能终端节点数据的采集、模式转换和上传。

(3)管理层,包括网络适配器、上位PC机和各种LON网络接口等,主要负责数据监测上位和下达控制指令。

中央空调监控系统网络结构如图2所示。

1.3 中央空调系统监控原理图设计

中央空调监控系统采用3个VCN_MF智能节点控制器模块,分别对中央空调系统的风系统、冷热源系统和空调机组进行监控。VCN_MF模块主要是为自动化系统设计的多功能多I/O智能节点,主模块是基于LonWorks技术的通用核心模块,除核心模块外,还可插接3个扩展I/O模块。

本文以空调机组的监控为例,说明中央空调监控系统的监控基本原理。空调机组主要由新风阀、回风阀、排风阀、过滤器、冷/热盘管、送风机等设备组成,其控制系统主要由新风、送风、回风温/湿度传感器、压差开关、电动调节阀、风阀执行器等组成。空调机组采用VCN_MF模块,包括VCN_MF8006(含8AI+6DO)+M0440(含4AO +ADI)+M0080(含8DI)。

空调机组的监控原理如图3所示。图3中, MD1、MD2、MD3为风门执行器；ΔP为压差开关；K为防冻开关；MV1为水阀；MV2为加湿器；T为温度传感器；H为湿度传感器。

图2 中央空调监控系统网络结构

图3 空调机组监控系统原理图

LonWorks智能节点控制器I/O地址分配表如表1所示。

表1 LonW orkS智能节点控制器I/O地址分配表

2 LonW orkS智能节点设计

2.1 硬件设计

LonWorks技术是控制网络层次上的技术,智能节点占据着最重要的地位。智能节点的任务是获取和传输数据,并根据所获取的信息来执行相应的控制逻辑。智能节点硬件整体结构如图4所示。

图4 智能节点硬件整体结构

智能节点的工作原理是温/湿度控制器测得温度和湿度后,通过运算获得阀门的调节输出。该输出通过LonWorks网络送到智能阀,产生相应的阀门开度。开关量控制器则用于起、停机组,监测空调状态及产生报警等。

(1)智能阀门直接连接在LonWorks网络上,直接通过LonWorks总线接收阀门开度命令,该命令以网络变量形式出现。收发器采用FTT_ 10A自由拓扑收发器,电源使用LM2575芯片,滤波后能够得到比较稳定的5 V电压。JGX_IF型固态继电器驱动能力大,使用寿命长。智能阀门结构如图5所示。

图5 智能阀门结构

(2)温/湿度控制器主要由Neuron芯片、D/A转换电路、执行机构驱动电路和显示电路组成。Neuron芯片选用3150CPU模块,D/A转换电路包括MAX7228及其相应的外围电路,显示电路由MAX7219及相关的驱动放大电路组成,执行机构驱动电路包括AD694及其相关的外围电路。温/湿度控制器的结构如图6所示。

图6 温/湿度控制器结构

(3)开关量控制器主要用于起、停空调机组,检测空调状态及产生报警。开关量控制器硬件选择：①选用了Neuron 3150芯片；②电源选用MAX727芯片；③继电器使用固态继电器JGC_3FA,体积小,驱动能力大(可直接驱动380 V交流设备),使用寿命长。

2.2 软件设计

智能节点软件设计一般步骤：①定义网络变量、I/O对象、时钟对象等；②编写控制子程序；③采用when语句设计完成调度程序。设计内容包括测量单元软件和控制单元软件。测量单元程序设计流程与控制单元程序设计流程分别如图7、图8所示。

图7 测量单元程序设计流程

图8 控制单元程序设计流程

3 监控系统设计

中央空调监控系统软件设计包括下位机控制网络设计和上位机监控平台设计。其中,下位机采用LonMaker3.1集成工具设计底层控制网络；上位机采用组态王6.52设计人机界面。

3.1 LonM aker集成工具

LonMaker集成工具包含功能强大的客户服务系统结构以及Microsoft Visio用户界面,可用来设计和启动一个分布式控制网络,其基本步骤为设备创建、功能模块创建、变量创建和配置、参数配置。

3.2 LNSDDE Server

LNSDDE Server是LonWorks节点和Windows客户应用程序之间交换网络变量、配置属性和应用报文等信息的工具,可用于任何支持标准Windows DDE接口的应用程序。本文LNS DDE Server用来提供数据服务,以供监控程序访问。

3.3 上位机组态监控

借助亚控组态王6.52软件功能强大、性能稳定等优点,进行系统人机界面设计,凭借Lontalk协议构建一个高可靠、高性能、高抗干扰性的通信机制,具体步骤包括通信连接、数据库建立、人机界面设计和编制程序等,开发了一套完整的中央空调系统上位机监控平台。本文利用LonMaker3.1集成工具创建网络,并配合组态王6.52软件调试逻辑。

4 结 语

本文设计了基于LonWorks总线技术的中央空调监控系统,相比较传统空调监控系统,不仅可以实现动态的温/湿度调节,实时监控各设备的运行状态,而且可以实现设备的远程控制,节约了大量的人力资源。

该系统对中央空调系统节能研究具有一定的借鉴意义,未来将针对该系统采集的实时数据进行后续的能耗研究,并构建相应的能耗评价体系。

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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

赵明强（1990-），男，硕士研究生，研究方向为智能建筑与楼宇自动化。

鲁 娟（1971-），女，高级工程师，研究方向为建筑电气与建筑智能化。

杨子毛（1991-），男，硕士研究生，研究方向为智能建筑与楼宇自动化。

刘 敏（1990-），男，硕士研究生，研究方向为智能建筑及建筑节能。