基于DDC樓宇智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

高見芳

（湖南科技職業(yè)學(xué)院 電子信息工程與技術(shù)系,湖南 長沙 410118）

DDC系統(tǒng)的全稱為直接數(shù)字控制器，是從PLC和FCS系統(tǒng)中派生出來的，它是用于監(jiān)視和控制系統(tǒng)中有關(guān)機(jī)電設(shè)備的控制器，一個(gè)完整的控制器應(yīng)具有相應(yīng)的軟硬件，才能夠獨(dú)立完成相關(guān)控制。因此，DDC系統(tǒng)構(gòu)成應(yīng)符合以下要求：

(1)以16 bit或者32 bit微處理器為核心的可編程DDC；

(2)具有可脫機(jī)控制的獨(dú)立運(yùn)行或聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行能力；

(3)具有獨(dú)立的電源模塊；

(4)具有通信模塊；

(5)DDC具有LED顯示模塊，具備單獨(dú)的后備電源，當(dāng)外電斷開時(shí)，能使RAM中的數(shù)據(jù)在60天內(nèi)不丟失。

(6)當(dāng)外電重新供應(yīng)時(shí)，在無需人工干預(yù)的情況下，DDC能自動恢復(fù)功能。

為了達(dá)到上述要求，本設(shè)計(jì)采用依據(jù)IEC61131-3[1]標(biāo)準(zhǔn)定義的編程模塊和IEC61131-5[2]定義通信模塊及多種現(xiàn)場總線CAN的FCS來實(shí)現(xiàn)；引入模塊化和開放設(shè)計(jì)理念，將整個(gè)系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩大模塊。其中上位機(jī)主要完成通信管理和控制功能，而下位機(jī)則實(shí)現(xiàn)功能模塊的執(zhí)行、系統(tǒng)管理、變量通信、用戶程序的通信[3]并可根據(jù)用戶的需要進(jìn)行I/O擴(kuò)展等內(nèi)容。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)按功能可分為現(xiàn)場層、控制層、管理層3個(gè)部分，現(xiàn)場層由下位機(jī)完成，主要通過傳感器實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，各執(zhí)行器、傳感器、儀表與控制系統(tǒng)是通過CAN總線完成的相互之間的聯(lián)接；而控制層和管理層兩個(gè)功能是由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)的，其中控制層由DDC控制器組成，完成整個(gè)系統(tǒng)的控制，管理層則由服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、管理員和操作員站組成，主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話、對相關(guān)數(shù)據(jù)管理等功能。系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

1.1上位機(jī)編程軟件模塊

上位機(jī)由工程師站、數(shù)據(jù)庫及操作員站和遠(yuǎn)程管理站組成，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶自定義功能的C/C++編輯調(diào)試界面，支持?jǐn)U展DDC支持的硬件單元，對I/O映射表單元進(jìn)行修改等滿足DDC需要的體系結(jié)構(gòu)。其上位機(jī)的軟件開發(fā)界面[6]有菜單、工程管理欄、編輯欄、狀態(tài)信息欄等欄目，該界面具有直觀，易操作的特點(diǎn)。

1.2下位機(jī)模塊硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)由一系列模塊組成，包括CPU模塊（解題模塊和PP通信程序）、MODBUS總線模塊、智能模塊、通信模塊和I/O模塊等等,各模塊之間的關(guān)系如圖2所示。模塊中CPU處理數(shù)據(jù)量最大。傳感器采集來的數(shù)據(jù)經(jīng)過I/O接口，通過映射表映射到下位機(jī)CPU的內(nèi)存表，CPU直接對內(nèi)存數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并經(jīng)過總線告之上位機(jī)。

1.2.1 CPU[4-5]模塊功能要求

(1)管理功能：對采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、管理。

(2)通信功能：利用CPU中的接口UBS、RS232、RS485、CAN等總線及相關(guān)的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信的功能。

(3)執(zhí)行功能：執(zhí)行上位機(jī)經(jīng)過編程、編譯后的用戶程序。

(4)調(diào)試和監(jiān)控功能：支持對上位機(jī)所編程序調(diào)試及監(jiān)控功能。

(5)外設(shè)管理功能：對I/O模塊的管理及數(shù)據(jù)更新功能。

1.2.2 CPU 模塊[6]

CPU模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分，它是用來調(diào)試、處理、管理和執(zhí)行用戶程序，負(fù)責(zé)掃描和驅(qū)動I/O模塊，如圖3所示。該模塊有中央處理單元、I/O擴(kuò)展單元、狀態(tài)使用權(quán)集單元、存貯單元和通信單元等。對CPU模塊進(jìn)行開發(fā)，首先構(gòu)建硬件模塊，即CPU的最小系統(tǒng)，再進(jìn)行功能擴(kuò)展；對下位機(jī)的采集、處理和通信程序等下位機(jī)系統(tǒng)程序的開發(fā)；最后進(jìn)行系統(tǒng)集成三個(gè)步驟。

1.2.3 下位機(jī)系統(tǒng)程序[7-8]

下位機(jī)系統(tǒng)程序包括引導(dǎo)程序、主程序、中斷程序、I/O處理程序、通信程序、功能模塊控制程序、特殊寄存器和線圈、配置表格、高速部件故障處理等功能模塊程序。圖4為下位機(jī)程序流程圖。

圖4 下位機(jī)程序流程圖

2 系統(tǒng)工作原理

該設(shè)計(jì)采用循環(huán)掃描的工作方式，每一個(gè)程序CPU都從第一條指令開始執(zhí)行，按照指令步序號做周期性循環(huán)掃描，如沒有跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始一條一條執(zhí)行，直到結(jié)束后，再進(jìn)入下一個(gè)掃描周期，如此循環(huán)往復(fù)。每一個(gè)循環(huán)稱為一個(gè)掃描周期，而掃描周期的大小主要取決于：(1)CPU的主頻；(2)程序中指令的多少；(3)指令周期這3個(gè)因素。

每個(gè)掃描周期有如下三個(gè)主要階段：

(1)在輸入刷新階段，首先CPU掃描全部輸入端口，讀取各個(gè)端口的狀態(tài)信息，并根據(jù)工作要求寫入狀態(tài)寄存器。完成刷新階段的工作后，即轉(zhuǎn)入程序的執(zhí)行階段，在程序執(zhí)行期間，即使輸入狀態(tài)在不斷的變化，輸入寄存器的內(nèi)容也不會隨著發(fā)生變化，直到下一個(gè)周期的輸入刷新階段才可改變。

(2)程序執(zhí)行階段

根據(jù)用戶輸入的梯形圖程序，從第一條指令開始逐步執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運(yùn)算結(jié)果存入對應(yīng)的內(nèi)部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器中，當(dāng)最后一條控制程序執(zhí)行完成后，轉(zhuǎn)入輸出刷新階段。

(3)輸出刷新階段

當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢后，將狀態(tài)寄存器的內(nèi)容依次送到I/O對應(yīng)的輸出寄存器中，并通過一定的轉(zhuǎn)換方式，驅(qū)動執(zhí)行部件工作。

由此可見，輸入刷新、程序執(zhí)行、輸出刷新三個(gè)階段構(gòu)成一個(gè)工作周期，并且循環(huán)往復(fù)，稱為循環(huán)掃描工作方式。由于輸入刷新階段是緊接輸出刷新階段后馬上進(jìn)行的，所以將這兩個(gè)階段稱為IO映射表刷新。當(dāng)然還有自診斷功能和通信功能。綜上所述整個(gè)掃描過程如圖5所示。

掃描周期的長度主要取決于程序的長度，掃描周期越長，相應(yīng)速度越慢，由于每個(gè)周期只進(jìn)行一次I/O刷新，所以系統(tǒng)存在輸入輸出滯后現(xiàn)象，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但由于其對I/O映射表的變化，每個(gè)周期限只輸出更新一次，DDC在一個(gè)工作周期的大部分時(shí)間是與外部擴(kuò)展模塊隔離的，有利于避免工業(yè)現(xiàn)場脈沖的瞬時(shí)干擾，使誤動作大大減少，但在快速響應(yīng)的系統(tǒng)中就會造成滯后現(xiàn)象。

該設(shè)計(jì)是以網(wǎng)絡(luò)可編程控制器DDC為核心，利用現(xiàn)場總線CAN、工業(yè)以太網(wǎng)、GPRS等相關(guān)的通信媒介，將傳感器、執(zhí)行電機(jī)和計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程或無線鏈接的硬件系統(tǒng)，通過對上位機(jī)進(jìn)行編程，從而實(shí)現(xiàn)了對下位機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)了樓宇系統(tǒng)的控制。其特點(diǎn)為：

(1)操作簡單、方便并具備很強(qiáng)的故障診斷能力；

(2)由于采用中心控制室對不同位置的建筑進(jìn)行統(tǒng)一管理，大大節(jié)省了能源和人力成本；

(3)控制的精確度大大提高，從而提高了舒適度；

(4)由于傳統(tǒng)的DDC系統(tǒng)校準(zhǔn)后會降低精度，而該系統(tǒng)則無需校準(zhǔn)，減小了誤差。

總之，通過該設(shè)計(jì)系統(tǒng)對樓宇進(jìn)行控制,提高了效率，達(dá)到預(yù)期的效果。

[1]IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]IEC61131-5標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]黎連業(yè).智能大廈和智能小區(qū)安全防范系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施[M].北京：清華大學(xué)出版社,2008.

[4]怯肇乾.嵌入式系統(tǒng)硬件體系設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

[5]胡漢才.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2008.

[6]PPC系列PLC中文手冊[Z].2010.

[7]陸瓊文,劉傳聚,曹靜.浦東國際機(jī)場變空調(diào)供水溫度節(jié)能運(yùn)行方案分析[J].暖通空調(diào),2003，33(2)∶123-125.

[8]周巧航,趙加寧,施雪華.深圳市某辦公樓空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能潛力分析[J].暖通空調(diào),2004,34(4)∶19-21.