摘 要：介绍了一种基于LonWorks技术的中央空调控制系统，重点介绍了中央空调总线监控系统的具体实现方法。阐述了基于LonWorks技术的智能节点设计。结合人机界面阐述了工作过程。
关键词：中央空调系统； LonWorks； 智能节点； 人机界面
在智能建筑中，楼宇自动化是智能大厦中最基本和最重要的部分。空调控制系统又是楼宇自动化系统中最重要的一个子系统。空调控制系统涉及面广，要实现的任务复杂，主要表现在以下几个方面：系统能耗大，空调系统耗能占整个建筑物能耗的50%~70%，因此节能是关键；数据采集量大，系统需检测整个建筑物各室各处的温度、湿度、压差、流量等诸多信号；监控对象多，包括冷水系统、空调机组、新风机组。因此对这样一个系统进行监测、控制和管理，以实现安全、高效、节能的目的，并使设备损耗降低，延长使用寿命，最有效的方法是实现空调控制系统本身的集成，以及控制系统与信息系统的集成，实现计算机一体化的集成管理体系。
1 系统总体构成
为实现对于中央空调这样一个大系统的监控，提高系统的可集成性，最大限度隔离和降低故障率,基于LonWorks技术的开放性和全分布的特点，并且考虑到以后与其他子系统的集成，决定采用LonWorks总线技术作为本系统的技术平台。
1.1 LonWorks现场总线技术[1-2]
LonWorks是美国Echlon公司于20世纪90年代初推出的一种现场总线技术。它是用于开发监控网络系统的一个完整的技术平台，并具有现场总线技术的一切特点。LonWorks网络系统由智能节点组成，每个智能节点可具有多种形式的I/O功能，节点之间可通过不同的传输媒体进行通信。LonWorks是一种具有强劲实力的全新的现场总线技术，它提供了一个开放性强的局部操作网络，其显著的特征在于：功能强大的神经元芯片、系统互操作性和LonTalk通信协议。
LonWorks控制网结构包括5个部分：网络协议(LonWorks)、网络传输介质、网络设备、执行机构和管理软件。其中网络设备包括智能测控单元、路由器和网关等；执行机构包括传感器、变送器等；管理软件包括LonTalk开放式协议，并为设备之间交换控制状态信息建立了一个通用的标准。在LonTalk协议的协调下，以往那些孤立的设备融为一体，形成一个网络控制系统。LonTalk是面向对象的网络协议，支持OSI七层协议，设备节点之间的数据传送通过网络变量的互联实现。神经元芯片(Neuron Chip)是除LonTalk协议之外的LonWorks技术核心产品。它不仅是Lon总线的通信处理器，同时也可以作为采集和控制的通用处理器，LonWorks技术中关于网络的操作实际上都是通过它来完成的。
1.2 基于LonWorks技术的中央空调控制系统的结构
本系统的应用是校行政办公大楼,建筑面积为20 000 m2,地下一层，地上八层。整栋大楼的总监控点为404个，其中模拟量控制点为：155个AI(模拟量输入)，65个AO(模拟量输出)。数字量控制点为：104个DI(数字量输入)，80个DO(数字量输出)。
整体系统结构由两层网络构成:LonWorks总线构成的面向现场测控对象的底层控制网络，控制网络处理实时的、现场的信息，具有协议简单、容错性强、安全可靠、成本低廉等特征;Internet构成面向管理人员的信息网络，通过信息网络人们可以获取信息、管理信息、处理信息。一般处于系统结构上层，处理大量的、变化的、多样的信息，具有高速、综合的特征，并且通过Internet能容易实现远程监控。整体系统结构具体如图1所示，从图可以看出VCN-MF作为监控节点，负责现场数据采集和处理。通过iLON600路由器，将信息传到内部网，实现数据信息的网络化处理。
2 系统中的iLON600路由器
在本系统中，采用iLON600 LonWorks/IP服务器[3]作为LonWorks IP路由器。iLON600 LonWorks/IP服务器是遵从EIA 852协议的LonTalk到IP的路由器，它能够为日常设备的存取访问提供一个可靠的、安全的Internet通道。它所提供的空前大的数据包吞吐量、强大的结构以及简单的启动能力，使其非常适合于楼宇自动化系统的应用。iLON600路由器将Internet或者任何基于10/100 Base-T的LAN或者WAN作为本地或者远程传递LonWorks控制信息的通道。它使用MD5认证确保存取访问的安全性，内部采用一个32位RISC处理器和Echelon公司的LonWorks/IP体系结构，从而为高速控制、显示、监视应用程序提供最佳的性能。在本系统中iLON600路由器的外围电路如图2所示。图2中NETAB-2连接iLON600的FTT-10信道端子。
3 系统中的智能节点设计
系统中的VCN-MF8006(含8AI+6DO)+M0440(4AO+ADI)+M0080(8DI)+M000A(10DO)是为自动化系统设计的多功能多I/O智能节点[4]，主模块是基于LonWorks技术的通用核心模块，是以神经元3150为核心;收发器为FTT-10A;I/O模块处理器AT2051具有自检复位的功能。除核心模块外，还可插3个扩展I/O模块。VCN-MF智能节点按其所提供的功能要求和I/O组合,选择常用软件功能模块,可完成数据采集、定时、逻辑运算、PID调节、简单模糊控制，可供直接使用。
在节点软件中，LonTalk协议、操作系统、实时库以及I/O设备驱动程序由Echelon开发环境提供，只有控制算法(称为应用程序)由节点设备的开发商用Neuron C语言[5]编制。底层智能节点程序设计是为节点编程，并写入节点上的Flash存储器中。按功能智能节点可分为模拟量输入、模拟量输出、数字量输入和数字量输出等。采用NodeBuilder进行节点设计，它安装在PC机上，提供一个开放式的开发环境，用于开发不同类型的LonWorks节点。在本系统中， LonWorks智能节点具体软件流程如图3所示。
4 人机界面
LonWorks技术提供的LNS DDE Server[6]不需编程就可以实现监视和控制的多卖方、开放、可互操作的网络软件包。它基于Echelon公司的LNS操作系统，提供了支持微软DDE协议的统一应用程序网络数据的存取。当使用LonMarker工具进行网络设备配置时,它把这一信息备份于LNS DDE Server中，安装完成后，LNS DDE Server中包含了整个网络的配置图、所有设备的名称、设备的网络变量、配置属性以及LonMark对象。LNS DDE Server使用存储在LNS服务器中的名字、地址和时序信息来完成监控任务。
本系统的人机界面由WonderWare公司的Intouch组态软件经二次设计完成。通过Echelon公司提供的网络接口卡和LNS DDE Server动态数据交换软件，人机界面可以从LonWorks网络上采集信息，也可以把控制命令发送给网路上的控制节点，而完成相应的控制任务。
图4所示为冷水系统界面，它主要是对冷水机组、冷却塔、冷却水泵、集水器、分水器及相关的阀门和水流开关等设备进行监视和控制；自动监测各相关设备的工作状态、故障情况。根据供回水压差采用PID控制方法控制旁通阀的开度，保持供回水压差平衡。在人机界面上实时观察系统各个设备的运行情况，可强制控制旁通阀的开度。
点击进入新风系统，可以自动监测新风机组的新风温度、送风温度、新风阀门和风机的运行状态，并累计风机的运行时间和机组的起停次数。自动监测并报警过滤网阻塞、防冻开关和风机的故障信息。当有报警发生时，对新风阀门、风机和冷/热水阀进行联动控制。根据送风温度采用PID调节冷/热水阀的开度，保持送风温度在一定范围内。
空调机组自动监测新风温度、新风湿度、回风温度、回风湿度、新/回风阀门开度和风机的运行状态，并累计风机的运行时间和机组的起停次数。当有报警发生时，对新/回风阀门、风机和冷/热水阀进行联动控制。根据新风焓值和回风值采用PID调节冷热水阀门的开度，并保持回风温度在一定范围内。
在人机界面上实时观察系统的各项运行参数，所有被测量的模拟量数据和开关量的状态都能在相应的画面上生动形象地表现出来。可以强制一些设备的起停；可以调整和修改设定值；可以修改模拟量的报警限值等。
系统的网络结构充分体现了LonWorks控制网络的特点，即全分布的、对等的、开放性的网络结构。网络的节点控制箱放置在对象的附近，这样减少了布线工作量，节省了人力，降低了成本，提高了工作效率，且便于调试和维护。网络中一个设备出现了故障，不会影响网内其他设备的正常工作，从而把故障点隔离到最小的程度。在系统功能设计过程中，除了对楼宇内各机电设备实现基本功能的控制以外，还重点考虑了系统节能，以便为用户日后带来更大的经济效益。采用LonWorks技术作为系统的技术平台，在选择产品时可以有更多的选择余地，这样有效地控制了系统成本。经过一年时间的稳定运行，该系统在各个方面都是令人满意的。
参考文献
[1] Echelon. Introduction to the LonWorks System[Z].USA: Echelon Corporation, 2003.
[2] 马莉.智能控制与LON网络开发技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2003.
[3] Echelon. i.LON600 LonWorks/IP server user’s guide[Z]. USA: Echelon Corporation, 2003.
[4] 俞洪.神经元芯片与LonWorks节点的设计[J].电工技术,2004(3):89-91.
[5] Echelon. Neuron C programmer’s guide[Z]. USA: Echelon Corporation, 2002.
[6] Echelon.LonMaker for windows release 3.1 User′s Guide[Z].USA: Echelon Corporation, 2002.
[7] 雷霖.现场总线控制网路技术[M]. 北京：电子工业出版社，2005.