（计算机应用技术专业论文）应用于变风量（vav）空调系统的模糊自适应控制研究.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 应用于变风量( v a v ) 空调系统的模糊自适应控制研究 专 业：计算机应用技术 硕士生：于瑛 指导教师：任庆昌教授 摘要 从节能和提高室内环境质量的角度来看，暖通空调( h v a c ) 自控系统是楼宇 自动化中最重要的系统。因此，采用有效的空气调节方式对智能建筑的能量管理 控制具有重要意义。目前，变风量( v a r i a b l ea i rv o l u m e ，w ) 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。由于v a v 空调系统具有非线性、时 变和负荷经常变化等情况，常规的p i d 控制方法难以有效的对其进行控制。本论 文对模糊控制和模型参考自适应控制进行了研究，提出了基于模型参考的模糊自 适应控制方案。 本论文用工程的方法得到参考模型，应用模糊控制器实时整定p i 控制器的参 数，使得对象输出动态的跟随参考模型的输出。运用阶跃响应经验建模的方法， 得到了v a v 空调系统机组侧变频风机风道静压回路的模型。在m a t l a b 环 境下分别进行设定值改变、对象特性改变和加随机扰动三个环节的系统仿真实验。 仿真结果达到控制要求，证明了模型参考模糊自适应控制方案的可行性，为今后 在工程实践中应用奠定了基础。 关键词：变风量( ) 空调系统；参考模型：模糊自适应控制；l o n 网络 西安建筑科技大学硕士学位论文 s t u d yo nf u z z ya d a p t i v ec o n t r o l f o rv a r i a b l ea i rv o l u m e ( v a v ) a i r _ c o n d i t i o n i n gs y s t e ma p p l i c a t i o n m a j o r ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y n a m e ：y uy i n g i n s t r u c t o r ：p r o f r e nq i n g c h a n g a b s t r a c t o fa l lt h eb u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m s ( b a s ) ，h e a t i n g ，v e n t i l a t i n ga n d a i r - c o n d i t i o n i n g ( h v a c ) s y s t e m sa r em o s ti m p o r t a n tf r o mt h ev i e w p o i n to fs a v i n g e n e r g ya n di m p r o v i n gt h eq u a l i t yo ft h ei n d o o re n v i r o n m e n t t h e m f o r e ，a d o p t i n g e f f i c i e n tc o n t r o ls t r a t e g i e sf o ra i r - c o n d i t i o n i n gp l a y sav i t a lr o l ei nd e v e l o p i n gi m p r o v e d e n e r g ym a n a g e m e n tc o n t r o l ( e m c ) s y s t e m so fi n t e l l i g e n tb u i l d i n g s ( m ) n o w a d a y s ， t h ev a r i a b l ea i rv o l u m e ( v a v ) a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mh a sg r a d u a l l yb e c o m em o s t p o p u l a r i nc h i n aa n da b r o a db e c a u s eo fi t s s i g n i f i c a n te n e r g ys a v i n g v a v a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mc a nn o tb ec o n t r o l l e de f f e c t i v e l yb yt r a d i t i o n a lp i d ，f o rw h i c h h a v et h ec h a r a c t e r so fn o n - l i n e a r , t i m ev a r y i n ga n df r e q u e n t l yc h a n g i n go fh o to rl o a d s t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e st h ef u z z ya d a p t i v ec o n t r o ls c h e m eb a s e do nr e f e r e n c em o d e l b yt h es t u d yo f t h ef u z z yc o n t r o la n dm o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v ec o n t r 0 1 t h i sd i s s e r t a t i o no b t a i n sar e f e r e n c em o d e lw i t he n g i n e e r i n gm e t h o d s ，a n dm a k e s u s eo f f u z z yc o n t r o l l e rt or e v i s ep a r a m e t e r so f p ic o n t r o l l e rt i m e l y , s oa st ot h eo u t p u to f c o n t r o l l e do b j e c tf o l l o w i n gt h eo u t p u to fr e f e r e n c em o d e l t h em o d e lo ff r e q u e n c y c o n v e r s i o nb l o w e 卜w i n d h 0 1 es t a t i cp r e s s u r el o o pi n v a va i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mi s g o tb yt h es t e pr e s p o n s ee x p e r i e n c e t h e nu n d e rt h em a t l a be n v i r o n m e n t ，a u t h o rh a s d o n es y s t e ms i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sb ya l t e r i n gg i v e nv a l u e ，c h a n g i n gc o n t r o l l e do b j e c t c h a r a c t e r i s t i ca n da d d i n gr a n d o md i s t u r b a n c e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss a t i s f yt h e d e m a n d so fc o n t r o la n dv a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo fm o d e lr e f e r e n c ef u z z ya d a p t i v e c o n t r o ls c h e m e ，w h i c hl a yt h eg r o u n dw o r kf o rf u t u r ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e k e y w o r d s ：v a r i a b l ea i rv o l u m e ( v a v ) a i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m ，r e f e r e n c em o d e l ， f u z z ya d a p t i v ec o n t r o l ，l o nn e t w o r k 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：才殡 日期：加自、j 每g 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 f 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：孑瑛 导师签名：f ，主袤移日期：矽形_ 厂础 注：请将此页附在论文首页 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 变风量( ) 空调系统概述 现有能源开发和利用新能源成为制冷空调新产品研制过程中考虑的重要因 素。因此节能技术的开展应用是非常必要和紧迫的，改进、设计高能效的制冷空 调装置的意义十分重大川。节能技术的应用一方面可直接缓解全球所面临的能源危 机问题，同时也有利于全球气候变化。由于大多数人工合成的制冷工质除了其本 身会直接造成全球变暖效应外，使用这些工质的制冷空调装置耗能( 主要指电能 和燃烧化石) 很大。变风量系统( v a r i a b l ea i r v o l u m es y s t e m ) 2 0 世纪6 0 年代诞生 在美国，它是一个新兴的技术。它的兴起一方面是因为其本身的优越性；另一方 面，也是顺应了现代社会发展的要求。随着当今科技的迅猛发展，能源在工业生 产与民用生活中消耗量日益增大，最终将会出现能源枯竭。而制冷空调作为一个 高能耗的产业，能源利用问题尤其关键，而且由于燃烧燃料引起的c 0 2 排放也会 造成全球变暖的间接温室效应。节能技术可大大提高装置的能效，减少能耗，从 而减少c 0 2 排放量。21 世纪是节能的时代，变风量空调系统作为一种节能系统， 对其进行研究开发并实用化是非常有必要的。 1 1 1 变风量空调系统的概念 对于全空气系统而言，在空调负荷发生变化时，一般可以通过两种途径来维 持室内所需要的温度和相对湿度：一种是固定送风量不变，而改变送风的温度； 另一种则是固定送风温度，而改变送入室内的风量。我们把后者称为变风量空调 系统( v a r i a b l ea i rv o l u m es y s t e m ) ，英文简称为v a v 系统。v a v 系统是通过变风 量阀调节送入房间的一次风量，并相应调节空调机组的处理风量来控制某一空调 区域温度的一种空调系统。值得注意的是口l ： ( 1 ) 变风量系统改变的是进入房间的一次风量。有的变风量箱( wb o x ) 则是保持送风量不变，而通过变风量阀改变一次风量与回风的混合比例，来实现 随负荷的变化。 ( 2 ) 区域温度的控制由变风量箱来实现。即通过气动或电动或d d c ( 直接数 字控制) 来控制变风量阀的开度，调节一次风量；或通过调节变风量阀的开度， 调节一次风量；或通过调节变风量箱中的风机转速来调节送风量；或通过调节旁 通风阀来实现。 ( 3 ) 空调机组的送风量应根据送风管内的静压值进行相应调节，与变风量箱 减少或者增加送风量以控制房间温度时相呼应，一般地，空调机组送风机的性能 曲线应相当平缓，从而使得风量的减少不至于使送风静压过快升高。 1 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 2 变风量空调系统的优点 ( 1 ) v a v 系统与传统的定风量空调系统( c o n s t a n ta i rv o l u m es y s t e m ，简称 c a v ) 相比，更能符合“以人为本”的目的，满足了个人不同的健康、舒适要求，提 升了空调系统的档次与品质。 v a v 系统是根据室内负荷的变化来改变送入室内的凤量与冷量的。在低负荷 情况下，v a v 系统不会像c a v 系统那样送入不变量的一次风而导致室内人员过冷 或过热。因此，v a v 系统充分考虑了人员的热舒适要求。而新型的串联式f p b 变 风量末端在保证人员热舒适的前提下，增加了工矿环境下室内空气的有效流动， 进一步提高了室内空气品质( i a q ) ，有益于人员的健康。 ( 2 ) v a v 系统与c a v 系统相比较，具有显著的节能性。 普通集中式空调系统的送风量通常是全年固定不变的，并且按房间最大热湿 负荷确定送风量。而在系统实际运行中，房间热湿负荷不可能经常处于最大值， 而是在全年的大部分时间低于最大值。当室内负荷减少时，c a v 系统是靠调解再 热的方式来提高送风温度以维持室温的，存在很大程度上的冷热抵消。而v a v 系 统的末端装置则通过改变送入房间的风量来适应负荷的变化，这就意味着整个空 调系统的供冷量可以随着负荷的变化而在建筑物的各个方位之间自动转移，充分 利用了在同一时刻建筑物各个朝向的负荷参差不齐这一特点，减少了系统的总负 荷量，并且没有冷热抵消的不合理能耗。可见v a v 系统与c a v 系统相比，不仅节 约了用以提高送风温度所需的再热量，而且由于处理的一次风量的减少，降低了 风机的功率电耗，一定程度上还减少了风道及保温用料，同时也相应减少了制冷 机的冷量。根据国外有关数据，v a v 系统与c a v 系统相比，全年的空气输送能耗 可节约3 0 以上，设备装机容量可减少1 0 3 0 ( 考虑到各房间的同时使用系数) ， 全年节能总量高达2 0 4 0 【j j 。 ( 3 ) v a v 系统与风机盘管系统相比，有利于创造良好的空气品质。 由于v a v 系统属于全空气系统，与风机盘管相比具有明显的好处：冷冻水管 与冷凝水管不进入建筑吊顶空间，因而免除了盘管凝水和霉变的问题：同时以此 风能够得到全面、集中的过滤、加湿、杀菌、消声处理，并能有效地利用新风、 抑制细菌滋生。这些都有利于提供比较良好的室内空气品质( i a q ) ，提高人们对 空调环境的满意程度。 ( 4 ) v a v 系统实现了各房间、区域的灵活准确控制。 v a v 系统可以通过d d c 控制末端变风量箱，准确实现各房间温度自动控制。 而且各个房间可以独立的选择自己要求的控制温度。 ( 5 ) v a v 系统可实现各空调区域的远程监视与控制。 采用d d cv a v 系统联网智能楼宇控制系统( b u i l d i n gm a n a g e m e n ts y s t e m ，简 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 称b m s ) 后，控制人员可以从中央控制站读取各房间或各区域的实际温度和送风 量，同时也可以监控空调机组的送风量、水温、电流、功率等运行参数，在需要 改变房间的设定值时，不需要进入房间，爬上吊顶去调节阀门，而只需在微机上 修改相应的参数设定值即可。 ( 6 ) v a v 系统可以实现效果令人满意的“低温送风”。 在采用特殊的高诱导比的末端装置送风散流器时，室内空气分布较为均匀。 这样，送风的温度可以适当降低，即使在部分负荷、送风量减少的情况下，也不 会引起不舒适的“下沉”冷气流。这就为实现“低温送风”创造了有利的条件。同时送 风管的尺寸就可以减小，末端装置的数量也可以减少。 ( 7 ) 系统简化了原本复杂的风量平衡调试工作。 实际上，v a v 系统甚至不必进行风量平衡调试就可以得到满意的平衡效果。 末端装置上的风量调节器可以手动设定在预先确定的需要空气量上，系统的风量 平衡只要调节新风、回风和排风的阀门就可以了。 ( 8 ) v a v 系统的灵活性较好，易于改、扩建，尤其适用于格局多变的建筑。 例如大型民用建筑的裙房部分、写字楼等，当其用途改变或结构重新格断时， 可能只需要更换支管和末端装置，移动风口位置，甚至仅仅只需要重新设定一下 室内温控器即可【4 j 。 ( 9 ) 与其它形式的空调系统结合，可降低初投资。 蓄冷空调和v a v 空调系统相结合，采用低温送风，可有效的降低蓄冰系统的 初投资；水源热泵和y a v 空调系统相结合，可以在每层设置数台水源热泵，而不 必在每个房间都安装一台，这样，不仅可以显著减少水源热泵系统的初投资，而 且可以避免水源热泵的噪音问题；直接蒸发式风冷热泵机组与v a v 空调系统相结 合，用于中小型建筑中，省去了水系统( 如水管、水泵、膨胀水箱、水处理设备 及阀门等) ，有效减少了投资，突出体现了v a v 系统的优越性【5 】。 1 1 3 变风量空调系统的应用 v a v 系统常常被应用于办公性建筑物或学校建筑物，通常是因为这些建筑物 的各个房间往往都要求对室温进行单独的控制。但是，v a v 系统并不仅限于这些 场合，它还可以广泛应用于商店、购物中心、图书馆、医院等各类民用建筑中， 甚至也可以应用于某些工业建筑中。总之，一般来说，凡是可以采用全空气系统 的地方，都可以采用v a v 系统。 归纳来说，在以下场合采用v a v 系统，更能发挥其卓越的节能优势：负荷 变化较大的建筑物。多区域控制的建筑物。具有内外分区的建筑物。改建 工程的建筑物。格局多变的建筑物。公用回风通道的建筑物。层高不是很 高的建筑物【6 j 。 西安建筑科技大学硕士学位论文 变风量系统的研究在我国才刚刚起步，它不同于传统的定风量调节方式而是 通过改变送入房间的风量来满足室内变化的负荷的，由于空调系统大部分时间在 部分负荷下运作，因此变风量的空气调节方式使得风机能耗极大的降低，这是它 的一个显著优势；同时，现代的办公大楼智能化程度的提高也要求相应的空调系 统更加舒适、安全和节能且具备智能化功能；另外，微电子技术的日新月异，大 规模集成电路的成本大幅度降低，也为变风量( v a v ) 空调系统控制的电子化奠定 了基础；而且，变风量空调系统灵活性较好，易于改、扩建，尤其适用于格局多 变的建筑，基于以上因素，有着先进的空气调节方式和节能效果的变风量空调技 术便得到迅速而广泛的应用【3 1 1 6 。 1 2 模糊自适应控制在暖通空调系统( m ，a c ) 中的应用 我国在八十年代初曾经引进过变风量系统，但由于对系统性能不够了解，致 使系统不能按设计要求运行。一时间变风量系统的应用和研究停顿了下来。但近 年来随着我国经济的发展，变风量空调系统因其节能显著、易于多区域控制及其 舒适的效果等优点又受到了工程技术人员的重视，变风量空调系统在我国许多高 级办公楼也已设计施工并相继投入使用。厦门国际会展中心于1 9 9 8 年着手设计， 其中办公室及会议室均采用变风量空调系统，工程于2 0 0 0 年9 月正式投入使用， 并成为厦门乃至福建省为数不多的一个变风量空调系统实例。节能分析表明假如 风机全年平均在6 0 的负荷下运行，风机功率可节约4 4 ，若一年运行1 0 0 天， 一天按8 小时计，每年将节约用电1 4 万度。 由于变风量空调系统的节能潜力巨大，因此，对空调系统的控制显得尤为重 要【7 1 。一直以来，在空调系统的许多控制方法中，p i d ( 比例一积分一微分) 方法 最为普遍。但是在变风量系统中，送入房间的风量是随着房间负荷的变化而变化 的，空调房间的特性参数又是随着系统运行风量的变化而变化的，所以变风量系 统是一个时变系统；另外，外界气候和空调区域内的人员活动的变化较大，对系 统形成很大的扰动，所以变风量系统又是一个大扰动系统。对于这样带有时滞、 大扰动、时变得系统，传统的p i d 控制器参数整定是比较困难的【8 】1 9 j 。 为了克服传统p i d 控制器的不足，就需要对其参数进行整定以获得最佳的控 制参数。自1 9 8 8 年a s t r o m 和h a g g l u n d 发表( ( p i d 控制器自整定以来，p i d 参 数自整定方法和技术成为竞相研究的对象，并取得了很大的成果，相继在先进的 控制仪表和系统中采用。近几年来，国外的一些公司如美国h o n e y w e l l f o x b o r o ， 日本横河、东芝、富士通，英国欧陆等公司相继推出了各自的自整定p i d 控制器， 但其产品的算法和软件至今尚属商业秘密。 由于变风量空调系统具有高度非线性运行特性，或者某些控制回路具有时变 传输延迟性，从而很难分析出系统精确的数学模型。针对空调系统设计和运行的 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 独特性，在控制策略方面提出了与其它人工智能领域相结合的智能自整定控制。 过去的十多年时间国外p i d 自整定技术不断取得新进展，基于人工神经元网络与 模糊控制器相结合为智能自适应控制提供了一个有潜力的发展方向。在我国智能 自适应控制方面的研究虽然起步比较晚，但发展很快。在暖通空调领域，目前很 多研究人员研究模糊自适应控制在v a v 空调温度控制中的应用，仿真结果表明控 制效果良好，同时一些研究还表明模糊自适应控制在v a v 空调系统的其它控制中 也可达到满意的效果8 】【9 】【1 0 】。综上所述，模糊自适应控制在v a v 空调中的应用前 景非常好，可以更好的改善控制品质，基于此，本文选用模糊自适应控制算法对 变风量空调系统中的变频风机风道静压回路使用进行控制，希望通过控制能 将风道的静压保持在最佳设定值，降低空调能耗而且更好的满足空调区域的控制 要求。 1 3 课题的背景、目的和研究的主要内容 本课题是陕西省教育厅科研基金项目变风量( w ) 空调系统多变量解耦控 制的研究的一部分工作。针对变风量空调系统中的控制回路进行研究，提出了 模糊自适应控制算法，实现了空调系统控制器的在线整定，从而实现节能和提高 室内环境质量的目的。 本文以变风量( ) 系统中的一个变频风机风道静压回路为对象，针对 设定值改变的情况下，模糊自适应控制器参数在线整定进行研究。本文首先对模 糊控制和模型参考自适应控制进行研究，提出了一种基于参考模型的模糊自适应 控制算法，然后利用l o n w o r k s 技术设计变风量空调系统机组侧的控制网络，并利 用m a t l a bd d e 和l n sd d es e r v e r 连接，建立控制系统算法试验平台，采集实 验数据。在m a t l a b 环境下分别进行设定值改变、对象特性改变和加随机扰动三 个环节的系统仿真实验，仿真结果令人满意，从而证明了模型参考模糊自适应控 制方案的可行性。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 采用l o n w o r k s 技术搭建变风量空调机组 侧控制系统实验平台 2 1 现场总线技术概述 现场总线是一种串行的数字数据通信链路，它沟通了过程控制领域的基本控 制设备之间以及与更高层次自动控制领域的自动化控制设备之间的联系，是目前 自动控制技术中较先进的方式【1 1 】【1 2 】 1 3 】。 1 、现场总线系统的结构特点【1 3 j 现场总线系统由于采用了智能现场设备，可以把原先d c s 系统中处于控制室 的控制模块、各输入输出模块置入现场设备，加上现场设备具有通信能力，现场 的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统功能能够不 依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。 由于采用数字信号替代模拟信号，因而可实现一对电线上传输多个信号( 包 括多个运行参数值、多个设备状态、故障信息) ，同时又为多个设备提供电源： 现场设备以外不再需要模拟数字、数字，模拟转换部件，这样就为简化系统结构、 节约硬件设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。 2 、 现场总线系统的技术特点 1 3 】 a 开放性 现场总线系统具有对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的遵守。现场 总线系统可以与世界上任何地方遵守相同标准的其它设备或系统连接。通信协议 一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换。用户可按自己的需要和要求， 把来自不同供应商的产品组成大小随意的各种系统。 b 互可操作性与互用性 能够实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；只要遵守相同的标准，就可 以实现不同生产厂家同类设备相互替换。这与d c s 系统的各个生产厂家的产品不 能互相替换相比，则具有相当大的优越性。 c 现场设备的智能化与功能自治性 现场总线系统将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场 设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的 运行状态。 d 系统结构的高度分散性 现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构，控制系统的一个环 节出现故障而不影响其它环节，从根本上改变了d c s 系统集中与分散相结合的体 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 系，提高了可靠性。 e 对现场环境的适应性 工作在控制现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，可支持双绞线、同轴 电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力。并可满足本质 安全要求。 3 、现场总线的优点 a 节省硬件数量与投资 由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行多种传感、控制、报 警和计算功能，因而可减少变送器数量，不再需要单独的调节器、计算单元等， 节省了硬件投资。 b ，节省安装费用 在现场总线系统中，一对双绞线或一条电缆上可挂接多个设备，因而电缆、 端子、槽盒、桥架用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当 需要增加现场设备时，无需增设新电缆，可就近连接在原有电缆上。既节省了投 资，也减少了设计、安装的工作量。 c 节省维护开销 由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通信将相 关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行、诊断、维护信息， 以便早期分析故障原因并尽快排除，缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简 化而减少了维护工作量。 d 用户具有高度的系统集成主动权 用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品 牌的产品而被“框死”了使用设备的选择范围，不会因为系统集成中不兼容的协议、 接口而烦恼，使系统集成过程中的主动权掌握在用户手中。 e 提高了系统的准确性与可靠性 由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了 测量与控制的精确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连 线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可 靠性。 2 2l o n w o r k s 技术 2 2 1l o n w o r k s 技术概述 l o n w o r k s 技术是现场总线技术中最具典型性的一种1 1 1 。它是由美国e c h e l o n 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i s o o s i 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 7 西安建筑科技大学硕士学位论文 简化为参数设置，其通信速率从3 0 0 b p s 至1 5 m b p s 不等，直接通信距离可达2 7 0 0 m ； 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。 基于l o n w o r k s 技术的控制器内部采用神经元芯片，并将其用作控制处理器。 神经元芯片是一种半导体装置，专门设计用于为低价控制装置提供智能的联网能 力。神经元芯片基本上是一个“芯片上的系统”，由多个微处理器、读写存储器和只 读存储器( r a m 和r o m ) 、通信和i o 接口组成。r o m 中包含有操作系统、l o n t a l k 通信协议和i o 功能数据库系统。神经元芯片功能强大，而且价格低廉，某些种类 的价格只有不到3 美元1 1 5 。神经元芯片中有3 个8 位c p u ，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c p u 之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应 用缓冲区。 e c h e l o n 公司的技术策略是鼓励各o e m 开发商运用l o n w o r k s 技术和神经元 芯片，开发自己的应用产品，目前已有1 0 0 0 多家公司推出了l o n w o r k s 产品，并 进一步组织起l o n m a r k 互操作协会，开发l o n w o r k s 技术与产品。它已被广泛应 用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制 等领域。另外，在开发智能通信接口、智能传感器方面，l o n w o r k s 神经元芯片也 具有独特的优势。l o n w o r k s 技术目前已成为我国网络控制技术中的主流。 2 2 2l o n w o r k s 技术通信 表2 1 列出的是对应七层o s i 参考模型【1 1 1 的l o n t a l k 协议为每层提供的服务。 表2 1l o n t a l k 协议层 o s i 层目的提供的服务c p u l o n m a r k s 对象，配置特性，标准网络变量 7 应用层应用兼容性应用c p u 类型( s n v t s ) ，文件传输 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c p u 5 会晤层远程操作请求响应，鉴别，网络服务网络c p u 端对端通信的 4 传输层应答消息，非应答消息，双重检查，通用排序网络c p u 可靠性 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c p u 介质访问以及组帧，数据，编码，c r c 错误检查，可预测 2 链路层 m a c c p u 组帧 c s m a ，冲突避免，优先级，冲突检测 m a c c p u ， 1 物理层物理连接特定传输媒介的接口，调制方案 x c v r 西安建筑科技大学硕士学位论文 n e u r o n 芯片上的3 个c p u 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( i s o ) 的o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o r m e c t i o n ) 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l o n t a l k 协议可与同一网上的其它节点互相通信。 l o n t a l k 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2 5 5 个子网。第三级是节点，每个 子网可有多达1 2 7 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2 5 6 个组。 2 3l o n p o i n t 概述 l o n p o i n t 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 l o n m a r k 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l o n p o i n t 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。 l o n p o i n t 不仅提供了非等级体系结构，还提供了l n s 网络操作系统的多用户 能力、神经元芯片和l o n t a l k 协议的分布式操作和自由拓扑的接线灵活性。l o n p o i n t 系统由以l n s 为基础的l o n m a k e rf o rw i n d o w s 集成工具、l o n p o i n tp l u g i n 软件、 l o n p o i n t 应用程序、l o n p o i n t 接口模块、路由器和调度模块构成i l ”。 l o n p o i n t 系统具有不同类型的接口模块，包括d i 1 0 数字量输入模块、d o 一1 0 数字量输出模块、d i o 1 0 数字量输入输出模块、a i 1 0 模拟量输入模块、a o 1 0 模拟量输出模块和s c h 一1 0 时序模块。本论文实验涉及到的两种模块为： ( 1 ) a i 1 0 模拟量输入模块 处理器采用神经元3 1 5 0 芯片，工作时钟1 0 m h z ，存储器为5 6 k f l a s h 存储器。 该模块具有的功能块：两个模拟量输入开环传感器对象、两个数字式编码器控制 器对象、四个模拟量功能块控制器对象、四个型式变换器和节点对象。a i 1 0 模块 能进行0 - - 2 4 m a 电流、o 一1 0 v 电压的1 6 位模拟量输入，模块内装一个强大的可 配置的应用程序，该程序包括各种定义模块如何工作的软件功能块。用户可使用 l o n m a k e r 工具把a i 1 0 功能块、其它l o n p o i m 模块和第三方的l o n w o r k s 装置连 接起来，建立一个可互操作的分布式控制系统。l o n m a k e r 工具的v i s i o 界面简化 了网络设计和配置，它能输入和输出a u t o c a d 文件和产生相应的文本。 ( 2 ) a o 一1 0 模拟量输出模块 处理器采用神经元3 1 5 0 芯片，工作时钟1 0 m h z ，存储器为5 6 k f l a s h 存储器。 9 西安建筑科技大学硕士学位论文 该模块具有的功能块：两个模拟量输出开环执行器对象、一个数字量编码控制器 对象、两个模拟量功能块控制器对象、两个p i d 控制器对象、三个类型转换器和 节点对象。a o 一1 0 模块能输出o - _ 2 0 m a 电流或0 - 1 0 v 电压控制信号，该控制信号 可以驱动执行器。该模块的电源为1 6 3 0 v a c 或v d c ，可以与执行器使用同一电 源供电。模块内装一个强大的可配置的应用程序，该程序包括各种定义模块如何 工作的软件功能块。用户可使用l o n m a k e r 工具把a o 一1 0 功能块、其它l o n p o i n t 模块和第三方的l o n w o r k s 装置连接起来，建立一个可互操作的分布式控制系统。 2 4l o n m a k e rf o rw i n d o w s 集成工具 1 、l o n m a k e r 功能 l o n m a k e r 是在w i n d o w s9 5 ，w i n d o w s9 8 ，w i n d o w sn t 操作系统环境中运行 的l o n w o r k s 网络集成开发工具，l o n m a k e r 具有以下功能1 0 1 1 4 1 ： ( 1 ) 网络设计工具：l o n m a k e r 工具允许未进行网络安装的情况下设计 l o n w o r k s 网络，也可以现场进行设计。 ( 2 ) 网络安装工具：l o n m a k e r 工具允许设计网络实施安装时，设备的定义 可以迅速并容易的与相应的物理设备连接，以减少投运所需的时间。l o n m a k e r 浏 览器提供了对所有网络变量和配置属性的访问。 ( 3 ) 网络文档工具：由于l o n m a k e r 工具在网络设计和安装过程中同时生成 一个视图，这个视图准确地描述了所安装的网络。 ( 4 ) 网络维护工具：l o n m a k e r 工具可以方便的添加、测试、删除、更新或 者替换设备、路由器、信道、子系统，并提供了对系统维护的支持。 2 、l o n m a k e r 与l n s l n s 是l o n w o r k s 控制网络的一个开放的、标准的网络操作系统，l n s 基于客 户机服务器体系结构，允许多个安装者和维护人员同时访问一个共同的数据库。 l o n m a k e r 是运行在网络操作系统l n s 上的工具。l n s 提供了开放式l o n w o r k s 网 络的基本目录、安装、管理、监测和控制服务。用户可以在连接到网络的一台p c 机上运行l n ss e r v e r ，其它p c 机( 称为远程机) 的客户机可以通过l n s 服务器 访问l n s 数据库，远程用户可以通过l o n t a l k 或i p 网络与l n s 服务器通信。 l o n m a k e r 工具使用l n s 的客户服务器功能，并允许多个l o n m a k e r 工具运行在不 同的p c 机上，这些p c 机同时访问同一个l n s 服务器。 2 5 l n s d d e 服务器 l n sd d e 服务器是一个软件包，它使任何与d d e 兼容的m i c r o s o f tw i n d o w s 应用程序能监控l o n w o r k s 控制网络而无需编程。l n sd d e 服务器典型的应用 包括对h m i 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i 】o 】。 1 0 西安建筑科技大学硕士学位论文 l n s 是l o n w o r k s 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l n s 和m i c r o s o f td d e 规约，与d d e 兼容的w i n d o w s 应用程序可以与 l o n w o r k s 装置相互作用【1 8 】。 使用l n sd d e 服务器，任何一个w i n d o w s 应用程序作为一个d d e 客户机， 能够监视和控制一个或更多个的l o n w o r k s 网络，即应用程序可以观察和改变网络 变量、配置属性及外部祯报文的值，并影响网络操作。l n sd d e 服务器使用存储 在l n s 服务器中的名字、地址和时序信息完成监控任务。通过建立l n s 和 m i c r o s o f td d e 协议的连接，d d e 兼容的应用程序可以通过以下方法来和 l o n w o r k s 节点进行交互： ( 1 ) 读、监视和修改任何网络变量的值； ( 2 ) 监视和改变配置属性； ( 3 ) 接收和发送应用程序信息； ( 4 ) 测试、使能、使不能以及强制l o n m a r k 对象； ( 5 ) 测试、闪烁以及控制节点； ( 6 ) 通过人机界面和可视化程序到基于l n s 网络的接口； ( 7 ) 读写网络变量、配置属性和应用报文： ( 8 ) 支持l o n m a r k 对象； ( 9 ) 通过l n s 或n e t d d e 远程访问； ( 1 0 ) 支持多个客户和网络在通一台机器上或者多台机器上； ( 1 1 ) 通过提供一个浏览器和d d e 的连接简化了客户程序的建立； ( 1 2 ) 可以和几百个支持m i c r o s o f t d d e 协议的程序一起使用； ( 1 3 ) 支持w o n d e r w a r e 公司的f a s td d e 协议。 2 6p c l t a 2 0p c il o n t a l k 适配器 p c l t a 一2 0p cl o n t a l k 适配器是高性能的l o n w o r k s 接口卡，用于装有3 2 位p c i 接口和兼容操作系统的个人电脑。该卡可使p c 对l o n w o r k s 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。p c l t a 2 0 适配器既有集成的双绞线收发器，也有s m x 收发器接口，卡上有可下载的存储器， 网络管理接口，并支持m i c r o s o f tw i n d o w s9 5 9 8 2 0 0 0 和w i n d o w sn t 的即插即用 功能。 p c l t a 一2 0 适配器的安装软件包括一个软件控制面板和用于w i n d o w s 9 5 9 8 2 0 0 0 和w i n d o w sn t 的驱动程序。控制面板提供了一种方便的手段设置和修 改安装参数，对卡进行诊断操作和显示错误信息。 l n s 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 西安建筑科技大学硕士学位论文 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，p c l t a 2 0 适配器的l n s 网络接口功能允许连接的主机运行l n s 应用程序。 在l n s 网络接口模式和m i p ( 微处理器接口程序) 模式下，适配器允许把主 机作为一个l o n w o n s 应用节点，用适配器处理较低层的功能，比如说介质访问控 制、冲突处理、报文确认、证实及优先级处理时运用特定的应用程序。主机应用 程序，包括它的网络变量，可以在任何时候进行更改，而不需要修改适配器。与 主机p c 结合的p c l t a 2 0 适配器可以和应用程序结合在一起，处理单个n e u r o n 芯片所不能提供的处理功率、存储器、输入输出的能力，或者网络变量的连接。 2 7 建立变风量空调机组侧控制网络 变风量空调机组侧控制回路包括变频风机风道静压回路、水阀开度 送风温度回路、新风阀回风