基于LonWorks总线技术实现锅炉自动化节能系统的设计

引言

锅炉是应用广泛的工业民用设备，据统计，全国小型锅炉超过30万台，每年耗煤量占我国原煤产量的1/3。目前，我国运行的多数锅炉由于控制水平不高，其效率普遍低于国家标准，大多数锅炉仍处于能耗高、环境污染严重的生产状态，每年因为热效率低而多消耗的标准煤达到2000多万吨。锅炉消费大量燃煤的同时还耗费了大量的电能，目前使用较多的中小型锅炉是通过挡风板对鼓风量和引风量进行调节，这将大量的电能耗费在挡风板上。本文介绍了将LonWorks总线技术应用于锅炉自动化控制系统中，使锅炉实现节能、高热效率运行。

1、 系统框架

基于LON技术的整个锅炉控制系统的网络层次如图1所示：

智能节点Ⅰ对锅炉本体的主蒸汽温度、主蒸汽压力、主蒸汽流量、煤粉机速度、炉膛温度等量进行采样;根据负荷设定主蒸汽压力和温度，与实际的主蒸汽压力相比的偏差，进行调解;通过输出智能节点Ⅲ控制给煤机转速，从而调节实际的主蒸汽压力和温度。

智能节点Ⅱ对锅炉本体的烟气含氧量、炉膛负压、给煤机转速、鼓风机转速引风机转速等量进行采样;通过烟气含氧量与设定的烟气含氧量比较取得偏差，进行PID调节;通过控制智能节点Ⅲ控制鼓风变频器，从而控制鼓风机来调节氧气量;通过炉膛负压与设定的炉膛负压比较取得偏差，进行调节;通过智能节点Ⅲ控制引风机的转速来调节炉膛负压。

2、 硬件电路设计

2.1 总体结构

锅炉模糊控制系统硬件设计分上位机、LON节点和单片机三层结构，如图2所示：

（1）模糊编辑器：位于管理层的上位机承担模糊知识库形成和编辑的任务。编辑器的功能可分为两部分：一是提供方便的界面并由用户修改模糊控制参数，然后将模糊参数转换为神经元芯片中的存储格式准备下载;二是通过DDE通信与服务器程序连接，设置相应的网络变量DDE客户服务数据项目，能够在第一步准备好的数据下载至神经元芯片中，也能获得系统的实时运行数据，这些实时运行数据通过控件TeeChart转换为波形并直观地显示在界面上，同时也被存储在数据文件中，以备进一步的数据分析使用。程序与神经元芯片中的通信是通过与使用DDE技术与LonWorks服务器程序通信，再由服务器程序和神经元芯片通信而建立的。

（2）LonWorks控制模块：位于控制层的LonWorks控制模块，在内嵌的神经元芯片上开发了模糊控制程序，使控制系统既可以脱离PC机独立工作，也可以通过网络变量与PC机中的LonWorks DEE服务程序通信，获得从模糊编辑器输入新的模糊规则。

神经元芯片与单片机通过I2C总线进行通信，神经元芯片为主机，单片机为从机。模糊推理所用的知识库数据存放于神经元芯片的E2PROM存储器中，有一组初始值。系统运行期间Lon总线可以从PC机获得新的控制参数，从而完成控制参数的更新。由于使用了神经元芯片，系统能很方便的挂接在Lon总线上，只须在程序中做少许改动就可以与其他系统构成一个分布式的智能监控系统［page］

（3）单片机系统：位于锅炉现场的单片机模块，通过所配置的模拟量I/O、开关量I/O与被控对象相连。该模块除了作为模糊控制的前端控制模块外，还能独立实现PID闭环控制功能。其设计思想是：当偏差较大时，采用模糊控制;在小偏差范围内换成PID控制。两者的转换有软件根据事先设定的偏差范围自动实现。这种结构不仅可以消除极限环震荡，并在理论上使系统成为一个无差模糊控制器。

2.2 LonWorks神经元芯片

LonWorks 神经元芯片内部有三个微处理器，分别为MAC处理器（通信处理器）、网络处理器、和应用处理器。MAC 处理器完成介质访问控制，即OSI七层协议的1和2层，其中包括碰撞回避算法。它和网络处理器间通过使用网络缓冲区达到数据的传输。网络处理器完成OSI 的3～6层网络协议，它处理网络变量、地址、认证、后台诊断、软件定时器、网络管理和路由等进程。网络处理器使用网络缓冲区与MAC处理器进行通信，使用应用缓冲区和应用处理器进行通信;应用处理器完成用户的编程。

2.3 LonWorks智能节点

节点被称为智能设备，它包括一个神经元芯片，LonTalk收发器、存储器、电源和外围电路。节点是物理节点的抽象，应用设备节点、路由器、网络接口卡都是节点。LonWorks节点适合在物理上与之相连的现场I/O设备交互作用，并在控制网络中使用LonTalk协议与其他节点互相通信的一类对象。

2.3.1 LonWorks 智能节点硬件设计

LonWorks控制模块与MCS-51单片机并行同心结点的硬件电路设计如图2 所示。

Neuron 芯片提供有11个可编程的I/O引脚（IO0～IO10），它们可以配置多达34种不同的应用对象，从而借助于最小的外接电路实现灵活的输入/输出功能。Neuron芯片的并行I/O对象需要使用全部11个引脚。其中：IO0～IO7用于双向数据线，IO8～IO10用于控制信号线，它有三种工作方式，即主方式、从方式A和从方式B。工作在从方式B的Neuron芯片，在主机的地址空间，就像两个寄存器，一个是读/写数据寄存器（偶地址），另一个是只读状态寄存器（奇地址）。主机正是通过对这两个寄存器的访问实现主机与Neuron 芯片之间的数据并行传输的。在从B方式下，IO0处作为数据低位外，还兼做握手HS位，用于主机与Neuron芯片的握手应答;IO8作为片选信号位;IO9作为读/写信号线;IO10作为寄存器寻址输入位。另外，由于并行通信要求双方设备必须同步，无论MCS-51处理器和Neuron芯片哪一方复位，双方都必须重新进行同步。

2.3.2 LonWorks 智能节点软件设计

由于Neuron芯片内部装有LonTalk通信协议固件，因此无论Neuron芯片并行I/O对象工作于何种方式下，对于Neuron芯片来说，其实现软件都相对容易。对于LonWorks控制模块与MCS-51单片机的并行通信节点的实现，关键在于MCS-51单片机的软件设计。这是因为MCS-51处理器内不含LonTalk通信协议固件，因此要实现与Neuron芯片的并行数据传输，MCS-51处理器这方面必须复制Neuron芯片的行为，即能执行Neuron 芯片的握手/令牌传递算法。

MCS-51处理器读/写操作通过CS线的一个负脉冲实现。在读操作时，将导致Neuron芯片将数据放在总线上，使MCS-51处理器可以截取数据。在写操作时，总线上的数据被Neuron芯片的输入缓冲区截取。在读/写操作中，实际数据都在CS上升沿截断。

当处理写命令时，拥有写令牌的Neuron芯片执行when（io_in_ready（））或when（io_out_request（））功能，自动写入CMD_NULL和EOM.

为实现与并行I/O设备的通信并保证安全可靠，Neuron芯片由固件自动执行令牌传递协议，以防止总线冲突。在任何给定的时间内，仅有一个设备拥有令牌。若MCS-51处理器拥有令牌，它将有权将准备好的数据发送给或将令牌交给Neuron芯片;若Neuron 芯片拥有令牌，它可将准备好的数据发送给MCS-51处理器或交出令牌。

3 、结论

从以上分析可以看出该系统具有以下特点：

1.系统是真正分布式控制模式，控制节点接近被控对象。

2.系统组态灵活，重新构造或修改配置容易，增强或减少控制节点时不必改变物理结构。

3.由于底层控制网络与上层信息网可以方便互联，形成一个完整的综合管理系统（CIMS），实际上实现了控制与管理的集成一体化，使供热小区管理现代化。

4.网络通讯协议已固化在控制节点内部，节点编程简单，应用开发周期短，改造扩建只需更换节点或增加节点，只对节点编简单的应用程序而不影响系统程序，扩展方便。

5.系统总体费用低，升级改造费用低。

为了改善锅炉控制质量，使系统达到集中监测、管理，分散调解，获得高效节能、智能化操作的目的，采用先进的LON现场总线技术和模糊控制技术，对其控制系统进行改造，能达到很好的效果。

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