既有大型公共建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的升級改造

倪燕欣

(國家大劇院， 北京 100031)

1 引言

大型公共建筑的耗能主要集中在暖通空調(diào)等機(jī)電設(shè)備上。既有建筑的電氣設(shè)備節(jié)能改造，是業(yè)主在對設(shè)備運行狀況有了相當(dāng)程度了解的基礎(chǔ)之上，為提高建筑運行效率而進(jìn)行的改造建設(shè),不同于開發(fā)商為滿足投資方和業(yè)主總體需求而建設(shè)的新建建筑。因此，大型公共建筑的設(shè)備節(jié)能改造應(yīng)是目標(biāo)明確并以投入低成本贏得高效益為原則的投資建設(shè)，投資回報率相對較高。通過合理的低成本改造，提高建筑物主要用電設(shè)備的運行效率，最大限度地實現(xiàn)節(jié)能，是既有建筑設(shè)備節(jié)能改造的目標(biāo)和重點。

設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)對于大型公共建筑設(shè)備節(jié)能運行管理的重要作用已得到廣泛認(rèn)可。對于封閉式結(jié)構(gòu)的大型公共建筑，空氣處理設(shè)備和公共照明完全依靠設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)來控制和調(diào)節(jié)。設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)如果運行不暢，不但會影響設(shè)備自動控制效果，對于設(shè)備的節(jié)能管理更是無從談起。因此，對運行品質(zhì)不佳的自控系統(tǒng)實施有效的設(shè)備更新與升級改造，可在提高自動控制品質(zhì)的同時提升建筑物的設(shè)備管理水平，并在建筑節(jié)能方面實現(xiàn)事半功倍的效果。

2 原有系統(tǒng)分析

建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置、系統(tǒng)調(diào)試質(zhì)量及設(shè)備運行管理對于建筑物設(shè)備能否高效運行相當(dāng)重要。對于一個功能需求完善的超大規(guī)模建筑來講， 1999年末進(jìn)入市場的某國外品牌設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)已不能滿足日益精細(xì)的環(huán)境控制管理需求。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

原系統(tǒng)采用Infinet 現(xiàn)場總線，InfinityII專有通訊協(xié)議，由5臺主控器集成管理層并與控制層之間進(jìn)行信息傳遞?？刂茖影?9路現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)。各單段控制子網(wǎng)的節(jié)點設(shè)備數(shù)量上限為32個，以手拉手方式連接。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中任一DDC控制器的異常都會影響到整條通訊鏈路的正常工作，其弊病是一旦網(wǎng)絡(luò)控制器故障或某個DDC控制器故障即造成整個網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，無法及時完成設(shè)定參數(shù)的修改和控制命令的下達(dá)以及設(shè)備狀態(tài)的集中監(jiān)視。

2.2 設(shè)備配置

原系統(tǒng)在深化設(shè)計時，同一設(shè)備的監(jiān)控點分別被配置在不同的DDC控制器上。由于DDC控制器支持點數(shù)有限，導(dǎo)致經(jīng)常會出現(xiàn)某一控制邏輯需調(diào)用不同DDC上的參數(shù)點來完成控制的情況，而且這樣的配置并不是個例。對于通訊速率為19 200bps的超大系統(tǒng)，系統(tǒng)輪詢時間和響應(yīng)時間超長，嚴(yán)重影響了控制品質(zhì)，甚至某些基本控制要求都難以滿足。

2.3 專有通訊協(xié)議

原系統(tǒng)通過自定義ASCII通信驅(qū)動程序完成網(wǎng)絡(luò)控制器與第三方系統(tǒng)的設(shè)備通訊。系統(tǒng)通訊協(xié)議的不公開造成集成成本昂貴，與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享與集成變得非常困難。

2.4 無法實現(xiàn)最佳控制

自動控制無法實現(xiàn)設(shè)備運行管理的基本要求，控制品質(zhì)和節(jié)能減排更無從談起。由于設(shè)備固有的局限性，僅通過調(diào)節(jié)和優(yōu)化管理等無成本手段無法實現(xiàn)節(jié)能管理措施的升級。如要改變現(xiàn)狀，只能通過設(shè)備的更新改造來完成系統(tǒng)的升級，滿足設(shè)備節(jié)能管理需求。

3 升級改造原則與意義

為了改善控制品質(zhì)，提高管理水平，設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的升級改造必須以最大限度地節(jié)約資金為首要原則。技術(shù)上既要符合行業(yè)發(fā)展趨勢并適度超前，又需具備系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、通訊協(xié)議的開放性、系統(tǒng)拓?fù)涞撵`活性、優(yōu)良的集成特性以及先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)管理特性等。

對于一個大于5 000點規(guī)模的大型設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，在不影響建筑物正常運行的前提下，進(jìn)行主要設(shè)備更新改造是無法一步到位的。根據(jù)實際運行情況，項目決定將冷熱源和空調(diào)部分的自控系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)域分批次的設(shè)備更新，完成系統(tǒng)升級改造。一方面可減少原系統(tǒng)通訊線路的容載量，另一方面可滿足空調(diào)系統(tǒng)的精細(xì)化控制與調(diào)節(jié)，為建筑物提供更加舒適的觀演環(huán)境，并可實現(xiàn)設(shè)備的節(jié)能控制運行。

4 技術(shù)可行性分析

為滿足建筑物的各種使用功能需求，力求通過設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的升級改造實現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的安全、可靠、先進(jìn)、便捷、節(jié)能與高效運行。為了降低改造投資額節(jié)約資金，該項目針對建筑物獨特的結(jié)構(gòu)，決定充分利用現(xiàn)有的信息網(wǎng)絡(luò)來搭建設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)平臺，重新組建系統(tǒng)架構(gòu)，對中央監(jiān)控設(shè)備和現(xiàn)場控制設(shè)備進(jìn)行更新與升級改造。

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)的搭建

設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)與配置是否合理關(guān)系到系統(tǒng)是否能夠穩(wěn)定、高效地運行。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為：中央監(jiān)控站與網(wǎng)絡(luò)控制器通過以太網(wǎng)相連，網(wǎng)絡(luò)控制器與DDC現(xiàn)場控制器通過現(xiàn)場總線專用通信網(wǎng)絡(luò)相連，傳感器和執(zhí)行器等末端設(shè)備連到各DDC控制器。隨著嵌入技術(shù)的發(fā)展，DDC控制器整合了網(wǎng)關(guān)功能，可支持多種通訊協(xié)議，同時簡化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具有同層資源共享功能，避免因某一個DDC控制器損壞或異常電壓介入而影響整條網(wǎng)絡(luò)通訊的現(xiàn)象。當(dāng)系統(tǒng)工作站因故障無法完成控制命令傳輸時，控制器同層間可保持順暢通訊。

4.2 管理網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化升級

作為以自動控制技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相互融合的應(yīng)用系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用從某種程度上講代表著設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展水平。因此，管理網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化升級非常關(guān)鍵。

升級后的系統(tǒng)采用Browser/Server軟件結(jié)構(gòu)，支持Web訪問功能，并具有網(wǎng)絡(luò)管理和同層資源共享功能。軟件采用開放式結(jié)構(gòu)設(shè)計，便于第三方數(shù)據(jù)集成到管理網(wǎng)，實現(xiàn)建筑物內(nèi)多系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享與集成功能?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)連續(xù)不斷地保存到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，供系統(tǒng)查看、顯示，這些數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)后臺運行方式保存，調(diào)用歷史和當(dāng)前數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)無需從DDC控制器中讀取，保證了更好的實時性能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.3 現(xiàn)場控制層的升級

設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的更新升級，受原有布線的局限性影響，改造施工難度較大。因此，現(xiàn)場DDC控制器的升級成為主要被改造對象。重新進(jìn)行DDC控制器的配置，除溫度傳感器外，其他傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)備保持不變。這樣最大限度地減少了改造投資成本。模塊化的DDC直接數(shù)字控制器基于BACnet協(xié)議，內(nèi)部集成BACnet路由器，支持BACNet IP網(wǎng)絡(luò)，通過建筑物內(nèi)現(xiàn)有的信息布線網(wǎng)絡(luò)與中央站連接在一起。這樣中央監(jiān)控室和現(xiàn)場控制器之間不需要單獨設(shè)置網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)備，減少了故障環(huán)節(jié)和通訊失敗的幾率。DDC控制器采用32位高性能處理器，具有32MB SDRAM用于數(shù)據(jù)存儲，32MB內(nèi)存用于程序存儲，具備獨立的工作能力，在不同應(yīng)用中保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性和控制的實時性。高性能DDC控制器也使得系統(tǒng)通訊速率大幅提高，穩(wěn)定性也大幅提高。

5 系統(tǒng)配置及改造實施重點

5.1 優(yōu)化監(jiān)控點的配置

改造工程首先要對系統(tǒng)的監(jiān)控功能進(jìn)一步完善，在原來點表的基礎(chǔ)上增加或修改了部分監(jiān)控點。例如為應(yīng)對北京的霧霾天氣，為建筑物提供良好的室內(nèi)空氣，將部分空調(diào)機(jī)組加裝中效過濾器，并將壓差報警開關(guān)更改為微壓差監(jiān)測，對過濾網(wǎng)的檢測更為精細(xì)，同時為清洗或更換過濾網(wǎng)提供有效的數(shù)據(jù)支撐。例如為大型重要空調(diào)機(jī)組增加了風(fēng)量和混風(fēng)溫濕度檢測，為風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速和溫濕度調(diào)節(jié)提供更佳的控制參量。

根據(jù)系統(tǒng)選擇相對應(yīng)的溫度傳感器。因不同品牌對溫度傳感器選型有所不同，有的系統(tǒng)支持10kΩ熱敏電阻型，有的系統(tǒng)支持20KNTC或Pt1000，所以溫度傳感器需要隨系統(tǒng)而定。其他傳感設(shè)備為0(2)～10V、0(1)～5V電壓信號或0(4)～20mA電流信號，只要與系統(tǒng)的輸入信號相配即可。系統(tǒng)輸出信號一般都為0(2) ～10V電壓信號或0(4)～20mA電流信號，適用于所有的執(zhí)行器設(shè)備，因此信號連接部分無需改動。

5.2 人機(jī)交互設(shè)備的配置與應(yīng)用

在每一個重點區(qū)域配置HMI人機(jī)交互設(shè)備。HMI為觸摸屏操作顯示，安裝在DDC盤箱上。檢查設(shè)備狀態(tài)的巡視人員在控制箱體外部就可直觀便捷地查看被控設(shè)備的運行狀態(tài)。對于在現(xiàn)場維修設(shè)備的專業(yè)人員，不必受限于現(xiàn)場控制器與中控室的通訊情況，即可通過HMI查看本機(jī)設(shè)備狀態(tài)，查看同層設(shè)備的運行狀態(tài)及其監(jiān)控參數(shù)。 見圖2。

圖2 觸摸屏操作顯示

5.3 節(jié)能控制策略的優(yōu)化

為使設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)在節(jié)能管理方面的表現(xiàn)更加出色，優(yōu)化了大型耗能空調(diào)機(jī)組的控制策略，包括過渡季新風(fēng)閥的優(yōu)化調(diào)節(jié)，夏季除濕模式變露點溫度調(diào)節(jié)，通過在操作界面添加演出和非演出時間段的選擇，全新風(fēng)模式的選擇，定露點和變露點模式的選擇等，加入人為控制因素，使得控制程序可最大限度地應(yīng)對不同的功能時間段，既能滿足用戶需求，又能最大限度地做到自動節(jié)能控制?？刂瞥绦蛟綇?fù)雜，控制功能就越完善，節(jié)能效果也會更加顯著。

5.4 網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)服務(wù)功能的應(yīng)用

系統(tǒng)升級后為設(shè)備管理者提供了便捷的管理模式和強有力的數(shù)據(jù)支撐。支持多用戶Web瀏覽的系統(tǒng)使管理人員在建筑物內(nèi)的任何地方可隨時查看到設(shè)備運行狀態(tài)，修改參數(shù)，還可通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)直接訪問控制器，調(diào)用查看控制器的所有參數(shù)。另外，通過設(shè)置歷史記錄、趨勢記錄、分級報警等功能，可有效地利用運行數(shù)據(jù)實現(xiàn)設(shè)備的高效管理。系統(tǒng)界面見圖3。

5.5 冗余服務(wù)器的配置

對于一座完全封閉的建筑物來說，暖通空調(diào)系統(tǒng)的正常運行至關(guān)重要。為保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄的連續(xù)性和完整性，配置了冗余服務(wù)器，見圖4，實現(xiàn)了服務(wù)器的雙機(jī)熱備互投功能。

6 施工和調(diào)試過程中的注意事項

既有建筑的設(shè)備節(jié)能改造,受建筑結(jié)構(gòu)、建筑裝飾、布線方式、設(shè)備型號等諸多因素影響，在不能影響建筑物正常運行的前提下，相比于新建建筑，其工序復(fù)雜、施工難度大。

圖3 支持多用戶Web瀏覽的系統(tǒng)

圖4 配置冗余服務(wù)器

6.1 制定工期計劃并嚴(yán)格執(zhí)行

既有建筑的改造項目的最大特點就是絕對不能影響建筑物內(nèi)設(shè)備的正常運行。在改造項目開始前，協(xié)調(diào)好設(shè)備的停機(jī)時間，排好工期，嚴(yán)格按照計劃施工和調(diào)試。

6.2 安排緊湊合理的施工工序

為了最大限度地保證原系統(tǒng)及被控設(shè)備的正常運行，只能進(jìn)行分區(qū)域分批次的改造施工。在設(shè)備停機(jī)拆除前，先對新增設(shè)備進(jìn)行管線敷設(shè)與打孔安裝。施工正式開始后，首先拆除舊盤內(nèi)的接線并做好標(biāo)記，拆除舊DDC控制器及盤箱，接下來安裝新控制盤箱，上電前的檢查，設(shè)備接線、校線，所有工序要求在最短時間內(nèi)完成。接下來是DDC控制器上電，設(shè)備初始化，調(diào)試網(wǎng)絡(luò)通訊，然后進(jìn)行逐點調(diào)試。最后是設(shè)備聯(lián)動調(diào)試。此時，將設(shè)備投入自動控制運行，完成各工況控制程序的測試。這樣，一個機(jī)房的施工調(diào)試時間最多為兩天，可將自動控制的失效時間降至最低。

7 結(jié)束語

通過對設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的中央監(jiān)控設(shè)備和現(xiàn)場控制設(shè)備的更新，使落后的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)得到了全面的升級?？刂葡到y(tǒng)的響應(yīng)時間明顯縮短，通訊速率大幅提高。通過不斷完善和優(yōu)化的控制策略調(diào)試，控制品質(zhì)也有了明顯的提升。作為既有建筑的電氣設(shè)備節(jié)能改造項目，設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的升級改造可起到事半功倍的效果，對于提升智能建筑高耗能設(shè)備的運行效率具有非常重要的意義。