利用NCU對(duì)工業(yè)空調(diào)通訊系統(tǒng)進(jìn)行三級(jí)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)

山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司青州卷煙廠 田立鵬 王順昌 郭志偉

本文介紹了一種全新的工業(yè)空調(diào)數(shù)據(jù)處理分析網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，針對(duì)工業(yè)空調(diào)復(fù)雜性、不確定性、大滯后性、非線性和多工況等特性，對(duì)分散區(qū)域空調(diào)設(shè)備的控制和通訊方式進(jìn)行改進(jìn)。利用NCU中央網(wǎng)絡(luò)處理器，通過niagaraworkbench平臺(tái)，有效提升各生產(chǎn)區(qū)域空調(diào)數(shù)據(jù)的分析處理和空調(diào)控制能力。第一級(jí)為現(xiàn)場(chǎng)末端控制器或溫濕度測(cè)點(diǎn)與直接數(shù)字控制器DDC建立鏈接，采用MODBUS RTU現(xiàn)場(chǎng)通訊技術(shù)；第二級(jí)為直接數(shù)字控制器DDC與中心網(wǎng)絡(luò)控制器NCU實(shí)現(xiàn)鏈接，利用MODBUS TCP/IP協(xié)議通訊，建立計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)，采用以太網(wǎng)、客戶機(jī)、服務(wù)器結(jié)構(gòu)模式，實(shí)現(xiàn)中心網(wǎng)絡(luò)控制器處理和傳輸數(shù)據(jù)；第三級(jí)為一體化集成平臺(tái)，中心網(wǎng)絡(luò)控制器NCU與上位機(jī)或PC用BACnet/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，組建三級(jí)網(wǎng)絡(luò)。區(qū)別于以往的光電轉(zhuǎn)換集中處理模式，減少中央操作站的運(yùn)行負(fù)擔(dān)和數(shù)據(jù)丟失率，有效提升區(qū)域溫濕度控制精準(zhǔn)度和監(jiān)測(cè)靈敏度。

1 現(xiàn)場(chǎng)溫濕度傳感器，水閥、風(fēng)閥等執(zhí)行器與DDC直接數(shù)字控制器的鏈接

針對(duì)現(xiàn)已布局的光纖和光端機(jī)設(shè)備，重新設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)DDC控制器，每個(gè)DDC控制器鏈接24個(gè)點(diǎn)位，與空調(diào)機(jī)組或區(qū)域溫濕度進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)接收處理各模擬量和boolean型變量（0/1），和控制空調(diào)機(jī)組的各項(xiàng)設(shè)備啟停與執(zhí)行。重新設(shè)定各區(qū)域溫濕度區(qū)域和空調(diào)機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)的名稱。如圖1所示。

圖1 空調(diào)執(zhí)行器參數(shù)及控制區(qū)域名稱

2 設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)直接數(shù)字控制器DDC地址

進(jìn)行niagaraworkbench操作平臺(tái)與NCU網(wǎng)絡(luò)控制器之間的地址設(shè)置連接。設(shè)置各區(qū)域DDC的IP地址及通斷狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 各區(qū)域直接數(shù)字控制器DDC的IP地址

設(shè)置每個(gè)區(qū)域測(cè)點(diǎn)及空調(diào)機(jī)組執(zhí)行機(jī)構(gòu)的名稱及對(duì)應(yīng)地址，如圖3所示。

圖3 空調(diào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)點(diǎn)位名稱及類型

3 通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)NCU網(wǎng)絡(luò)控制器與現(xiàn)場(chǎng)DDC直接數(shù)字控制器和上位機(jī)PC之間的通訊。利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)控制器WEB-600e自帶的BACnet/IP協(xié)議，通過Niagaraworkbench平臺(tái)上的通訊控件，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)PC之間的數(shù)據(jù)傳輸。與現(xiàn)場(chǎng)DDC控制器則采用交換機(jī)利用MODBUS TCP/IP協(xié)議，進(jìn)行通訊。網(wǎng)絡(luò)控制器NCU和工業(yè)交換機(jī)之間，進(jìn)行以太網(wǎng)和RS485通訊協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，保存接收和要發(fā)送的數(shù)據(jù)、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)接收的溫濕度及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。且能編寫邏輯控制程序，與上位機(jī)之間進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)速度快，請(qǐng)求響應(yīng)處理能力高的要求。如圖4所示。

圖4 空調(diào)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

4 繪制溫濕度自控流程圖

充分考慮區(qū)域溫濕度與各影響量之間的關(guān)系和邏輯，用CAD繪制影響區(qū)域溫度及濕度的水汽調(diào)節(jié)閥和風(fēng)閥的自控流程圖，如圖5、圖6所示。

圖5 水汽閥門控制流程框圖

圖6 各風(fēng)閥控制和風(fēng)機(jī)頻率控制框圖

5 編寫控制算法程序

通過niagaraworkbench平臺(tái)編寫溫濕度控制程序，根據(jù)PID算法計(jì)算出空調(diào)自控過程中的系統(tǒng)誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制。如圖7、圖8所示。

圖7 空調(diào)機(jī)組溫度控制程序

圖8 空調(diào)機(jī)組濕度控制程序

6 PC監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)

搭建系統(tǒng)目錄及設(shè)計(jì)總站點(diǎn)平臺(tái)（IP：192.168.1.226），設(shè)置空調(diào)機(jī)組可視化動(dòng)態(tài)界面及各類接口按鈕，并與之前設(shè)置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)地址進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)，完善程序控制功能，實(shí)現(xiàn)通過平臺(tái)可遠(yuǎn)程控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

平臺(tái)通過NCU集成了各空調(diào)機(jī)組及溫濕度區(qū)域所對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)DDC，實(shí)現(xiàn)PC端通過軟件收發(fā)數(shù)據(jù)，控制各空調(diào)機(jī)組。如圖9所示。

圖9 PC端空調(diào)操作界面

7 效果驗(yàn)證

卷包車間北區(qū)某時(shí)間段內(nèi)溫濕度變化（夏季六月份），如圖10圖11所示。

圖10 卷包車間北區(qū)溫度變化曲線

圖11 卷包車間北區(qū)濕度變化曲線

總結(jié)：此項(xiàng)改進(jìn)延用原本的光纖鋪設(shè)、光端機(jī)設(shè)備，利用其傳輸距離遠(yuǎn)，信號(hào)穩(wěn)定、可靠，遠(yuǎn)距離大容量通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。完美的節(jié)省了布線和走線的工作，利用三級(jí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)出更為高效的通訊系統(tǒng)。即使上位機(jī)離線，只需要網(wǎng)絡(luò)控制器NCU正常運(yùn)行，就可以保證空調(diào)自控系統(tǒng)運(yùn)行，從而減少上位機(jī)負(fù)擔(dān)，并使整個(gè)系統(tǒng)容錯(cuò)率提升。同時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制器NCU高效的處理能力，有效提升了空調(diào)機(jī)組的工藝性和穩(wěn)定性，使區(qū)域溫濕度控制更為精準(zhǔn)可靠。