某軍區(qū)場(chǎng)站智能控制與能源管理系統(tǒng)運(yùn)用淺析

文｜ 浙江中控研究院有限公司 陳淑紅 葉 瑩 陶 霞

1 工程概況

某軍區(qū)場(chǎng)站建筑群規(guī)模大（共35棟樓），建筑分散（占地530余畝），機(jī)電設(shè)備多且分散，能源使用不集中（部分能耗高，部分能耗低）。其機(jī)電設(shè)備管理、能源管理工程異常復(fù)雜，僅靠人工管理完全不能滿足運(yùn)營(yíng)高效性和準(zhǔn)確性的要求，因此該工程采用了浙江中控OptiSYS PCS-300分布式可編程控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)場(chǎng)站機(jī)電設(shè)備集中管理以及能源管理，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)場(chǎng)站運(yùn)營(yíng)的快速、準(zhǔn)確、高效，極大地提高了場(chǎng)站的運(yùn)營(yíng)管理能力。

2 設(shè)計(jì)思想

由于場(chǎng)站機(jī)電設(shè)備分布過于分散，機(jī)電設(shè)備種類繁多（包括冷熱源系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、綠化灌溉系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等），因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮使不同的監(jiān)控設(shè)備對(duì)應(yīng)各系統(tǒng)各自的工藝，并充分分析用戶的使用需求，以期設(shè)計(jì)出合理的系統(tǒng)架構(gòu)及控制原理。

同時(shí)，應(yīng)考慮到能源采集點(diǎn)位分布在場(chǎng)站各區(qū)域，并且既涉及電能采集，也涉及自來水量采集，合理劃分場(chǎng)站控制區(qū)域。

（1）場(chǎng)站機(jī)電設(shè)備分散，需采用分散控制、集中管理的模式（如圖1所示）。

①所有監(jiān)測(cè)區(qū)域的CPU模塊PAC314-1（以下簡(jiǎn)稱CPU模塊）通過工業(yè)以太網(wǎng)連接到上位機(jī)，以TCP/IP協(xié)議傳輸所有監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)并發(fā)送控制指令——此為第一層網(wǎng)絡(luò)。

②所有I/O模塊通過CAN現(xiàn)場(chǎng)總線連接到相應(yīng)的CPU模塊，CPU模塊通過CANopen協(xié)議讀取InPut模塊所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，向OutPut模塊發(fā)送控制指令——此為第二層網(wǎng)絡(luò)。

（2）場(chǎng)站機(jī)電設(shè)備種類繁多，需針對(duì)各子系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理的控制方式。

（3）使用CPU模塊自帶的一個(gè)RS485口和一個(gè)RS232口采集各電表、水表的數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)介紹

整個(gè)場(chǎng)站共配置15個(gè)DDC箱。DDC箱由PCS-300系列CPU控制器和若干I/O擴(kuò)展模塊構(gòu)成。場(chǎng)站分為五個(gè)大區(qū)，每個(gè)大區(qū)分為三個(gè)小區(qū)。五個(gè)大區(qū)域通過光纖網(wǎng)絡(luò)連接到管理中心；每個(gè)大區(qū)中的小區(qū)通過CAN現(xiàn)場(chǎng)總線連接到所屬大區(qū)的匯集站，CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的通信距離最長(zhǎng)支持2500m，通信速率從10kbps～1Mbps共六種可選。

3.1 冷熱源系統(tǒng)

場(chǎng)站冷熱源系統(tǒng)包括兩臺(tái)具有熱回收功能的水源熱泵機(jī)組和一臺(tái)無熱回收功能的水源熱泵機(jī)組，三臺(tái)空調(diào)水循環(huán)泵，六臺(tái)地埋側(cè)循環(huán)泵（電路與空調(diào)水循環(huán)泵二對(duì)一聯(lián)動(dòng)），三臺(tái)熱回收循環(huán)泵，兩臺(tái)熱水循環(huán)泵，以及膨脹水箱。如圖2所示。

智能控制系統(tǒng)通過RS485/Modbus-RTU接口采集水源熱泵機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)，同時(shí)通過通信接口控制水源熱泵機(jī)組啟停，進(jìn)行空調(diào)水循環(huán)泵、地埋側(cè)循環(huán)泵、熱回收循環(huán)泵、熱水循環(huán)泵的運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)、手自動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和啟停控制，監(jiān)測(cè)分水器各供水管水溫和集水器各回水管水溫、流量，監(jiān)測(cè)空調(diào)側(cè)供回水總管溫度和壓力，監(jiān)測(cè)熱水供回水總管溫度，監(jiān)測(cè)膨脹水箱液位。

3.1.1 控制策略

夏季制冷模式下，使用兩臺(tái)具有熱回收功能的水源熱泵機(jī)組，根據(jù)冷凍水總管供回水溫度和供水流量，計(jì)算大樓實(shí)際冷負(fù)荷，并據(jù)此進(jìn)行機(jī)組和水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)的控制；將冷凍水出水溫度控制在7℃左右；將通過熱回收制備的熱水做生活熱水使用，根據(jù)生活熱水回水溫度啟停無熱回收功能的水源熱泵機(jī)組，將熱水溫度控制在45℃～50℃范圍內(nèi)。

冬季制熱模式和夏季制冷模式基本相同。

3.1.2 能耗監(jiān)測(cè)

能源計(jì)量系統(tǒng)通過RS485/Modbus-RTU接口采集三臺(tái)水源熱泵機(jī)組各自消耗電能以及所有水泵消耗電能的數(shù)據(jù)，利用I/O模塊以及溫度傳感器、流量計(jì)采集的信號(hào)計(jì)算出冷負(fù)荷和熱負(fù)荷——根據(jù)這兩個(gè)值可以計(jì)算出制備生活熱水消耗的電能、每個(gè)空調(diào)區(qū)域消耗的電能（如圖3所示），進(jìn)而進(jìn)行能耗分析，為場(chǎng)站實(shí)行能耗管理提供有力的依據(jù)。

3.2 生活水系統(tǒng)

生活水系統(tǒng)包括兩個(gè)自然抽水井，一個(gè)生活水箱，六臺(tái)生活水泵，一個(gè)市政供水電動(dòng)蝶閥。如圖4所示。

智能控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)生活水泵的運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)、手自動(dòng)狀態(tài)，控制其啟停；控制變頻器動(dòng)作并監(jiān)測(cè)其反饋；監(jiān)測(cè)自然抽水井的高低液位；監(jiān)測(cè)生活水箱的溢出液位、高低液位；控制電動(dòng)蝶閥的開關(guān)。

3.2.1 控制策略

生活水系統(tǒng)控制的首要目標(biāo)是保證生活水箱處于高液位狀態(tài)：當(dāng)生活水箱的水位低于高液位時(shí)，同時(shí)啟用兩個(gè)自然抽水井的抽水泵；在自然抽水井的水位處于低液位時(shí)，關(guān)閉抽水井的抽水泵；當(dāng)自然抽水井、生活水箱的水位均處于低液位時(shí)，開啟市政供水電動(dòng)蝶閥，使用市政供水為整個(gè)場(chǎng)站供給生活用水；當(dāng)自然抽水井水位上升后，關(guān)閉市政供水電動(dòng)蝶閥，開啟自然抽水井的抽水泵給整個(gè)場(chǎng)站供水。

系統(tǒng)根據(jù)對(duì)供水總管壓力的監(jiān)測(cè)來調(diào)節(jié)變頻器頻率，保證供水壓力始終處于安全的范圍內(nèi)。

3.2.2 能耗監(jiān)測(cè)

能源計(jì)量系統(tǒng)通過RS485/Modbus-RTU接口分別采集生活水泵、抽水井消耗電能的數(shù)據(jù)，通過RS485/M-Bus分別采集自然抽水井和市政供水的流量數(shù)據(jù)。根據(jù)長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)的自然抽水井供水流量和市政供水流量，以及自然抽水井供水時(shí)間和市政供水時(shí)間，可以獲知用水高峰期的時(shí)間段。如此，用戶可以根據(jù)用水高峰時(shí)間段來分配用水單位合理的分布用水時(shí)間，進(jìn)行錯(cuò)峰用水分配，保證盡量使用自然抽水井的地下水資源，避免過多地使用市政用水。

3.3 照明系統(tǒng)

照明系統(tǒng)包括整個(gè)場(chǎng)站的路燈照明及庭院景觀照明，分為東、南、西、北四個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域各有三路路燈照明和一路庭院景觀照明。

智能控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)照明系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和手自動(dòng)狀態(tài)，控制其啟停；監(jiān)測(cè)室外照度。

3.3.1 控制策略

系統(tǒng)采用時(shí)間控制與照度控制相結(jié)合的控制模式對(duì)場(chǎng)站照明系統(tǒng)進(jìn)行控制。在夏季，預(yù)定下午七點(diǎn)開啟所有回路燈具，晚上十點(diǎn)關(guān)閉各區(qū)域的庭院景觀照明及兩路路燈照明，僅開啟一路路燈照明以供巡邏和應(yīng)急使用，早上五點(diǎn)半關(guān)閉照明；同時(shí)，根據(jù)照度情況，在下午開燈時(shí)間未到但照度不滿足需求，或早上關(guān)燈時(shí)間已過但照度不滿足需求時(shí)，強(qiáng)制開啟1～2路路燈照明，以保證場(chǎng)站的正常運(yùn)營(yíng)。冬季控制模式與夏季基本相同。

3.3.2 能耗監(jiān)測(cè)

能源計(jì)量系統(tǒng)通過RS485/Modbus-RTU接口分別采集四個(gè)區(qū)域的照明消耗電能的數(shù)據(jù)；可以根據(jù)長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對(duì)場(chǎng)站的路燈能耗做出全面的分析，為照明運(yùn)行時(shí)間和控制策略的優(yōu)化調(diào)整提供依據(jù)。

3.4 綠化灌溉系統(tǒng)

綠化灌溉系統(tǒng)（如圖5所示）覆蓋整個(gè)場(chǎng)站的綠化區(qū)域。整個(gè)綠化區(qū)域分為五個(gè)部分，每個(gè)部分的綠化灌溉均由電動(dòng)二通閥進(jìn)行控制。

智能控制系統(tǒng)監(jiān)控各部分的綠化灌溉電動(dòng)二通閥的開啟和關(guān)閉，同時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)二通閥的開啟、關(guān)閉反饋信號(hào)。

3.4.1 控制策略

系統(tǒng)以時(shí)間控制方式對(duì)綠化灌溉系統(tǒng)進(jìn)行控制。當(dāng)水閥開啟時(shí)，由中央水處理站輸送的綠化灌溉水在各綠化區(qū)域噴灑；當(dāng)水閥關(guān)閉時(shí)，綠化灌溉停止。

管理人員也可根據(jù)土壤干涸程度對(duì)綠化灌溉系統(tǒng)進(jìn)行手動(dòng)控制。

3.4.2 能耗監(jiān)測(cè)

能源計(jì)量系統(tǒng)通過RS485/M-Bus監(jiān)測(cè)綠化灌溉消耗水量，根據(jù)統(tǒng)計(jì)水量分析以及綠化植被的生長(zhǎng)趨勢(shì)進(jìn)一步調(diào)整雨季與旱季的時(shí)間設(shè)置，優(yōu)化控制方案。

3.5 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)系統(tǒng)包括兩臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)。

智能控制系統(tǒng)通過RS485/Modbus-RTU接口對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)、發(fā)電參數(shù)以及各種報(bào)警信號(hào)進(jìn)行采集。

3.5.1 監(jiān)測(cè)策略

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)組的三相電流、三相電壓、有功功率、運(yùn)行狀態(tài)、故障報(bào)警等，將其實(shí)時(shí)顯示在中央管理平臺(tái)上。管理人員可通過平臺(tái)查看每臺(tái)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)。

3.5.2 能耗監(jiān)測(cè)

能源計(jì)量系統(tǒng)通過RS485/Modbus-RTU接口分別采集兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組的發(fā)電數(shù)據(jù)。

3.6 排污系統(tǒng)

排污系統(tǒng)包括兩個(gè)集水坑、四臺(tái)排污泵。

智能控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)集水坑的溢出液位、高液位及低液位，監(jiān)測(cè)排污泵的運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)、手自動(dòng)狀態(tài)，控制其啟停。

系統(tǒng)根據(jù)集水坑的液位對(duì)排污泵的啟停進(jìn)行控制：在集水坑的水位處于高液位時(shí)啟動(dòng)累積運(yùn)行時(shí)間短的排污泵；在集水坑的水位處于低液位時(shí)關(guān)閉排污泵；在集水坑的水位處于溢出液位時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)兩臺(tái)排污泵，保證污水及時(shí)排出。

3.7 安防報(bào)警系統(tǒng)

場(chǎng)站的安防報(bào)警包括營(yíng)區(qū)、圍墻、機(jī)關(guān)辦公樓三個(gè)區(qū)域的安防監(jiān)控和報(bào)警。

智能控制系統(tǒng)可通過中央管理平臺(tái)實(shí)時(shí)查看每臺(tái)監(jiān)控?cái)z像機(jī)的畫面，可選擇多畫面或單畫面顯示，同時(shí)可對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行伸縮、轉(zhuǎn)向、調(diào)焦等控制。

對(duì)于圍墻周界監(jiān)控，系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)報(bào)警模式。管理人員可在有報(bào)警發(fā)生時(shí)通過中央管理平臺(tái)及時(shí)調(diào)用對(duì)應(yīng)的監(jiān)控畫面，及時(shí)地對(duì)突發(fā)事件予以處理。

3.8 電梯系統(tǒng)

電梯系統(tǒng)包括三臺(tái)電梯。智能控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)每臺(tái)電梯的上下行狀態(tài)以及運(yùn)行樓層，可通過中央管理平臺(tái)實(shí)時(shí)查看每臺(tái)電梯的運(yùn)行情況，同時(shí)可結(jié)合安防報(bào)警系統(tǒng)及時(shí)調(diào)用電梯所運(yùn)行到的樓層的視頻監(jiān)控圖像，確?？梢约皶r(shí)跟蹤了解每臺(tái)電梯的人員出入情況，保證機(jī)關(guān)辦公大樓的安全。

3.9 消防系統(tǒng)

消防系統(tǒng)包括兩臺(tái)消防主機(jī)。智能控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)消防主機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和故障報(bào)警，對(duì)各消防線路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警；可通過中央管理平臺(tái)實(shí)時(shí)查看每臺(tái)監(jiān)控主機(jī)與各消防線路的運(yùn)行情況和報(bào)警情況，對(duì)消防報(bào)警進(jìn)行及時(shí)的提示。管理人員可通過管理平臺(tái)實(shí)時(shí)查看消防系統(tǒng)的運(yùn)行情況，對(duì)突發(fā)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理。

4 能源管理分析

能源管理的內(nèi)容包括電能實(shí)時(shí)顯示、電能報(bào)表、水量實(shí)時(shí)顯示、水量報(bào)表以及水源熱泵系統(tǒng)報(bào)表。通過這些能源統(tǒng)計(jì)及報(bào)表處理，管理人員可以獲知任意時(shí)間段的能源使用情況，并可據(jù)此對(duì)整個(gè)場(chǎng)站的能耗使用進(jìn)行有根據(jù)的管理，還能通過后續(xù)監(jiān)控跟蹤能耗管理調(diào)度的成效。

4.1 電能實(shí)時(shí)顯示

管理人員可通過電能實(shí)時(shí)顯示界面實(shí)時(shí)查看各區(qū)域建筑的電能使用情況。

4.2 電能報(bào)表

如圖6所示，電能報(bào)表分為電能時(shí)間段報(bào)表、電能月報(bào)表、電能年報(bào)表、電能消耗實(shí)時(shí)報(bào)警、電能分析圖，其中電能時(shí)間段報(bào)表支持選擇任意時(shí)間段進(jìn)行電能消耗值查詢；電能消耗實(shí)時(shí)報(bào)警可根據(jù)管理人員設(shè)置的每棟建筑的電能使用限值，在建筑用電量即將達(dá)到限值和已經(jīng)到達(dá)限值時(shí)發(fā)出報(bào)警通知，提示管理人員根據(jù)報(bào)警情況對(duì)用電進(jìn)行管理；電能分析圖支持任意選擇不同月份的電能消耗值進(jìn)行對(duì)比。

4.3 水量實(shí)時(shí)顯示

管理人員可實(shí)時(shí)查看地下水和市政供水兩個(gè)水源的使用情況。

4.4 水量報(bào)表

水量報(bào)表和電能報(bào)表類似，在此不再贅述。

4.5 水源熱泵系統(tǒng)報(bào)表

如前文對(duì)冷熱源系統(tǒng)的介紹中所說，能源計(jì)量系統(tǒng)可以在對(duì)水源熱泵系統(tǒng)的能源管理中，計(jì)算出空調(diào)使用電能、制備生活熱水所使用的電能以及各區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)使用的電能。通過這些數(shù)據(jù)可以得出與電能監(jiān)測(cè)類似的數(shù)據(jù)分析，管理人員可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)分析及時(shí)調(diào)整空調(diào)及水源熱泵機(jī)組運(yùn)行策略，降低能源消耗。