基于DDC的智能樓宇監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

喜 琍 ，夏長鳳

（1.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072；2.南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，江蘇 南通 226010）

0 引言

樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)（Building Automation System，簡稱：“BAS”）針對(duì)建筑機(jī)電設(shè)備，檢測(cè)其運(yùn)行參數(shù)、控制其運(yùn)行狀態(tài)、自動(dòng)調(diào)節(jié)相關(guān)設(shè)備，使其始終運(yùn)行于最佳狀態(tài)，為用戶提供良好的工作和生活環(huán)境，同時(shí)為管理者提供方便的管理手段，從而減少建筑物的能耗并降低管理成本。本文研究了一種基于直接數(shù)字控制器（Direct Digital Controller，簡稱：“DDC”）的智能樓宇監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)給出了系統(tǒng)中智能照明、空調(diào)新風(fēng)等系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案與組態(tài)實(shí)現(xiàn)。[1]

1 系統(tǒng)需求與總體方案

1.1 系統(tǒng)需求

本樓宇自控系統(tǒng)要求對(duì)綜合性大廈樓宇內(nèi)空調(diào)通風(fēng)、照明、供配電、給水排水等設(shè)備進(jìn)行集散式監(jiān)控，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行控制，以達(dá)到延長設(shè)備使用壽命、節(jié)省能耗、方便管理的目的。

1.2 常見的樓宇自控系統(tǒng)

目前市場(chǎng)上樓宇自控系統(tǒng)以國外品牌為主，高端產(chǎn)品主要有：Siemens Apogee系統(tǒng)、Johnson Metasys系統(tǒng)等。就整個(gè)控制系統(tǒng)的功能而言，Johnson系統(tǒng)的配置更加靈活，可支持符合BACnet、Lonworks和江森N2協(xié)議的產(chǎn)品，無需專門添加協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備。Siemens系統(tǒng)的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活、分工明確、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在通訊協(xié)議方面，Siemens系統(tǒng)傾向于 Native BACnet方案，而Johnson系統(tǒng)主要趨向于Lonworks方案。Siemens的Apogee系統(tǒng)造價(jià)比較低，但性能明顯低于Johnson Metasys系統(tǒng)。在實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，應(yīng)綜合考慮好造價(jià)與功能的關(guān)系，最大程度滿足客戶需求。[2，3]

1.3 系統(tǒng)總體方案

根據(jù)系統(tǒng)需求特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用Siemens樓宇科技的Apogee系統(tǒng)，它是以集散理論為基礎(chǔ)的成熟樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)，由Insight監(jiān)控軟件、各種DDC控制器、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成三層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括管理級(jí)、自控級(jí)和樓層級(jí)網(wǎng)絡(luò)。其中，自控級(jí)網(wǎng)絡(luò)是Apogee系統(tǒng)的核心，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)照明系統(tǒng)、新風(fēng)空調(diào)等系統(tǒng)的管理，并實(shí)行自動(dòng)監(jiān)控和集成化管理。西門子Apogee系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

該系統(tǒng)可將每個(gè)區(qū)域的相同系統(tǒng)通過通訊控制器統(tǒng)一控制，再將每個(gè)子系統(tǒng)通過總線連接，由中央控制站計(jì)算機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)化的管理和監(jiān)控。而現(xiàn)場(chǎng)直接數(shù)字控制器DDC實(shí)現(xiàn)對(duì)分散的設(shè)備分布式控制。整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在高速以太網(wǎng)上，協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議。[4]

圖1 西門子Apogee系統(tǒng)架構(gòu)圖

直接數(shù)字控制器(DDC)是Apogee系統(tǒng)的核心，可通過通訊接口與電腦或其他DDC控制器通訊，也可獨(dú)立運(yùn)行。西門子DDC控制器主要包括PXC、PXC Modular、MBC、MEC、FLNC等控制器，這些控制器通過自控級(jí)網(wǎng)絡(luò)（ALN），與Insight監(jiān)控軟件通信?？筛鶕?jù)監(jiān)控對(duì)象的分布及監(jiān)控點(diǎn)類型及數(shù)量，選擇相應(yīng)的控制器類型。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用的是DDC-PXC系列的可編程控制器，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊方式在自控級(jí)網(wǎng)絡(luò)（ALN）上彼此訪問或與上位機(jī)通訊。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 照明系統(tǒng)

照明系統(tǒng)采用集散方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，是一個(gè)由集中管理器、主干線和信息接口等元件構(gòu)成，對(duì)各區(qū)域?qū)嵤┫嗤目刂坪托盘?hào)采樣網(wǎng)絡(luò)；其子系統(tǒng)是一個(gè)由各類調(diào)光模塊、控制面板、照度動(dòng)態(tài)檢測(cè)器及動(dòng)靜探測(cè)器等元件構(gòu)成的，對(duì)各區(qū)域分別實(shí)施不同的具體控制網(wǎng)絡(luò)；主系統(tǒng)和子系統(tǒng)之間通過信息接口等元件來連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。照明系統(tǒng)原理圖如圖2所示，I/O分配表如表1所示。

圖2 照明系統(tǒng)監(jiān)控原理圖

表1 照明系統(tǒng)I/O分配表

2.2 新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)

空調(diào)控制系統(tǒng)是BAS系統(tǒng)最重要的組成部分之一，它管理的機(jī)電設(shè)備所耗能源幾乎占樓宇能量消耗的50%，其能量主要用在冷熱源及輸送系統(tǒng)上。系統(tǒng)原理圖如圖3所示，I/O分配表如表2所示。

圖3 新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)監(jiān)控原理圖

表2 新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)I/O分配表

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 照明系統(tǒng)

（1）照明系統(tǒng)控制要求。第一，公共區(qū)域（走廊、樓道等）照明動(dòng)靜探測(cè)控制要求。通過動(dòng)靜探測(cè)器以監(jiān)測(cè)人體活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)正常狀態(tài)下對(duì)各公共區(qū)域內(nèi)照明燈具的自動(dòng)開關(guān)控制。當(dāng)檢測(cè)到有人體活動(dòng)時(shí)，自動(dòng)打開照明燈具；當(dāng)檢測(cè)到?jīng)]有人體活動(dòng)時(shí)一定時(shí)間后，自動(dòng)關(guān)閉照明燈具。在整個(gè)運(yùn)行過程中，對(duì)照明燈具的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。第二，景觀照明（草坪，道路等）定時(shí)控制要求。實(shí)現(xiàn)在正常狀態(tài)下對(duì)景觀照明燈具的控制。白天自動(dòng)關(guān)閉照明燈具；夜晚自動(dòng)打開照明燈具。在整個(gè)運(yùn)行過程中，對(duì)照明燈具的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。第三，辦公室照明調(diào)光控制要求。通過室內(nèi)外光照度傳感器監(jiān)測(cè)室外自然光線強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)在正常狀態(tài)下對(duì)辦公室內(nèi)照明燈具的自動(dòng)調(diào)光控制。當(dāng)室外自然光線特強(qiáng)（達(dá)到特定強(qiáng)度）時(shí)自動(dòng)關(guān)閉照明燈具；當(dāng)室外光線較強(qiáng)時(shí)，降低照明燈具的亮度；當(dāng)室外光線較弱時(shí)，提高照明燈具的亮度。

（2）照明系統(tǒng)控制流程。應(yīng)急狀態(tài)照明特殊控制要求實(shí)現(xiàn)在應(yīng)急狀態(tài)下，對(duì)各區(qū)域內(nèi)指定用于應(yīng)急工作狀態(tài)照明燈具的打開和關(guān)閉調(diào)光控制。當(dāng)應(yīng)急狀態(tài)發(fā)生時(shí)，自動(dòng)打開用于非調(diào)光燈具；自動(dòng)使用用于照明的可調(diào)光燈具的亮度打到100%。照明系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

圖4 照明系統(tǒng)流程圖

（3）照明系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)控設(shè)計(jì)。照明系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)控主要包括三個(gè)部分的控制：公共區(qū)域照明控制、景觀照明控制和辦公室照明調(diào)光控制。其中采用了箭頭式輸入儀表，用于室外光照度監(jiān)測(cè)，根據(jù)照度的變化指針會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。照明系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)控圖如圖5所示。

圖5 照明系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)控圖

3.2 新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)

（1）新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。第一，根據(jù)冬夏不同的狀態(tài)，決定往冷/熱盤管送冷水還是熱水。并依據(jù)在夏季時(shí)，當(dāng)送風(fēng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，冷/熱盤管調(diào)節(jié)閥開大。送風(fēng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，冷/熱盤管調(diào)節(jié)閥關(guān)小。在冬季時(shí)，當(dāng)送風(fēng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，冷/熱盤管調(diào)節(jié)閥關(guān)小，送風(fēng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，冷/熱盤管調(diào)節(jié)閥開大。第二，根據(jù)送風(fēng)濕度與設(shè)定濕度對(duì)加濕調(diào)節(jié)閥進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，從而控制送風(fēng)濕度，使送風(fēng)濕度始終控制在設(shè)定范圍之內(nèi)。新風(fēng)閥與送風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)控制，送風(fēng)機(jī)停時(shí)自動(dòng)關(guān)閉新風(fēng)閥，送風(fēng)機(jī)啟動(dòng)前，延時(shí)打開新風(fēng)閥。當(dāng)過濾堵塞時(shí)，壓差開關(guān)給出過濾器報(bào)警信號(hào)，即時(shí)提醒人員對(duì)過濾器進(jìn)行清洗，以保證空氣質(zhì)量。并在新風(fēng)機(jī)組的冷/熱盤管上設(shè)置防凍開關(guān)，當(dāng)過度季節(jié)時(shí)熱水尚未供應(yīng)時(shí)如天氣驟然降溫，防凍開關(guān)聯(lián)動(dòng)機(jī)制停止運(yùn)行，防止盤管凍裂。

（2）新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)控制流程。新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中采用PID調(diào)節(jié)，夏季調(diào)節(jié)冷水閥開度；冬季調(diào)節(jié)熱水閥開度；過渡季節(jié)時(shí)，關(guān)閉新風(fēng)閥達(dá)到防凍目的。新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

圖6 新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)流程圖

圖7 空調(diào)系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)控圖

（3）新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)控設(shè)計(jì)。新風(fēng)空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)中采用了箭頭式輸入儀表，先將現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際溫度與設(shè)定溫度進(jìn)行比較，而后通過電動(dòng)調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)溫度。濕度的調(diào)節(jié)也采用同樣的方法。此監(jiān)控系統(tǒng)中還采用了報(bào)警功能：過濾器堵塞報(bào)警和防凍開關(guān)報(bào)警?？照{(diào)系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)控圖如圖7所示。

本樓宇監(jiān)控系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了預(yù)期設(shè)定的各項(xiàng)功能，自從投入運(yùn)行以來，該系統(tǒng)運(yùn)行效果良好。在運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)傳感器的靈敏度和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可操作性是樓宇自控系統(tǒng)能否正常發(fā)揮作用的關(guān)鍵。在日常維護(hù)中需要及時(shí)更換不準(zhǔn)確的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器，這樣能更好地發(fā)揮樓宇監(jiān)控系統(tǒng)的作用。

4 結(jié)束語

本文利用Siemens公司的Apogee系列設(shè)備，選用技術(shù)先進(jìn)DDC-PXC系列的可編程控制器實(shí)現(xiàn)一種樓宇自控網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)使用BACnet/IP協(xié)議、RS-485總線等實(shí)現(xiàn)樓宇各子系統(tǒng)的良好控制，既能實(shí)現(xiàn)樓宇建筑的本地監(jiān)控，同時(shí)又能擴(kuò)展至Internet遠(yuǎn)程監(jiān)控。本文所設(shè)計(jì)的智能樓宇控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)智能樓宇的網(wǎng)絡(luò)化管理，同時(shí)該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案還可以應(yīng)用于圖書館、綜合辦公大樓、醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)等場(chǎng)合，具有一定的推廣意義。

[1]王再英,韓養(yǎng)社,高虎賢.樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)原理與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[2]葉南山,葉放.某樓宇設(shè)備自控系統(tǒng)的安裝與監(jiān)控[J].制冷,2012(3):65-70.

[3]林國.東勝大廈自控系統(tǒng)設(shè)置方案[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用,2005(6):69-71.

[4]姚衛(wèi)豐.某法院樓宇設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)集成方案設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2004(3):27-30.