毕业设计（论文）-基于LONWORKS技术的空调自控系统设计.doc

共 67 页 第 i 页 基于 lonworks 技术的空调自控系统设计 摘要 目前，变风量（vav）空调系统以其巨大的节能潜力逐渐成为国内外空调系统的 主流。 本文通过对变风量空调实验系统的控制原理分析，结合设计要求，设计了以 lonworks 现场总线技术为主的控制网络体系，在设计中分别选取了六个 lonworks 的 输入、输出模块，来完成信号的传递和模块间的相互通讯，其中每个输入模块(送风 温度、管道静压、二氧化碳浓度)对应一个输出模块（水阀开度、变频器频率、新风 阀开度） ，传感器将现场信号传给输入模块，输入模块再通过双绞线传送至输出模块， 由输出模块中的 pid 控制器运算后，输出一个控制量给执行机构，完成了现场控制功 能。这样，不仅节省了导线成本，控制起来也更加及时方便，使控制系统更有保障。 另外，在系统的上位机运用了组态王软件，并结合 lonmaker for windows 软件设计 监控画面，实现系统的全程监控。 在对系统送风温度控制回路的调节器的参数进行整定时，使用了史密斯预估补偿 法来克服纯滞后环节对系统带来的影响；整定 vav 末端串级控制回路，采用“先内后 外”的原则， 并结合临界比例度整定法对系统进行了整定。此外，本文还运用了单 纯型法对 pid 参数进行优化，使得调节效果更加显著。 关键词 ：变风量空调， lonworks 技术，史密斯预估补偿， 寻优 共 67 页 第 ii 页 design of automatic control in vav system based on lonworks technology abstract nowadays, vav air-conditioning system has gradually become most popular in china and abroad because of its significant energy saving. according to analyzing the principle of control on vav experimental system and combining with the designing requirement，we select six input and output module of lonworks, to complete the transmission of the signal and mutual communication among the modules. one input module (air flow temperature, pipeline static pressure, carbon dioxide density) correspond to one output module (open degree of water valve, frequency of converter, open degree of new air flow valve). the transducers send the on the- spot signals to input modules, and then the input modules send it to output modules through the twist wire. these signals, which are operated by pid controller, are conversed into control signals. the control signals can drive actuator to complete the on-the-spot control. in this way , not only the cost of the wire can be saved, but also the control of the system can become more convenient , make the control system more safe. in addition, we use kingview 6.5 and lonmaker for windows soft ware designing the monitoring man-machine interface to monitor the whole system. when setting the parameters of the controller in the air flow temperature control loop, we select smith predictor to overcome disturbing, which was induced by delay links of the loop; when adjust the vav box series loops, we adjust the inter-loop firstly, after the inter-loop was adjusted well, we use the critical proportion method to adjust the outer-loop.by the way, a simplex method is adopted to find the best parameters. key words: vav air condition, lonworks technology, smith predictor，optimization 共 67 页 第 i 页 目 录 1 绪论 1 1.1 变风量空调概述 .1 1.1.1 变风量空调系统简介.1 1.1.2 变风量系统基本结构 .1 1.2.2 变风量空调系统的缺点与不足 .4 1.2.3 变风量空调系统的应用场合.5 1.3 变风量空调系统的研究现状 5 2 变风量空调系统的控制 .7 2.1 变风量空调系统的工作原理 7 2.2 变风量空调控制系统的分析.7 2.2.1 室内温度控制 8 2.2.2 新风量控制10 2.2.3 送风温度控制 .11 2.3 变风量控制系统的原理 .12 2.3.1 系统各回路的控制分析 .12 2.3.2 变风量空调系统的常见控制方式15 3 基于 lonworks 技术的自控系统方案设计 17 3.l lonworks技术介绍 17 3.1.1 lonworks 概述.17 3.1.2 lonworks 通信技术.17 3.1.3 lonpoint 概述.18 3.1.4 lonmaker for windows 集成工具 19 3.1.5 lns dde 服务器 .20 3.1.6 pclta-20 pci lontalk 适配器.20 3.1.7 ai-10 模拟量输入接口模块21 3.1.8 ao-10 模拟量输出接口模块21 3.1.9 终结器 .22 3.2 基于 lonworks技术的系统硬件设计22 3.2.1 lonworks 控制器.22 3.2.2 设备功能设计 .23 3.2.3 设计步骤 .23 3.3 lon 网络软件的设计、安装和监视37 3.3.1 用 lonmaker for windows 集成工具进行网络设计 38 共 67 页 第 ii 页 3.3.2 用 lonmaker browser 进行 lon 网络监视 39 4 空调自控系统仿真 .40 4.1 送风温度控制回路控制器设计40 4.1.1 回路模型建立 .40 4.1.2 参数整定40 4.1.3 史密斯预估补偿设计41 4.1.4 pid 参数的单纯形法寻优44 4.1.5pid 控制器的计算机数字化实现.49 4.2 vav 末端控制器设计52 4.2.1 末端控制回路分析52 4.2.2 模型建立 .53 4.2.3 控制器参数整定 .53 4.2.4 pid 控制器的计算机数字化实现57 5 结论与展望 .58 51 结论.58 52 展望.58 参考文献 .59 附录 1 系统控制原理图 .60 附录 2 系统结构示意图 .61 附录 3 设 备 清 单.62 致谢 .63 共 67 页 第 1 页 1 绪论 1.1 变风量空调概述 1.1.1 变风量空调系统简介 随着人民生活水平不断提高和科技水平的不断发展，空调系统已成为人们 生活中不可缺少的一部分。但是，随着空调系统的大量使用，其能量消耗问题 也日益突出。尤其是在欧美等一些发达国家, 空调能耗占整个建筑物能耗的 50%， 其中冷热源使用能量占 40%，输送系统占 60%。所以，采用有效的空气调节方 式对智能建筑的 emc（energy management control）系统节能具有重要意义。 变风量空调系统是通过改变送风量来调节和控制某一空调区域温度的一种 空调系统，属于全空气式空调方式。该系统是通过变风量箱调节送入房间的风 量或新回风混合比，并相应调节空调机组（ahu）的风量或新回风混合比来控 制某一空调区域温度的空调系统。它是通过向空调房间输送足够数量的经过 一定处理了的空气,用以消除室内的余热和余湿负荷,并且当室内负荷变化时, 用改变送风量的方法维持室内所需的温度和湿度的。送入房间的风量可按 确定的（g 为送风量，q 为空调房间室内负荷，为空气定)( onp ttcqg p c 压比热容，为室内空气温度和送风温度） 。由该式可知，当室内负荷 q 值 on tt , 发生变化而又需要使室内温度保持不变时，可将送风量 g 固定，而改变送风 n t 温度,对应于这种方式的空调系统一般称为定风量系统 cav（constant air o t volume） ；也可将送风温度固定，而改变送风量 g，这种空调系统则称为变风 o t 量系统 vav（variable air volume system） 。 1.1.2 变风量系统基本结构 变风量（vav）空调系统由空气处理机组（air-handling units） 、风道系 统（主风管、支风管） 、vav 末端装置（terminal units） 、送风散流器以及必 要的自控装置等五部分组成，具体介绍如下： 共 67 页 第 2 页 tt 新风 排风 回风 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 房间1房间2 送风管 回风管 图 1.1 变风量（vav）空调系统的结构原理图 1.新风门 2.混风门 3.排风门 4.过滤器 5.表冷器 6.喷淋器 7.变频风机 8.vav 末端装置 9.温度传感器 10.送风散流器 1）空气处理机组（air-handling units ,ahu） 空气处理机组(即空调机组)，是为满足空调房间对送风状态的要求而对空 气进行净化和热、湿处理的设备。空气处理设备由普通的新风隔栅、新风阀、 回风阀、送风阀、过滤器、预热器(如果需要的话)、表冷器和变容量送风机和 回风机组成。 2）风道系统 风道系统主要由送风管道和回风管道组成。可分为主风管道和支风管道。 3）vav 末端装置（vav terminal units） vav 末端装置是变风量系统的关键设备，它可以接受室温调节器的指令， 根据室温的高低，自动调节送风量，以满足室内负荷的需求。按变风量调节原 理分，vav 末端装置可以分为四种基本类型，即节流型，风机动力型（fan powered） 、双风道型和旁通型等四种。而在这四种类型中目前设计使用最多的 是节流型和风机动力型。 节流型 节流型变风量装置是最基本的变风量末端装置，它通过改变空气流到的截 共 67 页 第 3 页 面积而改变风量，其他几种都是在节流型的基础上变化发展起来的。 节流型变风量末端装置应该满足三点要求： a.能根据室内负荷变化自动调节送风量； b.应具有定风量的功能，不会因系统中其他风口风量调节而导致的冯道静 压变化引起该装置送风量的再变化； c.应避免节流时产生噪声及对室内气流组织产生不利影响。 风机动力型 风机动力型变风量末端装置（fan powered terminals）是在节流型变 风量末端装置中内置加压风机的产物。通过加压风机使来自回风道或吊顶内的 热风与以此风混合而后送入室内。根据加压风机与变风量阀的排列方式又分为 串联风机动力型和并联风机动力型两种。所谓串联风机动力型是指风机和变风 量阀串联内置，一次风既通过变风量阀，用通过风机加压；所谓并联风机动力 型是指风机和变风量阀并联内置，以此风只通过变风量阀，而不需通过风机加 压。 旁通型 旁通型是利用旁通风阀来改变送风量的一种变风量末端装置。当室内负荷 减小时只是将一部分风量送入室内，其余的部分经由旁通阀返回系统。但由于 它并不具备变风量系统的全部优点，因而可称期为“准”变风量系统。该系统 的特点是投资较低，但节能却很少，因为有大量送风直接旁通返回空调设备 ，系统总风量并未改变，风机能耗并未节省，所以目前使用不多。 双风道型 双风道型变风量末端装置用于采用冷热双风道的变风量系统中。它是由两 个风量调节装置及控制器组成。在室温控制器控制下，通过改变冷热风的混合 比例，以保持室温一定和最小风量。但冷热风的混合会造成能源浪费，而且这 种双风道所占空间大，系统造价昂贵和控制复杂，因而较少得到使用。 送风散流器 送风散流器位于各个房间的新风入口处，用于对新风进行散流。 共 67 页 第 4 页 5）必要的自控装置 除以上各装置外，对系统的监测和控制还需一些监测与控制装置，如温湿 度传感器，压力变送器，ddc 控制装置以及一些相关控制组件。 1.2 变风量空调系统的特点及适合应用的场合 1.2.1 变风量空调系统的优点 变风量（vav）空调系统可根据空调负荷的变化以及室内要求参数的 改变，自动调节空调送风量，以满足各个被调空间的要求，同时根据实际送风 量自动调节送风机转速，最大限度减少风机的动力，节约能量。因此，变风量 （vav）空调系统具有如下优点： 由于变风量控制系统通过调节送入房间的风量来适应负荷的变化，同 时在确定系统总风量时还可以考虑一定的同时使用系数，所以能节约风机消耗 和减少装机容量。 系统的灵活性较好，易于改、扩建，能实现局部区域（房间）的灵活 控制，可根据负荷的变化或个人的舒适要求自动调节工作环境，不用再加热方 式或双风管方式就能适应多种室内舒适要求或工艺设计要求。完全消除再加热 方式或双风管方式的冷热混合损失。 室内无过热过冷现象，由此可减少空调负荷 15%到 30%。 变风量（vav）空调系统是全空气系统（all-air-system） ，空气品质 好，没有风机盘管凝水问题和霉变问题。在过渡季节，还可以充分利用天然冷 源甚至全新风，其节能效益较高。 变风量空调系统的其它优点还包括具有良好的舒适性及自平衡特性，维护 非常方便，运行费用低等。 1.2.2 变风量空调系统的缺点与不足 虽然变风量系统有很多优点，但变风量空调系统不像其他的空调系统那样 始终能保证换气次数，气流组织和新风量；当风量过低而影响气流组织时则只 能以末端再热来代替进一步降低风量。根据国内外文献介绍，大部分变风量空 调系统或多或少的也暴露出了一些问题 共 67 页 第 5 页 1)从用户角度看主要有缺少新风，室内人员感到憋闷，房间内正压和负压 过大导致房门开启困难；室内噪声有时会偏大； 2）从系统运行管理方面看，主要有有时系统运行不稳定，有时系统的节 能效果不明显； 3）对于室内湿负荷变化较大的场合，如果采用室温控制而没有其他辅助 方法，很难保证室内温湿度同时达到要求； 4)目前变风量空调系统的初期投资较大。总之，变风量空调系统所存在的 和缺点其原因是多方面的，有的可能需要一定的技术支持才能解决，而有的可 能通过空调设计人员的精心设计就可以避免。 1.2.3 变风量空调系统的应用场合 目前变风量空调系统已经逐步地被应用于各种工程实践中。它适合负荷变 化较大的、多区域控制的以及有公用回风通道的建筑物。如办公室、银行、会 议中心、商场、宴会厅等。对于负荷变化较小的建筑物，采用变风量空调系统 的意义不大。例如在医院手术室、实验室等。 1.3 变风量空调系统的研究现状 变风量系统在国外已有几十年的运行实绩,其在理论上和应用中的研究都 较国内成熟，目前已成为商业建筑中最流行和最节能的空调系统。在国外一开 始，人们关注 vav 空调系统运行的稳定性和节能问题。并由此引出选用压力有 关型的末端装置还是选用压力无关型的末端装置的争论，有人认为压力有关型 的末端装置可以保证系统的稳定性也有人认为压力无关型末端装置的效果更好， 但随着 ddc 的出现和末端装置性能的提高以及控制策略的改进，目前压力无关 型的末端装置在广泛的被使用。对风量的控制基本上采用变频变静压方式。特 别指出的是，美国 20 世纪 80 年代出现“病态建筑症候”以后，国外对最小新 风量问题和室内空气质量（iaq）问题的研究成为热点。美国 ansi/ashrae 标 准 62-1989 对“可接受的室内空气品质”作了定义，并对最小新风量作了规定。 同时国外学者还关注变风量（vav）空调系统模型的建立和控制策略的研究， 并取得了一定的成果。 共 67 页 第 6 页 在国内，vav 系统的应用集中在香港地区，内地应用较少。而对于变风量 技术的研究仅始于 20 世纪 90 年代中期。学者们主要研究变风量系统的稳定性， 但由于系统的复杂性，取得的成果并不多。对于末端类型的选择和国外一样多 倾向于压力无关型末端。限于变静压的控制方式要求更高的硬件配置和较复杂 的控制策略，国内多采用定静压控制方式控制风量。国内研究的热点也是最小 新风量问题，和国外的研究水平差不多。专家们提出了各种各样的节能运行控 制方式，并提出了基于总风量的控制方式和变风量冰蓄冷空调系统这些新的思 想，推动了变风量技术的发展和应用。但局限的是，这些研究大都是在仿真下 完成的，还缺乏实践的验证。而在国内外，对于本论文研究的变风量空调系统 解耦问题的成果并不多，发表的有关文献也有限。总之，目前 vav 空调系统在 我国还处于初级阶段，应用和研究还很不成熟，国内的学者还需继续努力！ 共 67 页 第 7 页 2 变风量空调系统的控制 变风量空调系统随着空调负荷的变化需要随时改变房间送风量及系统总风 量，所以控制在此系统中就有十分重要的作用，只有实现了完善的控制，系统 才能实现正常运行，其本身的节能性、舒适性才能得到充分体现。 2.1 变风量空调系统的工作原理 变风量空调系统的基本工作原理就是通过改变送风量以适应空调负荷的变 化，维持空调房间的空调参数。在空调系统运行过程中，最大冷负荷出现的时 间不到总时间的 10%，全年平均负荷率仅为 50%，因此在绝大部分时间内，空 调系统处于部分负荷运行状态,而变风量（vav）空调系统则可以根据空调负荷 的变化以及室内要求参数的改变，自动调节空调送风量，以满足各个被调空间 的要求，同时根据实际送风量自动调节送风机转速，最大限度减少风机的动力 vav 系统通过减少送风量，从而降低了风机输送功耗，起到了明显的节能效果。 2.2 变风量空调控制系统的分析 tt 新风 排风 回风 房间1房间2 送风管 回风管 静压传感器 p th 送风温度 传感器 送风湿度 传感器 内含控制器 f f 风 门 控 制 器 图 2.1 变风量空调系统控制示意图 共 67 页 第 8 页 如图 2.1 所示，房间内的空气由回风道送回，其中一部分被排放掉，剩余 的一部分与室外新风混合，混合后的空气通过表冷器与冷却盘管内的冷冻水进 行热交换，同时也引起了湿度的变化，为了满足送风湿度的要求，加湿器还要 进行湿度处理，送风机根据被调空间所需风量，调整转速以满足对送风量的要 求。送风经由送风道送至各末端，末端装置根据房间负荷调节风阀开度给被调 空间提供所需风量。要想很好地控制该循环中房间的温度和湿度，送风量和送 风状态必须不断进行调整。完成这些工作的有效方法就是采用自动控制系统。 变风量空调控制系统一般包括如下几部分：室内温度控制（包括变风量 末端装置和送风机控制） ；新风量控制；室内正压控制；送风温度控制； 四部分既相互独立又相互联系。 2.2.1 室内温度控制 1）变风量末端控制 由于变风量末端装置的送风量不仅取决于风阀的位置（开度） ，实际上还 与入口处风道内的静压有关。当风阀的位置不变，但入口静压的增高会使送风 量增大。当系统中有其他末端装置作调节时，就会引起风道内的静压发生变化， 因而末端装置的送风量也会发生改变。所以变风量末端的基本控制模式可分为 两类。 压力相关型。控制模式是采用温控器直接控制风阀位置。变风量末端装 置的风阀位置直接由温控器根据室内实测温度与设点值之间的差值进行控制， 实际送风量则由入口处风道内的静压确定。风管内压力发生变化时，即使室内 温度未发生变化，风量也可能发生变化，压力相关型主要用于风管压力可以保 持不变的场合 。 压力无关型。控制模式是采用温控器直接控制送风量。变风量末端装置 内的风量传感器（或风速传感器）检测风管内风量（风速） ，室内温度控器根 据室内温度的变化重新修正控制器的风量设定值，控制器根据实测和设定值之 间的差值调节风阀开度。风阀的最大流量和最小流量是可调的，送风量与管内 压力变化无关。 2)变风量系统送风机的控制 共 67 页 第 9 页 变风量系统送风机的控制方法主要有三种，定静压法、变静压阀及 ddc， 在这三种控制中，风机变风量方式主要有出口风阀截流调节、入口导叶调节与 变转速调节三种。 定静压控制。所谓定静压法就是在送风系统管道的适当位置设置静压传感 器，测量该点静压，根据测到的静压和设定值，通过不断的调节空调箱送风机 的送风量以保持该点静压固定不变。定静压法中，系统运行静压监测控制常用 量两种方法。a.风机出口静压控制。静压传感器布置在风机出口位置附近，控 制器保持设计风量下所需静压；这种方法的优点是传感器可在生产厂安装调试， 可靠性高，无现场安装费用，可靠性高；缺点是不如其他方法节能。b.送风管 静压控制。静压传感器布置在风机出口到最远末端距离约 2/3 处，静压传感器 需现场安装，控制器保持设计风量下在设置点系统所需静压。 变频器静压调节器静压变送器 vav末端 vav末端 p 图 2.2 定静压法风机出口静压控制 变静压控制。为了解决静压传感器的设置和数量问题，推出了变静压 控制系统，就是带有风阀开度传感器、风量传感器和室内温控器的变风量末端 装置，根据风阀开度有系统控制器 sc 的计算来控制送风机的变频器，使任何 时候系统至少有一个变风量末端装置的风阀处于接近全开状态。具体的控制方 法是：当变风量末端装置的风阀全部处于中间状态时，表明系统静压过高，需 要调节并降低风机转速；当系统中有一台变风量末端装置的风阀处于全开状态， 且风量传感器检测的实际风量等于温控器的设定值，表明系统静压合适，风机 转速按最小静压运行；当系统中有一台变风量末端装置的风阀处于全开状态， 共 67 页 第 10 页 且风量传感器检测的实际风量低于温控器设定值，表明系统静压偏低，需要调 节并提高风机转速。 变静压法是最节能和现在最常用的控制方法。 直接数字控制（ddc） 。所谓直接数字控制（ddc） ，也就是最佳静压控 制，即由计算机参与的闭环控制过程，用计算机的输出去直接控制并与中央监 控相结合。 变频器系统控制器sc vav末端 vav末端 图 2.3 变静压系统控制示意图 2.2.2 新风量控制 在空调系统中，足够的新风量对于提供良好的室内空气品质（iaq）,保证 室内人员的亲切感和身体将康有着直接的意义。对定风量（cav）系统来说， 由于送风量在在运行过程中始终保持不变，因此新风量一旦设定，则系统在整 个运行期间都会满足要求。但变风量系统不同，其送风量在运行过程中随着负 荷减小而不断减小，如果不进行控制，则新风量也将随送风量成比例减少，再 负荷很低的情况下，就与可能出现新风量不足的情况。因此必须对最小新风量 进行控制。目前现行的最小新风量控制方法主要有：a.新风量直接测量法；b. 风机跟踪法；c.新风风机风量控制法；d.二氧化碳浓度控制法；e.多风机变风 量新风控制法。 下面主要介绍二氧化碳浓度监控法，这是一种全新的控制方法，它用二氧化 碳变送器测量回风管中的二氧化碳浓度并转化为标准电信号，送入调节器来控 制新风阀的开度，以保持足够的新风。当二氧化碳浓度高于整定值时，即新风 量不足，要增大新风阀的开度来增加新风量。 共 67 页 第 11 页 co2变送器调节器 新风阀 图 2.4 新风量浓度控制 2 co 2.2.3 送风温度控制 变风量系统的基本特点是变送风量，定送风温度，变风量末端装置的送 风量是由室内温度设定值控制，与送风温度无关，但如果送风温度的设定不合 理有可能造成末端装置的噪声过大，耗能过高。由于变风量空调系统这种采用 固定送风温度而改变送风量的方式，所以必须对送风温度加以控制使其维持一 定值。对送风温度的控制可通过送风温度传感器测量实际送风温度与设定送风 温度的差值，并调节电动水阀的冷冻水流量来实现如图。 送风温度设定c房间 t sp pv t 图 2.5 送风温度控制回路示意图 共 67 页 第 12 页 2.3 变风量控制系统的原理 机组 表冷器风机 变送器调节器 三通阀 变送器调节器 变频器 风阀 温控器vav控制器 风量传感器 温度传感器 回风阀 新风阀 调节器 新风 回风道 co2浓度传感器 t f p 图 2.6 单风道变风量空调系统控制结构图 图 2.6 为单风道变风量空调系统控制结构方框图 。控制回路由送风温度 控制、风机转速(静压点静压控制)、室内温度控制及新风量控制(二氧化碳浓 度控制)四个回路组成。为了方便分析，这里认为各控制回路独立系统作为一 个 siso 系统整体考虑和控制。系统的工作原理是，夏季，当某个房间的温度 低于设定值时，温度控制器就会调节变风量末端装置中新风阀门的开度，以减 小送入该房间的风量，由于系统阻力增加，引起送风静压升高，当静压超过设 定值时，静压控制器通过调节风机转速减少系统的总的送风量。送风量的减少 导致送回风量差值的减少，送回风量匹配控制器减少回风量以维持设定值。同 时，为保证送风温度，表冷器冷冻水流量相应减少。风道压力的变化将导致新 风量的变化，控制器将调节新风、回风阀门来保证新风量。当房间温度高于设 定值时，调节过程相反。可见，各房间的风量调节和系统总风量调节是变风量 （vav）空调系统的控制的关键，其他回路调节必须紧密配合它们，才能使变 风量（vav）空调系统稳定工作。 2.3.1 系统各回路的控制分析 共 67 页 第 13 页 由前面分析我们知道，变风量系统的控制回路主要由水阀-送风温度控 制、变频风机-送风管道静压点静压控制、送风量-室内温度控制及新风 量-二氧化碳浓度控制四个回路组成。 1） 送风温度控制回路 图为变风量空调系统送风温度控制回路框图，由于变风量空调系统采用固 定送风温度而改变送风量的方式，所以必须对送风温度加以控制使其维持一定 值。对送风温度的控制可通过送风温度传感器测量实际送风温度与设定送风温 度的差值，并调节电动三通水阀的冷冻水流量来实现。 调节器 换热器 水阀 设定送风温度 送风温度 温度传感器 管道 图 2.7 送风温度控制回路原理图 2）送风静压控制回路 图为变风量空调系统送风管道静压点静压控制回路框图。在变风量空调系 统中，根据静压传感器的信号来测量送风管道静压点的静压变化，并将其与静 压设定值相比较，根据其差值来调节变频器以改变风机转速，使得送风管道静 压点的静压值始终保持不变。 调节器 静压传感器 管道 变频风机 静压值 设定静压值 图 2.8 静压控制回路框图 共 67 页 第 14 页 3）室内温度控制回路 图为变风量空调系统室温控制回路框图。由该框图可以看出，在该控制回 路中采用了一个串级控制回路。 房间温度 vav控制器 温控器 温度传感器 末端风阀房间 风量传感器 设定温度 图 2.9 室内温度控制回路 根据不同扰动，该串级控制回路的工作过程如下： 当二次扰动来自管道压力变化时，扰动先影响室内送风量，于是副调 节器立即发出校正信号，控制调节阀的开度，克服管道压力变化对室内送风量 的影响。如果扰动量不大，经过副回路的及时控制一般不影响室内温度；如果 扰动的幅值较大，虽然经过副回路的及时校正，但还将影响室内温度，此时再 由主回路的进一步调节，从而完全克服上述扰动，使室内温度回到给定值上来。 当一次扰动来自如房间内冷（热）源及室内人员流动等变化时，扰动 使室内温度发生变化，主回路产生校正作用，克服一次扰动对室内温度的影响。 由于副回路的存在，加快了校正作用，使一次扰动对室内温度的影响比单回路 系统时要小。 一次扰动和二次扰动同时存在时，夏季工况下，如果一次扰动的作用 使室内温度升高（降低）而二次扰动使送风量减小（增大）时，主、副调节器 对调节阀的控制方向是一致的，即大幅度开大（减小）阀门，加强控制作用使 室内温度很快地调回到给定值上。如果一次扰动的作用使室内温度降低（升高） 而二次扰动使送风量减小（增大）时，此时主、副调节器对调节阀的控制方向 是相反的，调节阀的开度只要做较小变动即可满足控制要求。 综上所述，变风量空调系统室内温度控制回路的串级控制系统的副调节器 共 67 页 第 15 页 具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到 进一步提高。 4）新风量控制回路 图为变风量空调系统新风量控制回路框图，采用了二氧化碳浓度控制法。 co2浓度 新风阀 调节器 co2浓度传感器 空调系统 设定co2浓度 图 2.10 新风量控制回路 通过测量空调系统回风管道中的二氧化碳浓度，并与设定的二氧化碳浓度 相比较，控制新风阀门的开度，来达到新风量控制的目的。 2.3.2 变风量空调系统的常见控制方式 根据前面介绍的控制原理，即对系统的控制要求，国内外变风量（vav） 空调系统控制方式主要有以下三种： 定静压控制方式 所谓定静压控制就是通过调节风机转速来保持风道上某一点的静压恒 定不变，从而保证各个末端装置进行风量调节时其它末端装置在该设定静压值 下都可获得自己所需风量。它是变风量（vav）空调系统最早使用的控制方式， 在欧美设计市场比较流行，由于该方式已有多年的运行经验，因此国内普遍使 用的仍是这种方式。 虽然该控制方式原理简单，但其自身存在缺点，突出表现在系统的压力 测量点在工程实际中很难选择，通常只能选用折衷点而非最佳点，如果该设置 点没有代表性会使变风量（vav）空调系统调试困难；其次，系统达不到最佳 节能效果。所以，这种方式在日本设计市场已不被采用，其它国家的设计市场 也逐渐被取代。 变静压控制方式 共 67 页 第 16 页 变静压控制是在定静压控制的基础上，不断的改变送风静压设定值，在 保证系统送风量要求的同时始终保证系统中至少有一个末端装置的风阀至于全 开状态，即尽量使静压保持在允许的最低值。变静压控制方式虽然仍属于静压 控制方式，但与定静压相比，它显然可以节能。因为定静压控制方式下，系统 在低负荷运行时，末端风阀不得不关小开度以减小风量，此时消耗在末端装置 上的静压显然要比风阀全开状态提供同样大小风量所需静压要大。所以，变静 压控制可以大大节省风机能耗。变静压控制也称作最小静压控制，它是当今国 内外变风量空调设计者关瞩的热点问题。 但变静压控制方式的一个关键问题是通过何种手段来重新设定静压值， 这是变静压控制所面临的比较棘手的问题。国内外一些相关文献有的提出了 vav box 集中控制的方案，有的在 dcs 控制系统的基础上提出了根据末端风量 的极限报警来重新设定风道静压的控制策略。还有的提出了针对模拟式自动控 制器的试错法控制策略和针对数字式自动控制器的计算法控制策略。一些工程 师与控制人员同样提出了许多解决方案,如基于 ddc 控制系统依据各末端风阀 的最大开度的个数实行静压优化的控制策略;总风量前馈，静压反馈的变静压 控制策略。但这些控制策略都有待工程进一步验证。 总风量控制方式 前面谈到的两种控制方式都属于静压控制方式，但由于压力控制环节和 末端流量控制环节存在一定的耦合特性，所以容易引起系统的压力调节震荡现 象。如果能摆脱压力控制，而又能很好地实现对风机的变频调节，则可克服震 荡现象。因此，国内学者便提出了基于总风量的控制方式。 所谓总风量控制就是根据各末端设定的风量之和调节送风机转速，以满 足各房间所要求的的风量。该控制方法与静压控制的主要区别就是总风量控制 法不再监测、调控静压点的压力值，而是直接统计各末端要求的风量之和，据 此总风量而调节风机的转速。该控制方法需借助于现代建筑 bas 的 dcs 控制系 统，它属于前馈控制方式。 变风量（vav）空调系统的三种方法，各有自己的优点和不足，但在实 际工程中定静压控制仍是最常采用的控制方式。 共 67 页 第 17 页 3 基于 lonworks 技术的自控系统方案设计 3.l lonworks 技术介绍 3.1.1 lonworks 概述 lonworks（局部操作网络）技术是现场总线技术中最具典型性的一种，专 为实时控制而设计，使控制层提供互操作的现场总线。它是由美国 echelon 公 司推出并与摩托罗拉、东芝公司共同倡导而形成的。它采用了 iso/osi 模型的 全部七层通信协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设 计简化为参数设置，其通信速率从 300bps 至 1.5mbps 不等，直接通信距离可 达 2700m；支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信 介质，并开发了相应的本质安全产品。 lonworks 技术所采用的 lontalk 协议被封装在称之为 neuron 的神经元芯 片中。集成芯片中有 3 个 8 位 cpu，一个用于完成开放互连模型中第 1 和第 2 层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理；第二个用 于完成第 3 至第 6 层的功能，称为网络处理器，进行网络变量的寻址、处理、 背景诊断、路径选择、软件计时、网络管理，并负责网络通信控制，收发数据 包等；第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存 储信息缓冲区，以实现 cpu 之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。 lonworks 系统一般包括神经元芯片、收发器和控制模块、网络接口产品模 块及开发平台等。它的核心技术主要有 lonworks 节点、路由器、lontalk 协议， lonworks 收发器、lonworks 网络和节点开发器。 3.1.2 lonworks 通信技术 表 3.1 列出的是对应七层 osi 参考模型的 lontalk 协议为每层提供的服务。 表 3.1 lontalk 协议层 共 67 页 第 18 页 osi 层 目 的 提 供 的 服 务 cpu 7 应用层应用兼容 性 lonmarks 对象，配置特性， 标准网络变量类型(snvts)， 文件传输 应用 cpu 6 表示层 数据翻译 网络变量，应用消息，外 来帧传送，网络接口 网络 cpu 5 会晤层远程操作请求/响应，鉴别，网络服务网络 cpu 4 传输层端对端通 信的可靠 性 应答消息，非应答消息， 双重检查，通用排序 网络 cpu 3 网络层寻址 点对点寻址，多点之间广 播 式寻址，路由信息 网络 cpu 2 链路层介质访问 以及组帧 组帧，数据，编码，crc 错误检查，可预测 csma，冲 突避免，优先级，冲突检测 mac cpu 1 物理层物理连接特定传输媒介的接口，调制 方案 mac cpu， xcvr neuron 芯片上的 3 个 cpu 共同执行一个完整的七层网络协议，该协议遵循 国际标准化组织（iso）的 osi（open system interconnection）标准，支持 灵活编址，单个网络可存在多种类型的通信媒体构成的多种通道，网上任一节 点使用 lontalk 协议可与同一网上的其它节点互相通信。 lontalk 寻址体系由三级构成。最高一级是域，只有在同一个域中的节点 才能相互通信。第二级是子网，每个域可以有多达 255 个的子网。第三级是节 点，每个子网可有多达 127 个节点。节点还可以编成组，构成组的节点可以是 不同子网中的节点，一个域内可指定 256 个组。 3.1.3 lonpoint 概述 lonpoint 是一系列产品，设计用于把新的和传统的传感器、执行器以及 共 67 页 第 19 页 lonmark 装置集成为一个经济、可互操作的控制系统以供楼宇和工业应用。传 统的控制网络使用以昂贵的专用控制器为基础的分级体系结构；而 lonpoint 系统提供一种非等级的系统体系结构，在该非等级体系结构中，每一节点执行 某些控制操作。把操作分布在整个网络上就降低了总的安装和工作时间、费用， 使单独的故障点减至最少，从而提高了可靠性。此外，还提供了灵活性，使系 统能适应广泛的用途。 lonpoint 不仅提供了非等级体系结构，还提供了 lns 网络操作系统的多用 户能力、神经元芯片和 lontalk 协议的分布式操作和自由拓扑的接线灵活性。 lonpoint 系统由以 lns 为基础的 lonmaker for windows 集成工具、lonpoint plug-in 软件、 lonpoint 应用程序、lonpoint 接口模块、路由器和调度模块 构成。 3.1.4 lonmaker for windows 集成工具 lonmaker for windows 集成工具用于设计、安装和维护多销售商、开放 的互可操作的 lonworks 控制网络。以 echelon 公司的 lns 网络操作系统为基 础，lonmaker 工具把强大的客户-服务器体系结构和易于使用的 visio 用户 接口综合起来，使该工具足以设计、调试和维护一个分布式的控制网络。 lonmaker 工具向 lonmark 装置以及其它 lonmark 装置提供综合性支持。该 工具充分利用了 lonmark 特点，如标准功能简表、配置属性、资源文件和网络 变量别名等。lonmark 功能简表由 lonmaker 图内的图形功能块显示，便于编 制控制系统的逻辑文件。 用 lonmaker 工具进行网络设计，既可以在现场做，也可以离开现场做。 这一特点，对于较小网络或经常要增加、移动和改变节点的场合是特别理想的。 lonmaker 工具向用户提供用于设计控制系统的熟悉的环境。visio 灵巧的 图形描绘特点提供了建立装置的简单直观方法。lonmaker 工具包括许多 lonworks 网络用的精致图形，用户也可自己建立新的定制图形。定制图形可以 简单到只是单一的装置或功能块，也可能复杂到是带有预先定义的装置、功能 块和它们之间的连接的一个完整系统。使用定制子系统图形，可以建立额外的 子系统，只要简单地把图形拉到一个新的绘图页，这在设计复杂系统时能够节 共 67 页 第 20 页 约时间。把网络变量加到子系统图形上，可以把任何子系统转变成一个超级节 点。超级节点通过一个简化接口面向一系列装置，可节约设计时间。 由于安装员能在同一时间内调试多个装置，网络安装时间降到最少。装置 的识别可以用 server pin、条行码扫描、闪烁（wink） 、手动输入 id 或自动恢 复等方式。对于含有嵌入网络的系统，可使用“自动发现”来查找和调试系统 中的装置。浏览网络变量和配置属性的一个集成应用程序简化了测试和配置属 性。提供一个管理窗口来测试、使能（enable）/不使能（disable）或强制 （override）装置内的个别功能块或测试、闪烁（wink） 、把装置置于在线 （online）和离线（offline）状态。 3.1.5 lns dde 服务器 lns dde 服务器是一个软件包，它使任何与 dde 兼容的 microsoft windows 应用程序能监控 lonworks 控制网络而无需编程。lns dde 服务器典型 的应用包括对 hmi 应用程序、数据记录和趋势分析应用程序和图象处理显示提 供接口。 lns 是 lonworks 网络上的开放的标准操作系统。以强大的客户-服务器体 系结构为基础使多个安装人员或维修人员可以同时取用并修改一个共同数据库。 通过连接 lns 和 microsoft dde 规约，与 dde 兼容的 windows 应用程序可以与 lonworks 装置相互作用。 lns dde 服系器把 lonworks 网络连接到楼宇、工厂处理装置、半导体制造 和其他工商业应用的控制系统的操作界面。它的软件用途数百种而且和 wonderware in touch、intellution fix、usdata factory link、national instruments lab view 和 bridge view 兼容。lns dde 服务器也支持 wonderware 的 fastdde 规约，以提高使用 intouch 的性能。 一旦网络用与 lns 兼容的安装工具例如 echelon 公司的 lonmaker for windows 集成工具调试后，lns dde 服务器自动取用安装工具建立的数据库， lns 能确保所需信息已在 lns 数据库中备用。 3.1.6 pclta-20 pci lontalk 适配器 pclta-20 pc lontalk 适配器是高性能的 lonworks 接口卡，用于装有 32 共 67 页 第 21 页 位 pci 接口和兼容操作系统的个人电脑。该卡可使 pc 对 lonworks 控制网络进 行监视、管理或诊断，可用于工业控制、楼宇自动化或过程控制等。pclta-20 适配器既有集成的双绞线收发器，也有 smx 收发器接口，卡上有可下载的存储 器，网络管理接口，并支持 microsoft windows 95/98/2000 和 windows nt 的 即插即用功能。 pclta-20 适配器不仅为 lns 工具提供了 lns 网络接口功能，而且对使用 lonmanager api 工具提供了与微处理器接口程序（mip）相兼容的网络接口功 能。 lns 网络操作系统允许任何数量的安装、维护、监视和控制节点共存于同 一系统中，而且可以自动匹配网络配置的修改。用户可以在网络的任一接口节 点上重新配置系统，而且根据系统的配置，所有的监视和控制可以及时更新。 在使用合适的软件时，pclta-20 适配器的 lns 网络接口功能允许连接的主机运 行 lns 应用程序。 在 lns 网络接口模式和 mip 模式下，适配器允许把主机作为一个 l