基于LonWorks總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)鍋爐自動(dòng)化節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言

鍋爐是應(yīng)用廣泛的工業(yè)民用設(shè)備，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國小型鍋爐超過30萬臺(tái)，每年耗煤量占我國原煤產(chǎn)量的1/3。目前，我國運(yùn)行的多數(shù)鍋爐由于控制水平不高，其效率普遍低于國家標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)鍋爐仍處于能耗高、環(huán)境污染嚴(yán)重的生產(chǎn)狀態(tài)，每年因?yàn)闊嵝实投嘞牡臉?biāo)準(zhǔn)煤達(dá)到2000多萬噸。鍋爐消費(fèi)大量燃煤的同時(shí)還耗費(fèi)了大量的電能，目前使用較多的中小型鍋爐是通過擋風(fēng)板對(duì)鼓風(fēng)量和引風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，這將大量的電能耗費(fèi)在擋風(fēng)板上。本文介紹了將LonWorks總線技術(shù)應(yīng)用于鍋爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，使鍋爐實(shí)現(xiàn)節(jié)能、高熱效率運(yùn)行。

1、 系統(tǒng)框架

基于LON技術(shù)的整個(gè)鍋爐控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層次如圖1所示：

智能節(jié)點(diǎn)Ⅰ對(duì)鍋爐本體的主蒸汽溫度、主蒸汽壓力、主蒸汽流量、煤粉機(jī)速度、爐膛溫度等量進(jìn)行采樣;根據(jù)負(fù)荷設(shè)定主蒸汽壓力和溫度，與實(shí)際的主蒸汽壓力相比的偏差，進(jìn)行調(diào)解;通過輸出智能節(jié)點(diǎn)Ⅲ控制給煤機(jī)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)實(shí)際的主蒸汽壓力和溫度。

智能節(jié)點(diǎn)Ⅱ?qū)﹀仩t本體的煙氣含氧量、爐膛負(fù)壓、給煤機(jī)轉(zhuǎn)速、鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等量進(jìn)行采樣;通過煙氣含氧量與設(shè)定的煙氣含氧量比較取得偏差，進(jìn)行PID調(diào)節(jié);通過控制智能節(jié)點(diǎn)Ⅲ控制鼓風(fēng)變頻器，從而控制鼓風(fēng)機(jī)來調(diào)節(jié)氧氣量;通過爐膛負(fù)壓與設(shè)定的爐膛負(fù)壓比較取得偏差，進(jìn)行調(diào)節(jié);通過智能節(jié)點(diǎn)Ⅲ控制引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)爐膛負(fù)壓。

2、 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

鍋爐模糊控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分上位機(jī)、LON節(jié)點(diǎn)和單片機(jī)三層結(jié)構(gòu)，如圖2所示：

（1）模糊編輯器：位于管理層的上位機(jī)承擔(dān)模糊知識(shí)庫形成和編輯的任務(wù)。編輯器的功能可分為兩部分：一是提供方便的界面并由用戶修改模糊控制參數(shù)，然后將模糊參數(shù)轉(zhuǎn)換為神經(jīng)元芯片中的存儲(chǔ)格式準(zhǔn)備下載;二是通過DDE通信與服務(wù)器程序連接，設(shè)置相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)變量DDE客戶服務(wù)數(shù)據(jù)項(xiàng)目，能夠在第一步準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)下載至神經(jīng)元芯片中，也能獲得系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，這些實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)通過控件TeeChart轉(zhuǎn)換為波形并直觀地顯示在界面上，同時(shí)也被存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)文件中，以備進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析使用。程序與神經(jīng)元芯片中的通信是通過與使用DDE技術(shù)與LonWorks服務(wù)器程序通信，再由服務(wù)器程序和神經(jīng)元芯片通信而建立的。

（2）LonWorks控制模塊：位于控制層的LonWorks控制模塊，在內(nèi)嵌的神經(jīng)元芯片上開發(fā)了模糊控制程序，使控制系統(tǒng)既可以脫離PC機(jī)獨(dú)立工作，也可以通過網(wǎng)絡(luò)變量與PC機(jī)中的LonWorks DEE服務(wù)程序通信，獲得從模糊編輯器輸入新的模糊規(guī)則。

神經(jīng)元芯片與單片機(jī)通過I2C總線進(jìn)行通信，神經(jīng)元芯片為主機(jī)，單片機(jī)為從機(jī)。模糊推理所用的知識(shí)庫數(shù)據(jù)存放于神經(jīng)元芯片的E2PROM存儲(chǔ)器中，有一組初始值。系統(tǒng)運(yùn)行期間Lon總線可以從PC機(jī)獲得新的控制參數(shù)，從而完成控制參數(shù)的更新。由于使用了神經(jīng)元芯片，系統(tǒng)能很方便的掛接在Lon總線上，只須在程序中做少許改動(dòng)就可以與其他系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)分布式的智能監(jiān)控系統(tǒng)［page］

（3）單片機(jī)系統(tǒng)：位于鍋爐現(xiàn)場(chǎng)的單片機(jī)模塊，通過所配置的模擬量I/O、開關(guān)量I/O與被控對(duì)象相連。該模塊除了作為模糊控制的前端控制模塊外，還能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)PID閉環(huán)控制功能。其設(shè)計(jì)思想是：當(dāng)偏差較大時(shí)，采用模糊控制;在小偏差范圍內(nèi)換成PID控制。兩者的轉(zhuǎn)換有軟件根據(jù)事先設(shè)定的偏差范圍自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)不僅可以消除極限環(huán)震蕩，并在理論上使系統(tǒng)成為一個(gè)無差模糊控制器。

2.2 LonWorks神經(jīng)元芯片

LonWorks 神經(jīng)元芯片內(nèi)部有三個(gè)微處理器，分別為MAC處理器（通信處理器）、網(wǎng)絡(luò)處理器、和應(yīng)用處理器。MAC 處理器完成介質(zhì)訪問控制，即OSI七層協(xié)議的1和2層，其中包括碰撞回避算法。它和網(wǎng)絡(luò)處理器間通過使用網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)達(dá)到數(shù)據(jù)的傳輸。網(wǎng)絡(luò)處理器完成OSI 的3～6層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它處理網(wǎng)絡(luò)變量、地址、認(rèn)證、后臺(tái)診斷、軟件定時(shí)器、網(wǎng)絡(luò)管理和路由等進(jìn)程。網(wǎng)絡(luò)處理器使用網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)與MAC處理器進(jìn)行通信，使用應(yīng)用緩沖區(qū)和應(yīng)用處理器進(jìn)行通信;應(yīng)用處理器完成用戶的編程。

2.3 LonWorks智能節(jié)點(diǎn)

節(jié)點(diǎn)被稱為智能設(shè)備，它包括一個(gè)神經(jīng)元芯片，LonTalk收發(fā)器、存儲(chǔ)器、電源和外圍電路。節(jié)點(diǎn)是物理節(jié)點(diǎn)的抽象，應(yīng)用設(shè)備節(jié)點(diǎn)、路由器、網(wǎng)絡(luò)接口卡都是節(jié)點(diǎn)。LonWorks節(jié)點(diǎn)適合在物理上與之相連的現(xiàn)場(chǎng)I/O設(shè)備交互作用，并在控制網(wǎng)絡(luò)中使用LonTalk協(xié)議與其他節(jié)點(diǎn)互相通信的一類對(duì)象。

2.3.1 LonWorks 智能節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

LonWorks控制模塊與MCS-51單片機(jī)并行同心結(jié)點(diǎn)的硬件電路設(shè)計(jì)如圖2 所示。

Neuron 芯片提供有11個(gè)可編程的I/O引腳（IO0～I(xiàn)O10），它們可以配置多達(dá)34種不同的應(yīng)用對(duì)象，從而借助于最小的外接電路實(shí)現(xiàn)靈活的輸入/輸出功能。Neuron芯片的并行I/O對(duì)象需要使用全部11個(gè)引腳。其中：IO0～I(xiàn)O7用于雙向數(shù)據(jù)線，IO8～I(xiàn)O10用于控制信號(hào)線，它有三種工作方式，即主方式、從方式A和從方式B。工作在從方式B的Neuron芯片，在主機(jī)的地址空間，就像兩個(gè)寄存器，一個(gè)是讀/寫數(shù)據(jù)寄存器（偶地址），另一個(gè)是只讀狀態(tài)寄存器（奇地址）。主機(jī)正是通過對(duì)這兩個(gè)寄存器的訪問實(shí)現(xiàn)主機(jī)與Neuron 芯片之間的數(shù)據(jù)并行傳輸?shù)?。在從B方式下，IO0處作為數(shù)據(jù)低位外，還兼做握手HS位，用于主機(jī)與Neuron芯片的握手應(yīng)答;IO8作為片選信號(hào)位;IO9作為讀/寫信號(hào)線;IO10作為寄存器尋址輸入位。另外，由于并行通信要求雙方設(shè)備必須同步，無論MCS-51處理器和Neuron芯片哪一方復(fù)位，雙方都必須重新進(jìn)行同步。

2.3.2 LonWorks 智能節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

由于Neuron芯片內(nèi)部裝有LonTalk通信協(xié)議固件，因此無論Neuron芯片并行I/O對(duì)象工作于何種方式下，對(duì)于Neuron芯片來說，其實(shí)現(xiàn)軟件都相對(duì)容易。對(duì)于LonWorks控制模塊與MCS-51單片機(jī)的并行通信節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵在于MCS-51單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)。這是因?yàn)镸CS-51處理器內(nèi)不含LonTalk通信協(xié)議固件，因此要實(shí)現(xiàn)與Neuron芯片的并行數(shù)據(jù)傳輸，MCS-51處理器這方面必須復(fù)制Neuron芯片的行為，即能執(zhí)行Neuron 芯片的握手/令牌傳遞算法。

MCS-51處理器讀/寫操作通過CS線的一個(gè)負(fù)脈沖實(shí)現(xiàn)。在讀操作時(shí)，將導(dǎo)致Neuron芯片將數(shù)據(jù)放在總線上，使MCS-51處理器可以截取數(shù)據(jù)。在寫操作時(shí)，總線上的數(shù)據(jù)被Neuron芯片的輸入緩沖區(qū)截取。在讀/寫操作中，實(shí)際數(shù)據(jù)都在CS上升沿截?cái)唷?/p>

當(dāng)處理寫命令時(shí)，擁有寫令牌的Neuron芯片執(zhí)行when（io_in_ready（））或when（io_out_request（））功能，自動(dòng)寫入CMD_NULL和EOM.

為實(shí)現(xiàn)與并行I/O設(shè)備的通信并保證安全可靠，Neuron芯片由固件自動(dòng)執(zhí)行令牌傳遞協(xié)議，以防止總線沖突。在任何給定的時(shí)間內(nèi)，僅有一個(gè)設(shè)備擁有令牌。若MCS-51處理器擁有令牌，它將有權(quán)將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)發(fā)送給或?qū)⒘钆平唤oNeuron芯片;若Neuron 芯片擁有令牌，它可將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)發(fā)送給MCS-51處理器或交出令牌。

3 、結(jié)論

從以上分析可以看出該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1.系統(tǒng)是真正分布式控制模式，控制節(jié)點(diǎn)接近被控對(duì)象。

2.系統(tǒng)組態(tài)靈活，重新構(gòu)造或修改配置容易，增強(qiáng)或減少控制節(jié)點(diǎn)時(shí)不必改變物理結(jié)構(gòu)。

3.由于底層控制網(wǎng)絡(luò)與上層信息網(wǎng)可以方便互聯(lián)，形成一個(gè)完整的綜合管理系統(tǒng)（CIMS），實(shí)際上實(shí)現(xiàn)了控制與管理的集成一體化，使供熱小區(qū)管理現(xiàn)代化。

4.網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議已固化在控制節(jié)點(diǎn)內(nèi)部，節(jié)點(diǎn)編程簡(jiǎn)單，應(yīng)用開發(fā)周期短，改造擴(kuò)建只需更換節(jié)點(diǎn)或增加節(jié)點(diǎn)，只對(duì)節(jié)點(diǎn)編簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序而不影響系統(tǒng)程序，擴(kuò)展方便。

5.系統(tǒng)總體費(fèi)用低，升級(jí)改造費(fèi)用低。

為了改善鍋爐控制質(zhì)量，使系統(tǒng)達(dá)到集中監(jiān)測(cè)、管理，分散調(diào)解，獲得高效節(jié)能、智能化操作的目的，采用先進(jìn)的LON現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和模糊控制技術(shù)，對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，能達(dá)到很好的效果。

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