控制网

马新军，胥布工

1  引言
现场总线技术的兴起，改变了控制系统的结构，使其向着网络化的方向发展，形成控制网络。由于现场总线技术适应了控制系统向智能化、网络化、分散化发展的趋势，因而显示出强大的生命力，成为控制领域的热点技术。LonWorks是美国 Echelon公司 1990年推出的一种现场总线系统，它采用了 ISO/ OSI模型的全部七层通信协议和面向对象事件驱动的设计方法(When()语句)，物理层支持双绞线、同轴电缆、光纤、红外线、电力线等多种通信介质。近几年来，在许多领域被广泛应用，特别是在现代楼宇控制、智能家居中具有突出的地位和优势。本文在基于LonWorks技术的基础上，设计和开发了楼宇空调控制器。并且在分析了普通楼宇控制空调对象后，给出了符合LonMark互操作性协议的空调控制器软件实现的途径和方法。
2  LonMark规范简介
LonWorks技术使得在一起工作形成控制网的新一代智能控制产品成为可能；使得使用不同生产商提供的产品来设计增强的控制系统柔性成为可能。Neuron(神经元)芯片中的LonTalk协议是LonWorks互操作性的基石。LonMark互操作性规范为怎样设计一个基于LonWorks技术可互操作的产品提供了详细的说明和技术阐述。对配置、管理和与在LonWorks网络上的产品进行通讯，LonTalk协议应用层(第7层)提供了详细的设计规范[1]，而基于网络变量的LonMark对象的使用是应用层互操作性的基础。LonMark对象最大化地提供了在用于执行标准功能的网络变量集合上一致的定义。LonMark对象充分的运用了能更好的支持互操作性的一套预定义的标准网络变量类型[2](SNVT)和标准配置参数类型[3] (SCPT)，使得不同提供商提供的不同产品很容易的满足可互操作的、友好的通讯接口。
LonMark对象有5种类型，节点对象－对象0，它允许节点内的对象的功能受到监视。传感器对象，它是可用于任意传感器类型的通用对象，可为执行器和在一个控制器对象内的控制回路提供数据。传感器对象包括有对象1－开环传感器对象：适用于检测绝对值和不要求反馈信息用于校正操作的传感器设备；对象2－闭环传感器对象：包含有反馈特点使他适用于多个传感器控制同一个执行器，同时使传感器和执行器的实际状态与预定状态保持同步。执行器对象包括有对象3－开环执行器对象：适用于执行器不提供反馈信息的应用场合；对象4－闭环执行器对象：具有的反馈特点使他适用于多个传感器设备与多个执行器绑定的场合，反馈可同步多个传感器设备与多个执行器的实际状态和预定状态。控制器对象－对象5：它在数据引入对象（例如传感器对象）和数据消费对象（例如执行器对象）之间引入控制算法。
3  空调控制对象分析
空调机用于控制楼宇内工作空间的温度，是楼宇控制中能源消耗的主要设备之一，因而空调机控制的要求和合理性等方面需仔细考虑。本文主要以较普通的一种空调机为例(见图1)来分析设计空调机的控制策略。
控制需求分析：① 送风温度检测；空调机的工作状态及故障状态；空气滤网的堵塞状态及报警；根据检测温度与设定温度的比较，调节冷水(暖气)管电动阀的开度；控制规律采用PI(比例积分)，因室内温度的调节是一个大滞后、大惯性环节，PI控制是可行的；过程变量为送风温度，控制变量为冷水(暖气)阀阀门开度。② 每台风机都安排每天启动和关机的时序控制，时序表存放在上位机程序中，可以修改并下载。③ 可改变空调机的运行模式：制冷模式，加热模式，通风模式和旁路模式（缺省）。

 
图1  空调机控制图

4  程序接口设置
空调机的程序为模块化设计，有对外的网络变量接口，接口设计为标准的符合LonMark互操作性规范。模块化的设计使得实际的功能实现可以根据需要进行组态和链接，增强了各模块使用的灵活性，使模块可复用性强，并且在保持外部接口的稳定条件下，可改进控制的算法，提高可升级性。同时，模块化的设计使得程序的可维护性和调试的方便性大大的提高。
表1是各控制模块的接口变量设计的安排，共有PI控制、时序控制、逻辑控制三个功能模块。各模块均使用了LonMark对象类型，限于篇幅，对以下介绍的控制模块仅列出了部分变量，并且省去了变量名，变量初值的说明。LonMark对象定义为：

表1

#pragma set_node_sd_string &3.0@0,1DI,1TEMP AI,5PI,5SCHEDULE,3CONTROLDOAO,5LOGIC,
1CONFIG, FOR AIR CONTIONING.
5  软件设计
5.1  PI函数的功能
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函数的返回值是nvoPidOut的数值。
PI函数内部实现的功能包括：
(1)  制冷状态下和加热状态下的控制算法。
(2)  采样周期和PI周期的关系是：采样周期是PI周期的十分之一，经过十次采样后求出采样的平均值，再进行PI运算。
(3)  PI输出：输出是百分比。在开机时，先固定阀门开度一定时间，然后再进行PI控制。
5.2  SCHEDULE函数
SNVT_lev_disc SCHEDULE（BA_timezone *Timezone;  SNVT_time_stamp  *Time;
SNVT_date_day Week; )
SCHEDULE函数的返回值：nvoSchEnable。函数实现一年中可设7个节假日，一天中可设两个工作时间段（由BA_Timezone定义）。每星期可选择工作日，在工作时间外可自动关闭空调，在工作时间内可自动打开空调。
5.3  逻辑函数
逻辑控制模块是最终处理输出的控制器。所有的信号均传递给逻辑控制器，然后决定控制的输出。整个软件的控制流程如图2所示：

 
图2  逻辑控制流程图

6  结语
LonWorks现场控制总线的应用使得空调控制变得简单，功能实现灵活，多样化。控制算法集成在智能节点设备中，适应了楼宇的控制对象分散的特点。与传统控制相比，组态、调试和维护十分方便。本文对楼宇的主要对象空调机进行分析设计，重点讨论了空调控制器的实现。在实现过程中关键在于对对象的全面了解后设计其模块化的外部接口。本文讨论的控制器设计已经在实际的工程应用中得到了应用和检验，实践证明控制器的性能是可靠的，稳定的。此外，本方法可以扩展后应用于各种实际场合中。

参考文献：
[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]  杨育红. LON 网络控制技术及应用. 西安电子科技大学, 1999.