LonWorks在自動溫度控制系統(tǒng)中的應用

　　一.概述：

　　1999年7月，某生物制劑有限責任公司有一套反應罐自動溫度控制系統(tǒng)項目需要進行研制開發(fā)，用戶指定要求采用LonWorks技術并在北京、上海聯(lián)系了幾家LonWorks設備廠商進行方案設計和報價，我單位以系統(tǒng)方案合理、質(zhì)量可靠、價格低贏得該項目。

　　二.系統(tǒng)構成：

　　系統(tǒng)共有48個反應罐和3條冷媒管線自動恒壓供液控制。系統(tǒng)總的輸入點有268個，輸出點有150個，總的系統(tǒng)網(wǎng)絡通信變量有1800個。

　　1.一類控制對象模塊配置：

　　一類控制對象有48個反應罐，采用MA2125控制模塊，每個模塊分別控制：

　　PT100溫度輸入4點

　　開關量輸入(光電隔離)6點

　　繼電器輸出(AC220V1A，感性負載)6點

　　每個MA2125控制模塊可控制2個反應罐。采用這種方式控制，可以大大降低總系統(tǒng)的造價。由于每個反應罐的測量控制點都集中在一個控制模塊中，這樣可以極大提高系統(tǒng)的可靠性和提高控制速度。

　　2.二類控制對象模塊配置：

　　二類控制對象有3條冷媒管線自動恒壓供液控制。

　　采用MA2126控制模塊，每個模塊分別控制：

　　PT100溫度輸入2點

　　4～20mA電流輸入3點

　　4～20mA電流輸出1點

　　開關量輸入(光電隔離)2點

　　繼電器輸出(AC220V1A，感性負載)1點

　　每個MA2126模塊控制1條冷媒管線自動恒壓供液控制。

　　3.其它模塊配置：

　　MA2113時鐘模塊1個

　　MA2121PC-LonWorks控制模塊2個

　　4.系統(tǒng)滿足下列技術條件要求：

　　(1)各種工藝流程圖畫面顯示切換，包含電機旋轉、攪拌等狀態(tài)變化，液體流動模擬顯示。

　　(2)系統(tǒng)工藝各項參數(shù)調(diào)整設置，標準工藝曲線設置、存儲、調(diào)用。

　　(3)各種歷史曲線、實時曲線、數(shù)字顯示。

　　(4)各種曲線、事件查詢。

　　(5)各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)、事件報表。

　　(6)畫面曲線、事件報表輸出打印。

　　(7)系統(tǒng)2臺上位機雙機熱備份。

　　(8)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)均可用MODEM遠程撥號上網(wǎng)瀏覽。

　　三.系統(tǒng)實現(xiàn)方案介紹：

　　交通部上海船舶運輸科學研究所于1998年研制成功了STI-VC2100MA系列控制模塊，該模塊是一種基于LonWorks控制技術系統(tǒng)的低成本、高性能的現(xiàn)場總線系統(tǒng)模塊，能在高濕、高溫、沖擊、振動、腐蝕、強電磁干擾等惡劣的環(huán)境下工作，由該系列模塊組成的STI-VC2100MA系統(tǒng)，符合中國船檢局頒發(fā)的《鋼質(zhì)海船建造規(guī)范》以及軍用標準《艦船自動控制規(guī)范》的要求，已通過中國船級社認證和勞氏船級社環(huán)境條件標準試驗。系統(tǒng)主要環(huán)境運行條件和技術指標如下：

　　工作溫度范圍：-25℃～+70℃

　　相對濕度：〈98%55℃時

　　振動：±1.0g

　　電磁兼容性符合IEC801《電磁兼容性》的要求

　　電源電壓：直流18V～36V

　　A/D、D/A轉換精度：0.5%

　　STI-VC2100MA系列控制模塊已通過中國船級社認證和勞氏船級社環(huán)境條件標準試驗,以下是試驗內(nèi)容：

　　(1)電源變化試驗。

　　(2)電源故障試驗。

　　(3)耐電壓試驗。

　　(4)絕緣電阻測試。

　　(5)高溫試驗。

　　(6)濕熱試驗。

　　(7)振動試驗。

　　(8)輻射電磁場干擾試驗。

　　(9)電快速瞬變脈沖群試驗。

　　(10)射頻傳導干擾試驗。

　　在系統(tǒng)的開發(fā)實施過程中，遇到許多復雜問題，我們通過以下幾點措施保證了系統(tǒng)的順利實施。

　　1.我們采用以下方法設計了系統(tǒng)中的核心模塊————LonWorks控制模塊，該模塊抗干擾性能好，已成功應用于船舶控制及工業(yè)現(xiàn)場控制，能夠滿足本系統(tǒng)的要求。

　　(1)嚴格按照LonMark互通協(xié)會的設計要求進行設計與布線。全部選用高質(zhì)量低功耗的貼片元器件。

　　(2)根據(jù)摩托羅拉公司的建議我們采用6層板的PCB設計，電源層和地層分開，6層的電路板與2層電路板相比可大大減少電磁干擾(EMI)，因為附加的層便于VCC去耦及更有效地進行邏輯的地保護。大大提高模塊抗干擾能力。

　　(3)為保護在芯片上的EEPROM，使得當VDD低于工作電壓時不至邏輯混亂，我們采用低電壓指示(LVI)芯片保護EEPROM。選用了ECHELON推薦的DS1233貼片設計(ECHELON公司的LonWorks產(chǎn)品中全部采用DS1233)。

　　(4)與ECHELON的FTT控制模塊(Model55020-10)全兼容，但ECHELON的控制模塊只有內(nèi)置2KRAM，編制較大規(guī)模程序時可能出現(xiàn)內(nèi)存不夠。因此我們在LonControl控制模塊中增加了26K的外部RAM，這樣一來用戶就可以增大LonWorks通信中的發(fā)送和接收緩沖區(qū)，大大提高實時通信效率。也便于用戶編寫大型C程序。

　　(5)在模塊中增加了SERVICE指示燈和SERVICE按鈕，便于用戶下載程序和直觀地顯示運行狀態(tài)。

　　(6)由于原來的模塊只有11個IO，IO腳太少。我們利用原模塊中的3個空腳，擴展了輸出的3個IO，開放給用戶使用。

　　2.設計了一塊PC機上的LonWorksPC接口卡，該接口卡采用雙端口RAM技術使得LonWorks的3150和PC機進行數(shù)據(jù)交換，PC機上影射一塊3150的內(nèi)存，進行通信網(wǎng)絡變量的數(shù)據(jù)交換，采用這種方式，數(shù)據(jù)交換速度非常快，而且編程方便。該接口卡無需驅動程序，在WINDOWS98下利用VB或VC直接進行內(nèi)存讀寫。

　　3.該系統(tǒng)上位機經(jīng)初步統(tǒng)計變量有3700多個，如此多的變量采用LonWorks的網(wǎng)絡變量進行數(shù)據(jù)傳輸將是勉為其難。我們經(jīng)過研究，決定采用LonWorks的顯形報文通信格式進行數(shù)據(jù)通信，這樣一來可以不用LonMaker和LNSDDE，一方面降低了系統(tǒng)成本，另一方面更換模塊時不需要進行LomMaker網(wǎng)絡變量的安裝，便于用戶維修更換。具體實施辦法為每個控制模塊都設置了一個唯一的地址碼開關，程序上電運行時將這個地址碼設置成為控制模塊的機號。如果維修時需要更換控制模塊，將新模塊的地址設置成要更換模塊相同的地址即可以直接替換。

　　4.在上位機上利用原來的標準DDE程序進行數(shù)據(jù)通信時我們發(fā)現(xiàn)交換速度太慢，通過對DDE程序的深入研究，我們改進了DDE交換數(shù)據(jù)過程，采用了快速DDE算法程序，提高了數(shù)據(jù)的交換速度，該系統(tǒng)的所有通信數(shù)據(jù)均在1秒鐘內(nèi)更新完畢。

　　5.控制模塊元器件選用進口工業(yè)級微功耗表面貼片器件，功耗很低，系統(tǒng)工作時不會發(fā)熱。接插件選用德國公司的產(chǎn)品。結構簡單，模塊為可插拔DIN結構，維護極為方便。電源線、通信線無極性，可以隨意接。

　　四.結論：

　　目前該系統(tǒng)已經(jīng)提交給用戶，在提交過程中，用戶采用了多種干擾方法對系統(tǒng)進行干擾，系統(tǒng)從來沒有出現(xiàn)過死機、離線的現(xiàn)象，比用戶以前曾經(jīng)用過的LonWorks產(chǎn)品相比系統(tǒng)的可靠性有大大提高。

　　針對我國國產(chǎn)船舶監(jiān)控產(chǎn)品設計手段落后，生產(chǎn)加工工藝差導致監(jiān)控產(chǎn)品故障率居高不下(工藝差是目前我國監(jiān)控產(chǎn)品故障率高的最主要原因)的現(xiàn)狀。我國通過世界銀行投資在我所成立了國家級的船舶運輸控制工程中心，嚴格遵照國際ISO9001標準(我所通過了ISO9001質(zhì)量體系認證)，解決科研成果產(chǎn)品化問題。從電子電路及印刷電路板設計自動化(EDA)，印刷電路板的自動焊接及測試(SMT)，機械設計(CAD)和機械加工(CAM)到油漆噴涂等引進了一整套國外最先進的設計與制造自動化設備。

　　STI-VC2100MA系統(tǒng)的電路設計就采用了工程中心的EDA設備，保證了電路設計的合理性、電氣性能的穩(wěn)定性和抗干擾的能力。印刷電路板的焊接，采用工程中心表面貼裝設備自動焊接，根除了由于虛焊等工藝問題造成的設備故障。控制臺采用工程中心的CAD/CAM進行加工制造，解決了控制臺的設計與加工工藝問題。因此STI-VC2100MA系統(tǒng)的加工工藝水平在國內(nèi)是獨一無二的，具有很高的可靠性。