基于嵌入式DDC 控制器的通信樓宇自控系統(tǒng)設計

趙攀峰

（中國人民大學 校園建設管理處，北京 100000）

0 引 言

智能樓宇是現(xiàn)代信息技術與智能化技術融合的一種集成系統(tǒng)，可將智能計算機技術、無線通信技術有機結合在一起，并通過自動化設備對信息資源進行有效管理，是建筑業(yè)和信息技術共同關注的新領域。但因設計存在缺陷，導致樓宇機電設備多且雜，能源消耗量大。因此，有必要控制通信樓宇系統(tǒng)。

一是將紅色文化融入課程設計。我軍紅色文化內涵豐富、源遠流長。比如井岡山精神、長征精神、延安精神、雷鋒精神、“兩彈一星”精神等，其價值不僅體現(xiàn)在當時當?shù)?，更重要的是對社會進步和軍隊發(fā)展能夠產生積極影響。課程是院校教育的重要載體，將豐富的紅色文化融入課程設計之中，推動紅色文化課程化，對于軍隊院校文化建設及我軍紅色基因的傳承，都具有重要意義。

文獻[1]通過雷達料位計調整系統(tǒng)運行速度，利用旋轉編碼器記錄系統(tǒng)行進距離，根據(jù)移位距離構建數(shù)學模型，提升系統(tǒng)整體的自動化控制。該系統(tǒng)可有效提高系統(tǒng)控制精度，但運行能耗較高。文獻[2]基于ARM 嵌入式系統(tǒng)監(jiān)測整體系統(tǒng)輸出精度，通過變頻控制優(yōu)化模型和優(yōu)先控制策略提高系統(tǒng)控制準確率，但控溫效果有待提升。

為此，本文設計了基于嵌入式DDC 控制器的通信樓宇自控系統(tǒng)。將新一代Metasys 系統(tǒng)用于用戶管理操作站，提升樓宇信息共享實效，通過SQL 標準數(shù)據(jù)庫管理和存儲數(shù)據(jù)，利用Web 技術網(wǎng)絡控制引擎，實現(xiàn)多個網(wǎng)絡控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時顯示，基于嵌入式DDC 控制器進行數(shù)據(jù)分享和網(wǎng)絡監(jiān)測，完成硬件系統(tǒng)結構設計。根據(jù)系統(tǒng)負荷值和干擾值設計節(jié)能控制方案，提高能源利用率，使用嵌入式DDC 控制器結合PID 控制方法，提升溫控效果，完成通信樓宇自控系統(tǒng)設計。

1 系統(tǒng)總體結構設計

對于通信樓宇自控系統(tǒng)的設計，選擇基于Web 技術的江森自控分布式控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用分布式結構布置用戶管理操作站、數(shù)據(jù)管理服務器、網(wǎng)絡控制引擎和嵌入式DDC 控制器[3]。系統(tǒng)上位機主要有網(wǎng)絡控制引擎、操作站和打印機等，并采用DDC 控制器進行現(xiàn)場控制。網(wǎng)絡引擎的設計使用了TCP/IP 協(xié)議，在該協(xié)議下傳輸速率可達到100 Mb/s；各個樓宇間遵守BACnet MS/TP 通信協(xié)議，有效提高了資源通信速率，使系統(tǒng)具有38 400 B/s 的通信速度[4]。樓宇間采用了控制和管理兩層結構形式，如圖1 所示。

當前，學生的座位編排依據(jù)主要有身高、成績、男女搭配、互助共進、個性互補等，但不論是哪種編排依據(jù)，都存在一定的弊端，也受到家長與社會的詬病。

圖1 系統(tǒng)結構

由圖1 可知，該系統(tǒng)使用了100/100 M BASE-T 以太網(wǎng)，通過已有的路由器進行樓宇間物理連接，實現(xiàn)不同樓宇間信息互通與共享。在分布式智能控制系統(tǒng)中，任何一個節(jié)點發(fā)生故障，都不會對系統(tǒng)正常工作和數(shù)據(jù)傳遞產生任何影響[5]；作為控制層的N2 總線，各現(xiàn)場控制器均采用分散式控制原則，并將其分布于受控裝置周圍?，F(xiàn)場員工可以在DDC 的顯示屏和控制臺上進行操作和監(jiān)視。如果要添加其他受控裝置，則僅需在控制層網(wǎng)絡中添加一個控制器即可，而不會對其他控制裝置造成影響。江森自控也將.Net 視為一種重要技術，它將在智能建筑IT 系統(tǒng)的應用中起到重大作用。江森自控建筑管理以視窗技術為基礎，支持自身IT 架構，使用.Net 技術建立網(wǎng)絡服務體系[6-7]。江森自控建筑設備管理系統(tǒng)的主要目的是通過網(wǎng)絡無縫整合，并且通過不斷檢驗和測試，從而保證了可以方便而有效地與基于.Net服務系統(tǒng)進行交流。

2 系統(tǒng)硬件結構設計

2.1 用戶管理操作站

用戶管理操作站可為用戶提供先進的視窗界面，不需要在運行場所安裝自動化控制軟件[8-10]，所有網(wǎng)絡控制引擎都可以通過標準因特網(wǎng)瀏覽器進行訪問，以方便用戶瀏覽、管理與分配。基于互聯(lián)網(wǎng)的新一代Metasys用戶接口，提供了一個功能強大的體系結構，使整個樓宇實現(xiàn)智能化暢游和信息共享。用戶管理操作站可以為使用者提供先進的視窗界面，系統(tǒng)不需要在運行場所安裝自動化控制軟件，所有網(wǎng)絡控制引擎都可以通過標準因特網(wǎng)瀏覽器進行訪問，以方便用戶瀏覽、管理與分配。使用者界面擁有多個視窗，可讓建筑物控制系統(tǒng)各方面都能同時呈現(xiàn)。

在大數(shù)據(jù)環(huán)境不斷優(yōu)化的背景下，檔案局應更加注重科學技術在檔案管理及保護工作中的應用，要選用有專業(yè)素養(yǎng)的人才。只有在專業(yè)素養(yǎng)人才的帶領下才能建立起專門的檔案保護部門，使整個部門的工作人員認清檔案管理及保護的工作規(guī)劃、工作形勢和工作步驟。首先，要提高現(xiàn)有檔案管理工作人員的專業(yè)素養(yǎng)，對工作人員進行培訓，在培訓過程中要注意到每個工作人員存在的問題，并單獨解決每個員工的不足。其次，要招聘新的有專業(yè)素養(yǎng)的人才，應能夠對以前檔案管理存在的問題提出解決意見。

2.2 數(shù)據(jù)管理服務器

對于不同控制對象，選擇合適的常數(shù)項系數(shù)λ來調整PD 調節(jié)時機，能夠有效消除升溫階段受到的參數(shù)影響，降低過渡階段的超調。通過公式（7）計算結果獲取PID 控制器輸出結果，控制升溫或降溫繼電器工作，使系統(tǒng)溫度達到通信樓宇自控溫度要求。

2.3 網(wǎng)絡控制引擎

2.確定命題內容。剛才也提到了，我們平時的口語交際訓練都是在具體的交際情境中進行的，所以口語交際的評價也應在具體的交際情境中進行。因此命題的內容一定要有與交際話題相適應的交際情境，這里就不再贅述了。

2.4 嵌入式DDC 控制器

嵌入式DDC 控制器是系統(tǒng)前端器件，主要分布于通信樓宇間各個設備中，如空調房、水泵房、冷凍站等。嵌入式DDC 控制器結構如圖2 所示。

圖2 嵌入式DDC 控制器結構

由圖2 可知，DDC 與江森公司BACnet 總線相連，可以實現(xiàn)對ADS 操作站的操控。DDC 系統(tǒng)以BACnet 數(shù)字控制器FEC 為核心，它是控制制冷機機組、空調系統(tǒng)HVAC 工藝、工作分配照明及其他電氣設備的理想控制器[13]。FEC 控制器能夠通過擴展控制器總線來提升輸入和輸出數(shù)據(jù)速率，并可以通過內部發(fā)光二極管對這些問題進行監(jiān)控，在局域網(wǎng)中，控制器可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分享，F(xiàn)EC 控制器可以把所有的監(jiān)控點和控制信息準確地傳送到BACnet 或控制臺。

3 樓宇自控系統(tǒng)監(jiān)控方案

3.1 機電設備最佳啟停節(jié)能控制方案

在通信樓宇內，夜間不需要使用空調的房間應立刻關閉，保證系統(tǒng)達到最佳節(jié)能效果。另外，室內溫度是一個被控制物體，其慣性很大。為了避免房間里溫差大，可以暫時關掉冷氣。建筑設備的自動控制系統(tǒng)能對空調啟停進行精確計算和控制[14]?？照{間歇時間不能過長或過短，若間隔時間過長，就會導致空調在啟動瞬間達到溫度最高值，該瞬間會給系統(tǒng)帶來滯后問題，使溫度無法快速降到舒適值；若間隔時間過短，則導致空調壓縮機頻繁啟動影響空調散熱。普通的壓縮機間隔時間應該大于3 min。充分考慮上述幾個方面，在不連續(xù)關閉狀態(tài)下重新啟動時，將系統(tǒng)的負荷和干擾看作是一個恒定值，那么從負荷角度可以用以下方式來表達：

圖3 中的AB階段、CD階段為升溫階段，BC階段、DE階段為溫度過渡階段，EF階段為降溫階段，在這幾個階段中最容易出現(xiàn)超調的階段就是BC階段、DE階段。造成這種現(xiàn)象的主要原因是PID 積分項累計，為了解決該問題，充分考慮過渡階段抑制系統(tǒng)溫度過快增長需求，采用積分分離思想，結合系統(tǒng)切換時機，得到的過渡階段控制策略為：

開機時間t1約束如下所示：

如果不考慮系統(tǒng)滯后問題，開機時間可表示為：

式中t0為開機初始時間。如果空調啟動時間過長，那么室內溫度就會大幅度降低，與此同時耗電量也隨之增加。

為了節(jié)能需充分考慮滯后問題，在確定滯后時間常數(shù)前提下，根據(jù)式（4）計算結果控制間歇啟停。假設在室內達到最低溫度前一刻的時間為T1，室內達到最高溫度前一刻的時間為T2，則有如下控制方案：

盡管這種改進提高了配電網(wǎng)絡的計算速度，但是由于粒子群算法在尋優(yōu)得到當前最優(yōu)時，其他粒子快速向其聚集，容易在局部極值中跳不出來出現(xiàn)早熟現(xiàn)象，因此要進一步研究改進算法應用在配網(wǎng)重構中。

在制冷室中裝有DDC 和現(xiàn)場監(jiān)測單元，對制冷供水系統(tǒng)的供水/回水總管壓力差值進行測量，并對各旁路閥門的開度進行控制，以維持適當壓力差，確?？照{系統(tǒng)的正常工作。減少不需要啟動和停止容忍時間，以確保舒適環(huán)境，從而達到節(jié)能效果；同時，在預冷和預熱過程中關掉新風閥門，既可以降低裝置容積，又可以減少由于獲得新鮮空氣而造成的制冷和供熱消耗。

3.2 等效溫度和區(qū)域控制方案

由于人體對溫度十分敏感，但對濕度反應速度較慢，人體在相對濕度為35%～65%的情況下是比較緩慢的；但是，如果相對濕度大于65%或者35%，則會引起身體對水分強烈反應，在這種情況下，室內空氣相對濕度會起到主要作用。在整個控制過程中，以舒適為指標，而不是單純地以溫度為控制指標。使用嵌入式DDC 控制器能夠實時監(jiān)控回風溫度，結合PID 控制方法控制溫度值，然后將數(shù)據(jù)輸入到電動閥門中進行調節(jié)。將水閥與風扇連鎖，若無風扇，則可自行關閉。在以嵌入式DDC 控制器為核心的控制系統(tǒng)中，使用PID 算法實現(xiàn)等效溫度和區(qū)域控制，公式為：

由圖4 可知，在該報告界面下，使用N-CRT 接口描述性消息描述節(jié)能事件和溫度控制事件，該消息總長度為150 個字節(jié)，事件消息格式如圖5 所示。

式中：sp表示PID 控制器的調節(jié)參數(shù)；e(s)、e(s-1 )分別表示第s次、s-1 次采樣偏差；TD表示控制器微分時間常數(shù)。依據(jù)式（6）計算結果，得到如圖3 所示的溫度變化曲線。

圖3 溫度變化曲線

式中：q1表示實際運行負荷；q2表示啟動過程中浪費的負荷；C表示房間熱容量；t1表示空調啟動時間；t2表示停機時間。對于開機時間t1，計算公式為：

整個樓宇的設備控制都是通過局域網(wǎng)進行數(shù)據(jù)服務管理的[11-12]，而NAE 需要對全部數(shù)據(jù)進行有效管理。系統(tǒng)中的ADS 服務器負責將樓宇信息通過SQL 標準數(shù)據(jù)庫進行整理和存儲。設定數(shù)據(jù)管理服務器中的時間表，計劃功能讓用戶可以自定裝置運作日期與時間，如裝置開始與停止，并改變設定值。Metasys 用戶接口能夠為用戶每周日程安排提供界面，根據(jù)時間表設定的時間指令可以時刻啟動樓宇內所有裝置。

本文設計一種基于Web 技術網(wǎng)絡控制的引擎，該引擎具有視窗操作系統(tǒng)和建筑自動控制系統(tǒng)，用于對嵌入式DDC 控制器進行實時監(jiān)測，并通過Metasys 用戶接口進行導航。將網(wǎng)絡引擎放置在無線網(wǎng)絡中，能夠為數(shù)據(jù)管理服務提供數(shù)據(jù)支持。該引擎使用了非易失性固態(tài)快閃存儲器中的全部程序進行數(shù)據(jù)存儲，并對非易失性固態(tài)快閃存儲器進行保護[9]。關掉電源后，把它保存到閃存里，該供電裝置裝有LED，主要用于實時計時，電源上裝有LED，當發(fā)生故障時，可以及時報警并替換。利用多個網(wǎng)絡控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對多個網(wǎng)絡控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時顯示，方便實現(xiàn)對整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行瀏覽。

4 系統(tǒng)測試

為了驗證設計的基于嵌入式DDC 控制器的通信樓宇自控系統(tǒng)的有效性，進行了如下系統(tǒng)測試。

4.1 警報報告

在通信樓宇自控系統(tǒng)安全檢測過程中，會存在一份警報報告，該報告的警報、離線、禁用點均在導航中顯示。當報表執(zhí)行完畢后，可以對已完成報表進行實時更新，確定報告運行最新位置。警報報告單如圖4 所示。

而對于非法政治參與，則是對于一些社會中的不法分子而言，他們采取的政治參與形式，對于社會以及人民造成了一定的傷害以及利益損失，嚴重威脅到了社會的穩(wěn)定，對于社會的發(fā)展和國家的發(fā)展都有著嚴重的影響。

近年來，雖然許多高校圖書館都會藉由“世界讀書日”開展閱讀推廣活動，但多是各高校圖書館自行舉辦，沒有成立一個長期、穩(wěn)定的機構進行活動規(guī)劃和統(tǒng)籌，其活動效果有限。并且往往都是圖書館在校內開展閱讀推廣工作，其他部門并不參與，使得活動效率低、影響范圍有限。

圖4 警報報告單

雖然形符能夠劃分眾多漢字的義項，但是存在一些構字能力差、筆畫繁瑣的形符。如，“邑”這一形符指的是城市、都城，通用漢字中僅有“邕、邫、郌、郒、郶、郺、鄨”，且都是筆畫繁多、記憶難度大的漢字。這種構字能力差，出現(xiàn)概率小的漢字，不適宜對留學生進行教學。本文認為，對外漢語教師應該選取一些構字能力強，出現(xiàn)頻率高的形符進行教學。下面就舉例說明：

從圖4可以看出，礦化床對于滲瀝液中的COD去除具有很好的效果，能達到90%以上的去除率。對于氨氮和總氮的去除效果沒有像COD一樣明顯。但結合7、8月測驗數(shù)據(jù)，可以看出經(jīng)礦化床出水的氨氮和總氮去除均在限值以下，說明礦化床單元能夠有效地處理滲瀝液，幾乎可以保證使其達標排放。

圖5 事件消息格式

將N-CRT 端口作為連續(xù)監(jiān)測端口，在該端口下獲取的消息是具有全面性的。

4.2 測試數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計事件消息，得到的實際測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 實際測試數(shù)據(jù)

將表1 數(shù)據(jù)作為對照數(shù)據(jù)，進行詳細測試分析。

4.3 節(jié)能控制測試

對于節(jié)能控制的測試，以空調運行能耗為例，分別使用文獻[1]系統(tǒng)、文獻[2]系統(tǒng)、本文設計系統(tǒng)對比分析空調運行能耗，將超過實際能耗的數(shù)值視為不節(jié)能能耗，對比結果如圖6 所示。

圖6 三種系統(tǒng)空調運行能耗對比分析

由圖6 可知：使用文獻[1]系統(tǒng)空調運行能耗在7 月10日—8月10日出現(xiàn)了首個高峰期，數(shù)值為1 400 kW·h。在8 月10 日—9 月10 日、9 月25 日—10 月5 日能耗曲 線波動范圍較大，其余時間波動范圍較小；使用文獻[2]系統(tǒng)空調運行能耗在8 月5 日出現(xiàn)了首個高峰期，數(shù)值為1 520 kW·h。在8月10日—9月10日、9月25日—10月5日能耗曲線波動范圍較大，其余時間波動范圍較??；使用本文設計系統(tǒng)在6 月25 日—8 月10 日，空調運行能耗保持1 250 kW·h不變，在8月10日—9 月10日、9月25日—10 月5 日能耗曲線波動范圍較大，其余時間繼續(xù)保持不變。通過上述分析結果可知，使用本文設計系統(tǒng)與實際測試數(shù)據(jù)一致，說明使用該系統(tǒng)能耗控制效果較好，具有一定節(jié)能效果。

4.4 溫度控制測試

選取第5 個溫度控制節(jié)點的302 號房間為例進行溫度測試，滿足人體對溫度舒適度感覺不大于26 ℃，使用文獻[1]系統(tǒng)、文獻[2]系統(tǒng)、本文設計系統(tǒng)對比分析室內溫度控制效果，對比結果如圖7 所示。

圖7 三種系統(tǒng)溫度控制結果對比分析

由圖7 可知：使用文獻[1]系統(tǒng)溫度由24.3 ℃調節(jié)到25.3 ℃；使用文獻[2]系統(tǒng)溫度由23.5 ℃調節(jié)到25.1 ℃；使用本文設計系統(tǒng)溫度由25.0 ℃調節(jié)到26.0 ℃。由此可知，使用本文設計系統(tǒng)溫度變化范圍在實際溫度變化范圍內，說明使用該系統(tǒng)溫度控制效果較好。

5 結 語

本文設計的基于嵌入式DDC 控制器的通信樓宇自控系統(tǒng)，能夠通過對整個樓宇間機電設備進行數(shù)據(jù)采集與控制，使變電工程總部設備管理系統(tǒng)達到自動化控制的目的，有效改善了系統(tǒng)運行質量，確保各個樓宇的舒適性。運用最優(yōu)操作計劃進行合理能耗節(jié)約管理。結合PID 算法控制等效溫度，使過渡期溫度控制在合理范圍內。在系統(tǒng)測試中，本文設計系統(tǒng)的能耗最大值為1 250 kW·h，溫度最大值為26.0 ℃，表明所設計系統(tǒng)研究是具有合理性的，為通信樓宇智能運行提供了設備支持。