11 LonWorks技术的监控网络实验模型的研究与实现(上)

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1、“!#$%&技术及其应用”讲座第(讲基于!#$%&技术的监控网络实验模型的研究与实现（上）王俊杰谢春燕（清华大学自动化系，北京()*+）随着我国经济的迅猛发展和城市规模的不断扩大，国内大中城市的集中供热系统发展十分迅速。它对于改善城市大气污染，降低能源消耗都具有十分重要的意义。以北京为例，由发电厂供给的热水首先分配给上百个热力站，经过热交换并控制压力、流量后提供给楼宇冬季供暖。另外，还有一部分过热蒸汽提供给工厂企业，作为热源在生产过程中使用。因此，无论是热水网或蒸汽网都是一个典型的多站点，分布式管网系统。对于这样一个供热系统的监测和控制，经历过几个阶段，最初为人工监视、手工操作，现在发展到仪表

2、测控、人工抄表、电话联络。但随着供热规模日益扩大，供热容量迅速增加，目前的技术手段已不能满足要求。为了确保供热管网的安全、高效运行，保证城市功能的正常运作，必须使用新的技术手段，即采用一种分布式多节点监控网络的技术来完成城市集中供热系统的管理。经过论证，我们认为!#$%&技术完全能够担当此重任。为此，我们研制了一个采用!#,$%&技术的分布式、多节点监控网络实验模型，为将来的工程实施进行必要的技术储备和经验积累。(监控网络实验模型的功能及作用整个实验模型的监控对象为三个模拟的热力站，其中一个为热水站，两个为蒸汽站，每个热力站的被测参数如表(所示。表(热力站被测参数热力站名称监测参数热水站高温水

3、温度!(，低温水温度!(-，流量（频率）(!蒸汽站蒸汽压力#-，蒸汽温度!-，蒸汽流量（差压）#-!蒸汽站蒸汽压力#.，蒸汽温度!.，蒸汽流量（差压）#.整个监控网络由/个智能节点组成。它们是模拟量输入节点（0 1节点），频率量输入节点（2 1节点），开关量输入节点（3 1节点），开关量输出节点（3 4节点），模拟量输出节点（0 4节点），!5 3显示节点（!5 3节点）以及6 7监控节点（6 7节点）。所有的节点在网络上都是平等的，没有主次之分，把6 7节点去掉后，其它节点的运行依旧照常。网络采用自由拓扑结构，它不同于传统的总线型、环型、星型等结构，而是!#,$%&技术所特有的一种型式，使用

4、起来十分自由、方便。传输媒体为无屏蔽双绞线。智能节点的核心为5 8 9:;#公司开发的 62=()型自由拓扑双绞线控制模块，它内含自由拓扑结构的2?。在自由拓扑结构时，最大传输距离为A)B。在双终端适配器总线拓扑结构时，最大传输距离可达-/)B。对于不同的节点，除 62=()控制模块外，再加上外围信号调理电路，并写入特定的用户应用程序后就成为一个智能节点单元。实验模型的网络系统结构如图(所示。图(自由拓扑网络系统结构有关/个节点的功能及互相作用在下面作一介绍。#0 1节点：*路模拟量输入，符号定义为0 1($0 1*，其中+路为($A C，D E 8 E输入，+路为+$-)B 0，D E 8

5、E输入，分别采集.个热站的各种参数并进行有关参数的计算（见表-）。%2 1节点：(路输入信号，为占空比A)F的方波，信号幅值为)$A C，频率为)$-)G H连续可变。它模拟热水站中漩涡流量计的信号，所测的热水体积流量为)$()B.9。&3 1节点：在*路开关量输入中有+路是触发电平、+路是开关电平，符号定义为3 1($3 1*。其中，(A“!#$%&技术及其应用”讲座 第(讲 基于!#$%&技术的监控网络实验模型的研究与实现（上）王俊杰万方数据表!#节点监控参数一览表符号输入量参数与量程!#!$%，&(!#：)!*)+!*#!$%，&(!#*：)!*)+!,#!$%，&(!*：*)!-)+!

6、-#!$%，&(!,：*)!-)+!$-!*).!，&(*：)!-)./0!1-!*).!，&(*：#2)!*2$3 4 5!6-!*).!，&(,：)!-)./0!7-!*).!，&(,：#2)!*2$3 4 5-个触发电平信号可分别检查8 9节点上连接的,个指示灯和#个蜂鸣器的功能是否正常。另外-个开关电平信号进行组合后，可控制:;8节点的显示参量。触发电平和开关电平操作与功能如表,和表-所示。表$触发电平的操作与功能符号操作功能8#按下 抬起检测8 9#红灯亮 灭8*按下 抬起检测8 9*绿灯亮 灭8,按下 抬起检测8 9,兰灯亮 灭8-按下 抬起检测8 9-蜂鸣器响 静表%开关电平的操

7、作与功能8$，8 1，8 6，8 7含义:;8显示格式)热水站高温水温度#=)#热水站低温水温度*=)#)#站蒸汽温度,=)#)#站蒸汽压力#4=#)*#站蒸气温度-=#)#*#站蒸汽压力*4=#)系统瞬时耗热量=#系统累积耗热量/=$8 9节点：-路开关量输出分别控制,个信号灯（红、绿、蓝）和#个音响蜂鸣器，它们的符号定义为8 9#!8 9-。在运行中，它们分别表示#蒸汽站蒸汽温度和压力的工作状态。蒸汽温度和压力分别在*$)!,$)+及#2*!*2*3 4 5之间为正常状态，超过这个范围就会引起上、下限报警。#蒸汽站温度和压力状态及报警情况如表$所示。表&!蒸汽站温度压力工作状态及报警情况工

8、作状态报警情况红灯绿灯蓝灯蜂鸣器*，!*正常灭亮灭静!*过上限亮灭灭响!*过下限灭灭亮响*过上限亮亮灭响*过下限亮灭亮响%!9节点：,路7位串行8!转换，符号为!9#!9,，输出)!*%，&(，其中*路直接和双笔记录仪连接，记录系统瞬时热量#和总累积热量!#的变化曲线。&:;8节点：由3?A?B 5公司生产的3#-7 C芯片驱动，$位:;8数码管显示器，根据8 中-个开关电平的不同组合，可显示C个参量，如表-所示。4 节点：4 通过插于机内 D!总线上的4 :E!适配卡或通过外置的连接到4 上F DG*,*串行接口的D:E!*适配器都可与:?H I?A J K网络进行通信，这样:?H I?A

9、J K网上的数据就可以传输到4 中，由此可进入企业级的管理信息系统中去。4 节点可以实时监测网络中各种参数的变化，并进行参数的计算和修改。4 节点进行采集后，必须经过一定的运算才能得到需要的有关量值。主要的运算有：*个蒸汽站中节流差压式蒸汽流量的计算以及蒸汽瞬时热量和累积热量的计算。即：$%)2)#*$*!&*#（!，）（#）#%$（!，）（*）!#%#!*!#$（!，）&!（,）#个热水站的热水流量的计算，瞬时热量和累积热量的计算。即：$%($#（!）（-）#%$#（!）)*（!）（$）!#%#!*!#$#（!）)*（!）&!（1）式中：$为介质流量；!介质温度；#为瞬时热量；为介质压力；!

10、#为累积热量；$为旋涡流量计仪表常数；!为节流元件流量系数；(为漩涡流量计输出频*$自动化仪表 第*#卷第6期*)年6月()*+,-./*0 /#*1#1-/).0,1/#*1，2 3 4 5*#，1 3 5 6，6 7 4 8，*)万方数据率；!为蒸汽的膨胀压缩系数；!为节流件开孔直径；为介质密度；!为差压；#为介质焓值。全部运算均在!节点和#$节点中完成，监控网络实验模型的网络变量关系如图%所示。图%监控网络实验模型的网络变量关系!监控网络实验模型的硬件实现各节点的硬件均采用&()*+,公司的-!.-/0 1型自由拓扑控制模块来实现，控制模块的功能原理如图2所示。该模块实际上是一个最小系统

11、，它包括3)4 5+,2 0 6 1神经元芯片，一个2%7字节!8 封装的9-!（一次写入，不可擦）的%:%6;!?晶振，一个0 针的与用户外围信号调理电路连接的插头，一个;针的与通信用的非屏蔽双绞线连接的插头，并需要6 A，B C C的电源。根据不同的节点功能，我们设计了相应的外围信号调理电路来代表系统中的传感器、变送器和执行器。在我们设计的信号调理电路板上，根据控制模块的标准尺寸和插头，专门设计了与之相连接的插座，将控制模块象一个元件一样插入到电路板上，这就大大地简化了硬件的设计开发工作。图2-!.-/0 1型自由拓扑控制模块基本结构!C#$节点#$节点的作用是要进行模拟量的采集，首先要进

12、行#D转换，因为神经元芯片具有很强的串行通信能力，它支持专用的神经元接口3)4 5+E F 5)和通用的$%等双向串行通信方式。其中，3)4 5+E F 5)方式是与=+GH+5+*I公司的J!$串行通信方式兼容的，另外它也支持多种单工的串行通信方式，所以采用美国国家半导体公司的三线半双工路位串行#D转换器#D 1 2，它符合3 J=$9 K#1:为路输入通道，D$、D 9为双向数字量通道，8 7为时钟信号。#D 1 2 的启动以及通道选择（又分奇数和偶数通道）和输入方式选择是通过串行输入获得的，控制串的定义如表;所示。除第0位起始标志外，后M位的组合可以选通不同的输入通道，也可以组成单端或差

13、分方式。在不同的输入方式下，其单端多路选通模式如表:所示。#D 1 2 从接收控制字的起始位开始，到转换完成，共需%0个串行时钟脉冲，其中6个用于输入控制字，剩下的0;个脉冲用来向!N发送转换结果，转换结果只有位，即0;个脉冲中的前位是转换结果的最高有效位（=J O）在前，后位是转换结果的最低有效位（8 J O）在前。根据#D 1 2 的时序，可以计算出神经元芯片与#D 1 2 协同工作时完成一次转换所用的时间，神经元芯片的主频为6=?，串行通信的时钟频率最高为0 1 7 P Q R。完成一次转换为%0个时钟脉冲，则转换时间为%00 1 S%T 0（U R）。路通道完成转换大约为0;U R，以

14、0 R为采样间隔完全可满足要求。对神经元芯片的$9模式选用了串行的3)4 5+E F 5)$9主动方式。神经元芯片的$9V和$90 1与#D 1 2 的D$和D 9相连，完成双向数字量传输，$9与 8 7相连完成时钟脉冲的传输，$91与 J相连完成片选作用。表%#&()*)控制串的定义起始位单端 差分输入奇 偶通道选择位0选择位1J-#-J W 8D$.9 D DJ$W 3 J&8&-0J&8&-126“+,-.,/0 1技术及其应用”讲座 第0 0讲 基于+,-.,/0 1技术的监控网络实验模型的研究与实现（上）王俊杰万方数据表!单端多路选通模式多路开关地址模拟信号单端通道!#$%&$!%(

15、!)#)*+,-,./0123*4,-56,-,56,-,-56,-,56,-56,-,56,-56,56 7#$节点8 节点的功能是将网络上其它节点传来的数据转换成模拟信号，输出到记录仪上，以记录瞬时热量!和总累积热量!。$8转换器采用4 9:;1,.数 模转换芯片。48 1,.芯片的管脚定义及与神经元芯片的连接如图1所示，它是一个,0脚的双列直插器件。/路=位电压输出数模转换通道为$8*8，$8*?和$8*（即=，和,-管脚），其中$8*8和?的输出缓冲器对于在A$（1管脚）或A!（3管脚）-B 1 A范围内的电压可以提供或吸收1 1,.使用单一51 A、误差在,-C以内的电源工作。D)&

16、8?（,.管脚）是$8*8和?的参考电压输入端，#E+（,0管脚）是逻图1 4 8 1,.管脚定义及与神经元芯片的连接辑电压输出端。我们只使用$8*8和?两路输出。表%输入移位寄存器控制字节的定义#8（,）装载$8*8寄存器，高电平有效#?装载$8*?寄存器，高电平有效#*装载$8*寄存器，高电平有效!8$8*8停机，高电平有效!?$8*?停机，高电平有效!*$8*停机，高电平有效F,逻辑输出F.（.）未定义位注：（,）最后由时钟同步输入；（.）最后由时钟同步输入。/路串行接口的最高工作频率是1 4G H，且与!I%、F!I%和4%*D J8 D)兼容。串行输入移位寄存器长度为,2位，其中=位

17、属于控制字，另外=位为$8*的输入数据。低电平有效的片选信号*!（管脚.）使移位寄存器能接收来自串行输入的数据，数据在串行时钟信号!*#K（管脚/）的每一个上升沿由时钟同步送入输入移位寄存器。数据以最高有效位（4!?）在前的方式传送，且可以在一个,2位字内发送。当*!保持低电平有效时，写周期可以在任何时候被中断，以允许.个=位宽的数据被传送。在所有的,2位数据由时钟同步送入输入移位寄存器之后，表&串行接口输入数据格式控制数据功能F.F,!*!?!8#*#?#8?3?-无关对$8*无操作,-=位$8*数据对$8*装载数据-,-=位$8*数据对$8*?装载数据-,=位$8*数据对$8*8装载数据,

18、=位$8*数据装载所有$8*寄存器-无关所有$8*有效,-无关停机$8*-,-无关停机$8*?-,无关停机$8*8,无关停机所有$8*-无关复位#E+,无关设置#E+01自动化仪表 第.,卷第3期.-年3月($)*+#,-$.#-/$0/0+-(,.*0-#-/$0，1 2 3 4.,，0 2 4 3，5 6 3 7，.-万方数据!的上升沿可以更新#$!的输出以及停机状态和逻辑输出状态。由于是单缓冲结构，各路#$!不能同时更新至不同的数值。表%列出的是输入移位寄存器控制字节的定义。而表&则列出了串行接口输入数据格式。(位输入字由%位控制字和%位数据字组成，%位控制字每一位执行一种功能，数据由时

19、钟同步送入，首先是)*（未定义），随后是其余控制位和数据字节，数据字节的最低有效位+,是由时钟同步送入移位寄存器的最后一位。连接方式仍采用串行的-./0 1 2 3 0.45主动方式，神经元芯片的45&与6$7 8 *的#4-（管脚）相连，完成单向数字量的传送，45%与!9:相连完成时钟脉冲传输，45,与!相连完成片选作用。!;#$%节点9?公司的6!%&芯片，该芯片采用 A 4串行外部设备接口，可以很容易与神经元芯片的-./0 1 2 3 0.45串行接口相连。6!%&与神经元芯片连接原理在本讲座第B讲中已经详细介绍，这里不再赘述。!;&(节点C 4节点的功能是采集从漩涡流量计传送来的与流量

20、信号成正比的频率信号。频率信号可通过神经元芯片的45!45D管脚中的任一个送入。而与频率测量有关的主要有两种方式，一种为脉冲计数法，另一种为周期测量法。这两种测量频率的方法根据特点，其适用的范围也不相同。脉冲计数法比较适合频率适中和对系统响应要求不高的场合，因为计数的固定时间间隔为,E%B%(,%F，如果频率太低，则计数值很小，会造成较大的误差，而且系统响应时间固定为 F。采用周期测量法则相对灵活，测量脉冲周期的数值是一个(位的字，最大为(8 8 B 8，这个值的大小与神经元芯片的主频有关，虽然测量值最大为(8 8 B 8，但用户可以有D档测量速度选择，而且可以在用户应用程序中动态改变，这样就

21、大大扩大了测量范围，具体公式如下：周期（G F）H测量返回值I*,I*J（测量时钟档）系统主频（6K L）以8 6K L主频为例，最低约可以测到,E B K L，最高可到*E 8 6K L。输入采用神经元芯片的定时器 计数器输入模式中周期输入方式，把流量变送器的频率值直接送入45管脚。!;)%(和%*节点#4和#5节点的硬件结构比较简单。它们均采用神经元芯片直接45模式中的位输入、位输出方式。#4节点上共有%个开关量输入接到神经元芯片的45,!45D的%个口上，如图(所示。图(#4节点与神经元芯片的连接#5节点共有个开关量输出接到神经元芯片的45,!45B的个口上，#5节点的输出直接推动三极管

22、进行电流放大，然后推动继电器M动作，继电器M的常开和常闭节点作为输出，可接报警指示灯和报警音响器，如图D所示。图D#5节点与神经元芯片的连接为了调试方便，在节点模块上还装有一个*,针插座，以便和-1 N.+/3 N.0上的仿真器插头连接。*,针插座和-./0 1 GB 8,45管脚是并联在一起的。此外，在节点模块上还装有*个9#指示灯和一个按钮。一个9#指示O 8 P电源的工作情况，另一个9#和按钮组合构成.0 Q 3 R.电路，它是为了网络的安装而专门设计的，如图%所示。通过将神经元芯片的.0 Q 3 R.管脚接地，神经元芯片会自动将片内的全球唯一的%位神经元芯片标识符-./0 1 G 4#通过传输媒介发送到网上，由网络安装软件读取，并完成节点的安装工作。图%.0 Q 3 R.电路原理88“#+,-+./0技术及其应用”讲座 第 讲 基于#+,-+./0技术的监控网络实验模型的研究与实现（上）王俊杰万方数据