基于LonWorks技術(shù)的智能建筑給水系統(tǒng)研究

張佑春，朱　煉，徐　濤，張公永

(1.安徽工商職業(yè)學院 電子信息系，合肥 231131；2.河南科技學院 機電學院，河南 新鄉(xiāng) 453003；3.濱州學院 電氣工程系，山東 濱州 256600)

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基于LonWorks技術(shù)的智能建筑給水系統(tǒng)研究

張佑春1，朱煉1，徐濤2，張公永3

(1.安徽工商職業(yè)學院 電子信息系，合肥 231131；2.河南科技學院 機電學院，河南 新鄉(xiāng) 453003；3.濱州學院 電氣工程系，山東 濱州 256600)

針對水塔、高位水箱等傳統(tǒng)供水方式出現(xiàn)的諸如水壓不足、峰時水量供不應(yīng)求等弊端，提出了一種基于LonWorks總線和變頻恒壓技術(shù)的智能建筑給水系統(tǒng)設(shè)計方案.設(shè)計選用TH-BA1108 DDC控制器為系統(tǒng)控制核心，借助液位傳感器實時監(jiān)測水箱水位變化，通過壓力傳感器監(jiān)測水箱內(nèi)部壓力大小，再通過變頻器實現(xiàn)對給水泵的變頻啟動與運行控制；運用LonMaker軟件和力控組態(tài)軟件分別完成了底層控制網(wǎng)絡(luò)和上位機監(jiān)控程序設(shè)計，最終實現(xiàn)整個變頻恒壓給水系統(tǒng)的搭建.經(jīng)過實際測試表明，系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定、可靠性高等優(yōu)勢.

LonWorks；變頻控制；給水系統(tǒng)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，傳統(tǒng)依靠水塔、高位水箱等重力作用供水方式出現(xiàn)了諸如水壓不足、峰時水量供低于求等弊端，特別是在高層建筑中，容易造成高壓給水泵頻繁啟動，能耗嚴重增加，水管壓力過大，產(chǎn)生泄漏甚至爆裂等危害[1-3].隨著計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)及電力電子與變頻技術(shù)的出現(xiàn)，研究人員結(jié)合多種技術(shù)手段，以期改進和提升給水系統(tǒng)性能.姚福強等人設(shè)計了一種串行通訊方式的供水監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由PLC和變頻器組成，具有主輔流量泵依據(jù)需求量變化自動切換功能，基本上可以實現(xiàn)24小時連續(xù)供水[4]；劉丹等人設(shè)計了一種基于PROFIBUS現(xiàn)場總線和WINCC組態(tài)軟件的超高層多級接力供水系統(tǒng)，系統(tǒng)將整個建筑劃分為低、中、高3個給水區(qū)域，每個區(qū)域設(shè)有給水設(shè)備，然后將三者級聯(lián)，系統(tǒng)具有聯(lián)動和連鎖保護功能[5]；任勝杰等人采用89C51單片機作為控制器，設(shè)計了模糊PID給水算法，其中底層控制網(wǎng)絡(luò)基于CAN總線技術(shù)搭建，實現(xiàn)了與計算機的通訊，系統(tǒng)可以實時采集供水設(shè)備的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并具有傳輸和遠程監(jiān)控等功能[6]；王宏彥采用LonWorks總線和HW-5201 DDC為控制器，給出了一種智能大樓供水方案，在一定程度上起到了節(jié)能效果，但系統(tǒng)功能較為單一[7].

本文設(shè)計了一種基于LonWorks技術(shù)和變頻恒壓技術(shù)的智能建筑給水系統(tǒng)方案，系統(tǒng)選用TH-BA1108 DDC控制器為控制核心，借助液位傳感器實時監(jiān)測水箱水位，通過壓力傳感器監(jiān)測水箱內(nèi)部壓力大小，再通過變頻器實現(xiàn)對給水泵的變頻啟動與運行控制，運用LonMaker軟件和力控組態(tài)軟件分別完成了底層控制網(wǎng)絡(luò)和上位機監(jiān)控程序設(shè)計，最終實現(xiàn)整個變頻恒壓給水系統(tǒng)的搭建.通過調(diào)試，系統(tǒng)能夠依據(jù)水箱壓力大小自動調(diào)節(jié)水泵啟動與運行順序、故障處理和集中監(jiān)控與管理等功能.

1　LonWorks技術(shù)

LonWorks技術(shù)基于開放式LonTalk通信協(xié)議進行通信和運行，支持ISO/OSI模型的全部7層通訊協(xié)議，是直接面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議.LonWorks技術(shù)的核心是集成了神經(jīng)元芯片(Neuron Chip)，該芯片內(nèi)部一般含有3個8位的CPU，即應(yīng)用控制處理器、網(wǎng)絡(luò)訪問控制處理器、介質(zhì)訪問控制處理器，RAM，ROM，I/O接口，可編程收發(fā)器接口等[8-10].在神經(jīng)元芯片內(nèi)部，集成了LonTalk通信協(xié)議，此外含有I/O、控制和通信模塊，利用收發(fā)器便可與外部實現(xiàn)信息傳輸.

表1　協(xié)議層次對照表

LonWorks技術(shù)支持星型、總線型、自由拓樸等多種拓樸結(jié)構(gòu)類型，非常容易構(gòu)建控制網(wǎng)絡(luò)，從而完成狀態(tài)檢測、數(shù)據(jù)采集、分析處理和實時控制等功能.LonTalk協(xié)議使用網(wǎng)絡(luò)變量與其他節(jié)點通信，網(wǎng)絡(luò)變量可以是任何單個數(shù)據(jù)項也可以是結(jié)構(gòu)體，并都有一個由應(yīng)用程序說明的數(shù)據(jù)類型[11-12].LonTalk應(yīng)用可以運行在任何主處理器上，如計算機、微控制器、微處理器等，用于管理LonTalk協(xié)議的第六層和第七層，并使用LonWorks網(wǎng)絡(luò)接口管理第一層到第五層.LonWorks支持包括電力線、雙絞線、紅外線、無線、同軸電纜和光纖在內(nèi)的多種傳輸介質(zhì)進行相互通訊.OSI模型、LonTalk協(xié)議層次對照如表1所示，從表1中不難看出，LonTalk協(xié)議完全支持ISO/OSI模型的全部7層通訊協(xié)議，為后期系統(tǒng)互聯(lián)的實現(xiàn)提供了保障.

2　給水系統(tǒng)控制功能與整體框圖設(shè)計

2.1控制功能與要求

圖1　給水系統(tǒng)硬件框圖

給水控制系統(tǒng)主要根據(jù)預先設(shè)定的壓力自動啟泵，可以完成雙泵變、工頻控制.給水系統(tǒng)的主要設(shè)備有給水泵(兩臺，互為備用)、控制箱、氣壓水箱、壓力變送器等.其監(jiān)控功能設(shè)計如下：

(1)氣壓水箱高、低水位監(jiān)測，水箱壓力監(jiān)測.

(2)給水泵變頻控制：根據(jù)氣壓水箱的壓力完成1#、2#給水泵的變頻/工頻控制.如水壓偏高則只令一臺水泵工作，而水壓過低則可令兩臺水泵同時工作.

(3)給水泵故障監(jiān)測：監(jiān)測給水泵的工作狀態(tài)和故障現(xiàn)象.當使用水泵出現(xiàn)故障時，備用水泵會自動投入工作.

2.2給水系統(tǒng)整體框圖設(shè)計

系統(tǒng)整體框圖如圖1所示，系統(tǒng)采用直接數(shù)字控制器作為智能控制節(jié)點，通過高低水位傳感器檢測水箱水位高低，水箱壓力傳感器檢測水箱壓力大小，智能控制節(jié)點實時監(jiān)測以上參數(shù)，當檢測到的參數(shù)與預先設(shè)定參數(shù)不相符時，發(fā)出控制命令，驅(qū)動變頻器工作，給水泵先變頻啟動，再工頻運行，直至水箱壓力達到設(shè)定值.控制器I/O對照表如表2所示，表中DO1～DO4分別對應(yīng)于兩臺水泵的工頻和變頻運行狀態(tài)，AO1為變頻輸出指示，UI1對應(yīng)水箱壓力，UI7、UI8對應(yīng)兩臺水泵的故障狀態(tài)，UI9、UI10對應(yīng)水箱水位高低.

表2　給水系統(tǒng)控制器對照表

3　底層控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

借助Echelon的LonMaker 3.1軟件，可以較為輕松地搭建給水系統(tǒng)底層控制網(wǎng)絡(luò).整個網(wǎng)絡(luò)基于TH-BA1108 DDC控制模塊組建，分別調(diào)用了控制器內(nèi)部的恒壓供水PID模塊、通用輸入UI0模塊、模擬量輸出AO0模塊、開關(guān)量輸出DO3～DO0模塊等，依次建立網(wǎng)絡(luò)變量鏈接關(guān)系，設(shè)置通用輸入模塊采樣時間UCPTsampleTime等參數(shù)，實時獲取水箱壓力，再合理配置恒壓供水PID參數(shù)UCPTpidCoefficients，該參數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct中包括，Pterm(比例系數(shù))、Iterm(積分系數(shù)，單位：秒)、Dterm(微分系數(shù)，單位：秒)，三者均支持浮點數(shù)設(shè)置；設(shè)置為pid參數(shù)后，可以啟用其自動調(diào)節(jié)模式，最終完成整個給水系統(tǒng)控制方案的搭建，智能建筑給水底層控制網(wǎng)絡(luò)圖如圖2所示.

4　組態(tài)控制程序設(shè)計

4.1控制界面設(shè)計

在完成智能建筑給水系統(tǒng)底層DDC控制網(wǎng)絡(luò)的搭建后，便可進行上位機監(jiān)控平臺的設(shè)計.本文選用北京三維力控ForceControl 6.1組態(tài)軟件完成組態(tài)控制程序設(shè)計，依次完成I/O設(shè)備組態(tài)和數(shù)據(jù)庫組態(tài)，期間需要匹配DDC底層控制網(wǎng)絡(luò)，以及內(nèi)外部網(wǎng)絡(luò)變量，從而完成I/O數(shù)6頻輸出，以及給水泵故障報警等.通過設(shè)置動作、顏色變化、禁止條件等語句，以及周期運行程序設(shè)計，便可完成上位機監(jiān)控組態(tài)平臺搭建(見圖3).

圖2　給水系統(tǒng)底層控制網(wǎng)絡(luò)

圖3　給水系統(tǒng)上位機監(jiān)控平臺

4.2周期控制程序設(shè)計

控制程序周期運行采用IF ELSE語句實現(xiàn)，主要程序如下：

IF feedwaterfault1.DESC=="100.0 1"

THENstart.DESC="0.0 0"；//如果1#給水泵故障，則pid停止控制

water2g.DESC="0.0 1"；//2#給水泵工頻啟動

water1g.DESC="0.0 0"；//1#給水泵工頻停止

ELSE

water2g.DESC="0.0 0"； //否則2#給水泵工頻停止

ENDIF

IF feedwaterfault2.DESC=="100.0 1"

THENstart.DESC="0.0 0"； //如果2#給水泵故障，則 pid停止控制

water1g.DESC="0.0 1"；// 1#泵工頻啟動

ELSE

ENDIF

FCOut.PV=StrToReal(FCOut.DESC)/2；//變頻輸出顯示

waterpress.PV=StrToInt(waterpress.DESC)；//水箱壓力顯示

IF feedwaterfault1.DESC=="0.0 0"&&feedwaterfault2.DESC=="0.0 0"

THENstart.DESC="0.0 1"； //如果1#給水泵無故障并且2#給水泵無故障，則pid控制

water1g.DESC=Pump1g.DESC； //啟動1#給水泵工頻等于pid1#工頻輸出

ENDIF

5　調(diào)試與運行

設(shè)置組態(tài)界面上“水壓需求”的壓力如40，當需求值大于水箱壓力時，變頻恒壓供水運行，完成1#號泵、2#號泵變/工頻自動切換控制，對應(yīng)的指示燈也會點亮；調(diào)節(jié)模塊面板上“水箱壓力”旋鈕，組態(tài)界面上水箱壓力便會發(fā)生變化，同時變頻器的輸出也有變化，界面上為變頻器實時輸出頻率顯示，模塊面板上表頭的顯示為變頻器輸出頻率.此外，可以模擬給水泵故障情景，比如當1#水泵出現(xiàn)故障時，備用2#水泵會自動投入工作，反之亦然.

6　結(jié)語

相對于傳統(tǒng)的依靠重力作用的水箱與水塔給水系統(tǒng)，基于LonWorks技術(shù)和變頻恒壓技術(shù)設(shè)計的智能建筑給水系統(tǒng)方案具有水壓穩(wěn)定、供水可靠等諸多優(yōu)點；利用直接數(shù)字控制技術(shù)和組態(tài)軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)對水位的實時監(jiān)控與控制，PID調(diào)節(jié)器的引入起到了良好的調(diào)節(jié)作用.經(jīng)過實際調(diào)試發(fā)現(xiàn)，設(shè)計的系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定、可靠性高等優(yōu)勢.

[1]丁遠翔，謝檬，高谷.水塔水位自動控制系統(tǒng)研究[J].西安工程科技學院學報，2007,21(6)：852-854.

[2]張文昭，包本剛，潘海軍，等.樓宇水塔水位檢測與抽水自動控制系統(tǒng)[J].湖南科技學院學報，2009,30(8)：48-49,53.

[3]陳海青，華廣山，陳鏡亮.關(guān)于住宅建筑用分戶水箱取代高位水箱的探討[J].廣州大學學報(綜合版)，2001,15(8)：84-85.

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[5]劉丹，山炳強，宮玥.基于PLC和觸摸屏的接力供水控制系統(tǒng)設(shè)計[J].青島大學學報(工程技術(shù)版)，2010,25(2)：5-9.

[6]任勝杰，李智強.基于CAN總線的樓宇恒壓變頻供水監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].微計算機信息，2006,22(3-2)：56-58,266.

[7]王宏彥.基于Lonworks總線的變頻恒壓供水系統(tǒng)[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2013,32(28)：40-41.

[8]Echelon Corporation.LonMaker for Windows User’s Guide[Z].Echelon,2001:70-76.

[9]張玉萍，佟為明，李辰.LonWorks總線實時通信協(xié)議的研究[J].儀器儀表學報，2009，30(8)：1783-1788.

[10]馬占敖.基于LonWorks技術(shù)的智能建筑樓宇自動化系統(tǒng)的研究[J].制造業(yè)自動化，2010，32(6)：98-100.

[11]何芳，劉皓春，于海燕.基于LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)的多功能節(jié)點設(shè)計[J].武漢理工大學學報(信息與管理工程版)，2009，31(5)：708-711.

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[13]杜虹靜，胡澤，裴軍，等.力控組態(tài)軟件在PCP(泵控泵)注水監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國儀器儀表，2010(9)：52-54.

[責任編輯王新奇]

Research on Intelligent Building Water Supply SystemBased on LonWorks Technology

ZHANG You-chun1, ZHU Lian1, XU Tao2, ZHANG Gong-yong3

(1. Department of Electronic Information, Anhui Business Vocational College, Hefei 231131, China; 2. School of Mechanical and Electrical Engineering, Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003, China; 3. Department of Electrical Engineering, Binzhou University, Binzhou 256600, China)

According to the drawbacks of water tower, water tank and other traditional water supply modes such as insufficient water pressure, peak water shortage etc., a design scheme of intelligent building water supply system based on LonWorks bus and variable frequency and constant pressure technology is presented. DDC TH-BA1108 controller is used as the core of the control system, the level change of water tank can be monitored real time by liquid level sensor, and the internal pressure of the tank can also be monitored by pressure sensors. What’s more, the conversion of variable frequency starting and operation control of feed water pump is realized by inverter. The bottom control network and PC monitoring program are designed by the LonMaker software and the force control configuration software separately. Finally, the construction of the whole variable frequency constant pressure water supply system is realized. After a practical testing, it indicates this system has the advantages of stable operation and high reliability.

LonWorks; inverter control; water supply system

1008-5564(2016)03-0043-05

2015-12-06

安徽省高等學校自然科學研究項目(KJ2016A082，KJ2015A450)；安徽省高校優(yōu)秀青年人才支持計劃重點項目(gxyqZD2016438)；安徽省樓宇智能化工程技術(shù)教學團隊項目(2013jxtd091)；安徽工商職業(yè)學院2012、2013年度院長青年基金項目

張佑春(1982—)，男，安徽廬江人，安徽工商職業(yè)學院電子信息系講師，碩士,主要從事智能儀器、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究.

TP273; TU972

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