LonWorks在自動溫度控制系統中的應用

　　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項目需要進行研制開發，用戶指定要求采用LonWorks技術并在北京、上海聯系了幾家LonWorks設備廠商進行方案設計和報價，我單位以系統方案合理、質量可靠、價格低贏得該項目。

　　二.系統構成：

　　系統共有48個反應罐和3條冷媒管線自動恒壓供液控制。系統總的輸入點有268個，輸出點有150個，總的系統網絡通信變量有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、攪拌等狀態變化，液體流動模擬顯示。

　　(2)系統工藝各項參數調整設置，標準工藝曲線設置、存儲、調用。

　　(3)各種歷史曲線、實時曲線、數字顯示。

　　(4)各種曲線、事件查詢。

　　(5)各種生產數據、事件報表。

　　(6)畫面曲線、事件報表輸出打印。

　　(7)系統2臺上位機雙機熱備份。

　　(8)系統的數據和狀態均可用MODEM遠程撥號上網瀏覽。

　　三.系統實現方案介紹：

　　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控制技術系統的低成本、高性能的現場總線系統模塊，能在高濕、高溫、沖擊、振動、腐蝕、強電磁干擾等惡劣的環境下工作，由該系列模塊組成的STI-VC2100MA系統，符合中國船檢局頒發的《鋼質海船建造規范》以及軍用標準《艦船自動控制規范》的要求，已通過中國船級社認證和勞氏船級社環境條件標準試驗。系統主要環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境條件標準試驗,以下是試驗內容：

　　(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。

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

　　1.我們采用以下方法設計了系統中的核心模塊————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現場控制，能夠滿足本系統的要求。

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

　　(2)根據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的控制模塊只有內置2KRAM，編制較大規模程序時可能出現內存不夠。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通信中的發送和接收緩沖區，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。

　　(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機進行數據交換，PC機上影射一塊3150的內存，進行通信網絡變量的數據交換，采用這種方式，數據交換速度非?？?，而且編程方便。該接口卡無需驅動程序，在WINDOWS98下利用VB或VC直接進行內存讀寫。

　　3.該系統上位機經初步統計變量有3700多個，如此多的變量采用LonWorks的網絡變量進行數據傳輸將是勉為其難。我們經過研究，決定采用LonWorks的顯形報文通信格式進行數據通信，這樣一來可以不用LonMaker和LNSDDE，一方面降低了系統成本，另一方面更換模塊時不需要進行LomMaker網絡變量的安裝，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程序進行數據通信時我們發現交換速度太慢，通過對DDE程序的深入研究，我們改進了DDE交換數據過程，采用了快速DDE算法程序，提高了數據的交換速度，該系統的所有通信數據均在1秒鐘內更新完畢。

　　5.控制模塊元器件選用進口工業級微功耗表面貼片器件，功耗很低，系統工作時不會發熱。接插件選用德國公司的產品。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：

　　目前該系統已經提交給用戶，在提交過程中，用戶采用了多種干擾方法對系統進行干擾，系統從來沒有出現過死機、離線的現象，比用戶以前曾經用過的LonWorks產品相比系統的可靠性有大大提高。

　　針對我國國產船舶監控產品設計手段落后，生產加工工藝差導致監控產品故障率居高不下(工藝差是目前我國監控產品故障率高的最主要原因)的現狀。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質量體系認證)，解決科研成果產品化問題。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?？刂婆_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系統的加工工藝水平在國內是獨一無二的，具有很高的可靠性。