引言

鍋爐是應用廣泛的工業(yè)民用設備，據(jù)統(tǒng)計，全國小型鍋爐超過30萬臺，每年耗煤量占我國原煤產(chǎn)量的1/3。目前，我國運行的多數(shù)鍋爐由于控制水平不高，其效率普遍低于國家標準，大多數(shù)鍋爐仍處于能耗高、環(huán)境污染嚴重的生產(chǎn)狀態(tài)，每年因為熱效率低而多消耗的標準煤達到2000多萬噸。鍋爐消費大量燃煤的同時還耗費了大量的電能，目前使用較多的中小型鍋爐是通過擋風板對鼓風量和引風量進行調節(jié)，這將大量的電能耗費在擋風板上。本文介紹了將LonWorks總線技術應用于鍋爐自動化控制系統(tǒng)中，使鍋爐實現(xiàn)節(jié)能、高熱效率運行。

1、 系統(tǒng)框架

基于LON技術的整個鍋爐控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡層次如圖1所示：

智能節(jié)點Ⅰ對鍋爐本體的主蒸汽溫度、主蒸汽壓力、主蒸汽流量、煤粉機速度、爐膛溫度等量進行采樣;根據(jù)負荷設定主蒸汽壓力和溫度，與實際的主蒸汽壓力相比的偏差，進行調解;通過輸出智能節(jié)點Ⅲ控制給煤機轉速，從而調節(jié)實際的主蒸汽壓力和溫度。

智能節(jié)點Ⅱ對鍋爐本體的煙氣含氧量、爐膛負壓、給煤機轉速、鼓風機轉速引風機轉速等量進行采樣;通過煙氣含氧量與設定的煙氣含氧量比較取得偏差，進行PID調節(jié);通過控制智能節(jié)點Ⅲ控制鼓風變頻器，從而控制鼓風機來調節(jié)氧氣量;通過爐膛負壓與設定的爐膛負壓比較取得偏差，進行調節(jié);通過智能節(jié)點Ⅲ控制引風機的轉速來調節(jié)爐膛負壓。

2、 硬件電路設計

2.1 總體結構

鍋爐模糊控制系統(tǒng)硬件設計分上位機、LON節(jié)點和單片機三層結構，如圖2所示：

（1）模糊編輯器：位于管理層的上位機承擔模糊知識庫形成和編輯的任務。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)轉換為神經(jīng)元芯片中的存儲格式準備下載;二是通過DDE通信與服務器程序連接，設置相應的網(wǎng)絡變量DDE客戶服務數(shù)據(jù)項目，能夠在第一步準備好的數(shù)據(jù)下載至神經(jīng)元芯片中，也能獲得系統(tǒng)的實時運行數(shù)據(jù)，這些實時運行數(shù)據(jù)通過控件TeeChart轉換為波形并直觀地顯示在界面上，同時也被存儲在數(shù)據(jù)文件中，以備進一步的數(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技術與LonWorks服務器程序通信，再由服務器程序和神經(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機獨立工作，也可以通過網(wǎng)絡變量與PC機中的LonWorks DEE服務程序通信，獲得從模糊編輯器輸入新的模糊規(guī)則。

神經(jīng)元芯片與單片機通過I2C總線進行通信，神經(jīng)元芯片為主機，單片機為從機。模糊推理所用的知識庫數(shù)據(jù)存放于神經(jīng)元芯片的E2PROM存儲器中，有一組初始值。系統(tǒng)運行期間Lon總線可以從PC機獲得新的控制參數(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就可以與其他系統(tǒng)構成一個分布式的智能監(jiān)控系統(tǒng)［page］

（3）單片機系統(tǒng)：位于鍋爐現(xiàn)場的單片機模塊，通過所配置的模擬量I/O、開關量I/O與被控對象相連。該模塊除了作為模糊控制的前端控制模塊外，還能獨立實現(xiàn)PID閉環(huán)控制功能。其設計思想是：當偏差較大時，采用模糊控制;在小偏差范圍內換成PID控制。兩者的轉換有軟件根據(jù)事先設定的偏差范圍自動實現(xiàn)。這種結構不僅可以消除極限環(huán)震蕩，并在理論上使系統(tǒng)成為一個無差模糊控制器。

2.2 LonWorks神經(jīng)元芯片

LonWorks 神經(jīng)元芯片內部有三個微處理器，分別為MAC處理器（通信處理器）、網(wǎng)絡處理器、和應用處理器。MAC 處理器完成介質訪問控制，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)絡處理器間通過使用網(wǎng)絡緩沖區(qū)達到數(shù)據(jù)的傳輸。網(wǎng)絡處理器完成OSI 的3～6層網(wǎng)絡協(xié)議，它處理網(wǎng)絡變量、地址、認證、后臺診斷、軟件定時器、網(wǎng)絡管理和路由等進程。網(wǎng)絡處理器使用網(wǎng)絡緩沖區(qū)與MAC處理器進行通信，使用應用緩沖區(qū)和應用處理器進行通信;應用處理器完成用戶的編程。

2.3 LonWorks智能節(jié)點

節(jié)點被稱為智能設備，它包括一個神經(jīng)元芯片，LonTalk收發(fā)器、存儲器、電源和外圍電路。節(jié)點是物理節(jié)點的抽象，應用設備節(jié)點、路由器、網(wǎng)絡接口卡都是節(jié)點。LonWorks節(jié)點適合在物理上與之相連的現(xiàn)場I/O設備交互作用，并在控制網(wǎng)絡中使用LonTalk協(xié)議與其他節(jié)點互相通信的一類對象。

2.3.1 LonWorks 智能節(jié)點硬件設計

LonWorks控制模塊與MCS-51單片機并行同心結點的硬件電路設計如圖2 所示。

Neuron 芯片提供有11個可編程的I/O引腳（IO0～IO10），它們可以配置多達34種不同的應用對象，從而借助于最小的外接電路實現(xiàn)靈活的輸入/輸出功能。Neuron芯片的并行I/O對象需要使用全部11個引腳。其中：IO0～IO7用于雙向數(shù)據(jù)線，IO8～IO10用于控制信號線，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，在主機的地址空間，就像兩個寄存器，一個是讀/寫數(shù)據(jù)寄存器（偶地址），另一個是只讀狀態(tài)寄存器（奇地址）。主機正是通過對這兩個寄存器的訪問實現(xiàn)主機與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，用于主機與Neuron芯片的握手應答;IO8作為片選信號位;IO9作為讀/寫信號線;IO10作為寄存器尋址輸入位。另外，由于并行通信要求雙方設備必須同步，無論MCS-51處理器和Neuron芯片哪一方復位，雙方都必須重新進行同步。

2.3.2 LonWorks 智能節(jié)點軟件設計

由于Neuron芯片內部裝有LonTalk通信協(xié)議固件，因此無論Neuron芯片并行I/O對象工作于何種方式下，對于Neuron芯片來說，其實現(xiàn)軟件都相對容易。對于LonWorks控制模塊與MCS-51單片機的并行通信節(jié)點的實現(xiàn)，關鍵在于MCS-51單片機的軟件設計。這是因為MCS-51處理器內不含LonTalk通信協(xié)議固件，因此要實現(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線的一個負脈沖實現(xiàn)。在讀操作時，將導致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，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，實際數(shù)據(jù)都在CS上升沿截斷。

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

為實現(xiàn)與并行I/O設備的通信并保證安全可靠，Neuron芯片由固件自動執(zhí)行令牌傳遞協(xié)議，以防止總線沖突。在任何給定的時間內，僅有一個設備擁有令牌。若MCS-51處理器擁有令牌，它將有權將準備好的數(shù)據(jù)發(fā)送給或將令牌交給Neuron芯片;若Neuron 芯片擁有令牌，它可將準備好的數(shù)據(jù)發(fā)送給MCS-51處理器或交出令牌。

3 、結論

從以上分析可以看出該系統(tǒng)具有以下特點：

1.系統(tǒng)是真正分布式控制模式，控制節(jié)點接近被控對象。

2.系統(tǒng)組態(tài)靈活，重新構造或修改配置容易，增強或減少控制節(jié)點時不必改變物理結構。

3.由于底層控制網(wǎng)絡與上層信息網(wǎng)可以方便互聯(lián)，形成一個完整的綜合管理系統(tǒng)（CIMS），實際上實現(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)絡通訊協(xié)議已固化在控制節(jié)點內部，節(jié)點編程簡單，應用開發(fā)周期短，改造擴建只需更換節(jié)點或增加節(jié)點，只對節(jié)點編簡單的應用程序而不影響系統(tǒng)程序，擴展方便。

5.系統(tǒng)總體費用低，升級改造費用低。

為了改善鍋爐控制質量，使系統(tǒng)達到集中監(jiān)測、管理，分散調解，獲得高效節(jié)能、智能化操作的目的，采用先進的LON現(xiàn)場總線技術和模糊控制技術，對其控制系統(tǒng)進行改造，能達到很好的效果。

責任編輯：gt