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馬新軍，胥布工

1  引言
現(xiàn)場總線技術的興起，改變了控制系統(tǒng)的結構，使其向著網(wǎng)絡化的方向發(fā)展，形成控制網(wǎng)絡。由于現(xiàn)場總線技術適應了控制系統(tǒng)向智能化、網(wǎng)絡化、分散化發(fā)展的趨勢，因而顯示出強大的生命力，成為控制領域的熱點技術。LonWorks是美國 Echelon公司 1990年推出的一種現(xiàn)場總線系統(tǒng)，它采用了 ISO/ OSI模型的全部七層通信協(xié)議和面向對象事件驅動的設計方法(When()語句)，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。近幾年來，在許多領域被廣泛應用，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。本文在基于LonWorks技術的基礎上，設計和開發(fā)了樓宇空調控制器。并且在分析了普通樓宇控制空調對象后，給出了符合LonMark互操作性協(xié)議的空調控制器軟件實現(xiàn)的途徑和方法。
2  LonMark規(guī)范簡介
LonWorks技術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)品來設計增強的控制系統(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)范為怎樣設計一個基于LonWorks技術可互操作的產(chǎn)品提供了詳細的說明和技術闡述。對配置、管理和與在LonWorks網(wǎng)絡上的產(chǎn)品進行通訊，LonTalk協(xié)議應用層(第7層)提供了詳細的設計規(guī)范[1]，而基于網(wǎng)絡變量的LonMark對象的使用是應用層互操作性的基礎。LonMark對象最大化地提供了在用于執(zhí)行標準功能的網(wǎng)絡變量集合上一致的定義。LonMark對象充分的運用了能更好的支持互操作性的一套預定義的標準網(wǎng)絡變量類型[2](SNVT)和標準配置參數(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對象有5種類型，節(jié)點對象－對象0，它允許節(jié)點內的對象的功能受到監(jiān)視。傳感器對象，它是可用于任意傳感器類型的通用對象，可為執(zhí)行器和在一個控制器對象內的控制回路提供數(shù)據(jù)。傳感器對象包括有對象1－開環(huán)傳感器對象：適用于檢測絕對值和不要求反饋信息用于校正操作的傳感器設備；對象2－閉環(huán)傳感器對象：包含有反饋特點使他適用于多個傳感器控制同一個執(zhí)行器，同時使傳感器和執(zhí)行器的實際狀態(tài)與預定狀態(tài)保持同步。執(zhí)行器對象包括有對象3－開環(huán)執(zhí)行器對象：適用于執(zhí)行器不提供反饋信息的應用場合；對象4－閉環(huán)執(zhí)行器對象：具有的反饋特點使他適用于多個傳感器設備與多個執(zhí)行器綁定的場合，反饋可同步多個傳感器設備與多個執(zhí)行器的實際狀態(tài)和預定狀態(tài)。控制器對象－對象5：它在數(shù)據(jù)引入對象（例如傳感器對象）和數(shù)據(jù)消費對象（例如執(zhí)行器對象）之間引入控制算法。
3  空調控制對象分析
空調機用于控制樓宇內工作空間的溫度，是樓宇控制中能源消耗的主要設備之一，因而空調機控制的要求和合理性等方面需仔細考慮。本文主要以較普通的一種空調機為例(見圖1)來分析設計空調機的控制策略。
控制需求分析：① 送風溫度檢測；空調機的工作狀態(tài)及故障狀態(tài)；空氣濾網(wǎng)的堵塞狀態(tài)及報警；根據(jù)檢測溫度與設定溫度的比較，調節(jié)冷水(暖氣)管電動閥的開度；控制規(guī)律采用PI(比例積分)，因室內溫度的調節(jié)是一個大滯后、大慣性環(huán)節(jié)，PI控制是可行的；過程變量為送風溫度，控制變量為冷水(暖氣)閥閥門開度。② 每臺風機都安排每天啟動和關機的時序控制，時序表存放在上位機程序中，可以修改并下載。③ 可改變空調機的運行模式：制冷模式，加熱模式，通風模式和旁路模式（缺省）。

 
圖1  空調機控制圖

4  程序接口設置
空調機的程序為模塊化設計，有對外的網(wǎng)絡變量接口，接口設計為標準的符合LonMark互操作性規(guī)范。模塊化的設計使得實際的功能實現(xiàn)可以根據(jù)需要進行組態(tài)和鏈接，增強了各模塊使用的靈活性，使模塊可復用性強，并且在保持外部接口的穩(wěn)定條件下，可改進控制的算法，提高可升級性。同時，模塊化的設計使得程序的可維護性和調試的方便性大大的提高。
表1是各控制模塊的接口變量設計的安排，共有PI控制、時序控制、邏輯控制三個功能模塊。各模塊均使用了LonMark對象類型，限于篇幅，對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，變量初值的說明。LonMark對象定義為：

表1

#pragma set_node_sd_string &3.0@0,1DI,1TEMP AI,5PI,5SCHEDULE,3CONTROLDOAO,5LOGIC,
1CONFIG, FOR AIR CONTIONING.
5  軟件設計
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)內部實現(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周期的關系是：采樣周期是PI周期的十分之一，經(jīng)過十次采樣后求出采樣的平均值，再進行PI運算。
(3)  PI輸出：輸出是百分比。在開機時，先固定閥門開度一定時間，然后再進行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)實現(xiàn)一年中可設7個節(jié)假日，一天中可設兩個工作時間段（由BA_Timezone定義）。每星期可選擇工作日，在工作時間外可自動關閉空調，在工作時間內可自動打開空調。
5.3  邏輯函數(shù)
邏輯控制模塊是最終處理輸出的控制器。所有的信號均傳遞給邏輯控制器，然后決定控制的輸出。整個軟件的控制流程如圖2所示：

 
圖2  邏輯控制流程圖

6  結語
LonWorks現(xiàn)場控制總線的應用使得空調控制變得簡單，功能實現(xiàn)靈活，多樣化。控制算法集成在智能節(jié)點設備中，適應了樓宇的控制對象分散的特點。與傳統(tǒng)控制相比，組態(tài)、調試和維護十分方便。本文對樓宇的主要對象空調機進行分析設計，重點討論了空調控制器的實現(xiàn)。在實現(xiàn)過程中關鍵在于對對象的全面了解后設計其模塊化的外部接口。本文討論的控制器設計已經(jīng)在實際的工程應用中得到了應用和檢驗，實踐證明控制器的性能是可靠的，穩(wěn)定的。此外，本方法可以擴展后應用于各種實際場合中。

參考文獻：
[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)絡控制技術及應用. 西安電子科技大學, 1999.