基于KingSCADA的建筑設備管理系統(tǒng)設計與實現

鄭在富，祝竟梅

（四川礦產機電技師學院，四川，成都 611230）

0 引 言

建筑設備管理系統(tǒng)是各種家居和商業(yè)建筑中必不可少的配置，在實現節(jié)能減排、合理管理和使用建筑設備方面具有不可替代的作用。該系統(tǒng)的核心當屬監(jiān)控組態(tài)軟件，監(jiān)控組態(tài)軟件屬于現代計算機測控系統(tǒng)，在工業(yè)自動化中發(fā)揮著至關重要的作用，可免除一些儀器儀表的配置，不但節(jié)省大量的人力和物力，而且還讓系統(tǒng)更加智能化。該類系統(tǒng)的功能非常完善，能夠采集最基本的信息數據，取得很好的控制效果。此外，該類系統(tǒng)還具有人機交互功能，可進行數據的交換和分析處理，提供報表打印和故障診斷等功能，能夠根據不同的控制系統(tǒng)增減部件實現各自的功能，具有開放性、多變性和通用性。本文在建筑設備管理系統(tǒng)中使用了KingSCADA3.7 組態(tài)軟件。

1 系統(tǒng)的背景和意義

有研究表明，2013年國內整個建筑設備管理系統(tǒng)的市場規(guī)模只有5 197.4 億元，2018年超過10 000 億元，2019年超過12 000 億元，預計到2025年將會達到20 000 億元。由此可見，建筑設備管理系統(tǒng)發(fā)展迅速，市場規(guī)模越來越大。為了使企業(yè)在市場競爭中脫穎而出，迅速占領市場，本文研發(fā)了基于KingSCADA 的建筑設備管理系統(tǒng)，并在投入運行后取得良好的效果。

2 功能分析

KingSCADA 是亞控公司自主開發(fā)的組態(tài)軟件，是在組態(tài)王（KingView）的基礎上發(fā)展而來的高端產品，在各行業(yè)的工業(yè)控制系統(tǒng)中得到廣泛的應用。KingSCADA3.7 組態(tài)軟件和其他常用的工業(yè)用軟件一樣結合了前期設計和后期運用功能，具有優(yōu)異的組態(tài)功能。此類功能可以通過信息交互實現對以各種方式布局系統(tǒng)的智能化管理，以發(fā)揮設備的最佳效用。該軟件可應用于各種主流操作系統(tǒng)中，支持多語種系統(tǒng)，完美支持Windows 10。管理人員和技術人員可隨時隨地從Web 端登錄系統(tǒng)，實現對工業(yè)現場的監(jiān)控，同時具有管理者和生產者身份的角色，不但能夠查看各種歷史數據和現場數據，還能夠對各種報表、報警數據進行及時的處理，從而提高了生產力和執(zhí)行力。我們既可以組建單機系統(tǒng)，也可以通過網絡拓撲機構建多機一體化系統(tǒng)，適用于各種工業(yè)控制系統(tǒng)。

組態(tài)軟件KingSCADA3.7 版本和其他版本的區(qū)別在于，數據詞典中添加的I/O 變量需要由獨立的KingIOServer 工程設計器來創(chuàng)建，并且通過網絡配置對IOServer 服務器的站點進行添加后才能使用。首先，運用組在服務端進行畫面創(chuàng)建，編寫各種腳本對系統(tǒng)進行控制，可以運用的腳本包括配方模板、系統(tǒng)腳本和自定義腳本。對于比較復雜的大型系統(tǒng)（比如包含多個PID 控制的系統(tǒng)），還要結合運用VB，以使系統(tǒng)達到控制要求。此外，對于各種控制數據，還需要創(chuàng)建相應的數據庫來存儲和處理數據，各種報表和曲線的使用讓工業(yè)控制變得更加容易。

建筑設備管理系統(tǒng)包含智能照明管理系統(tǒng)、環(huán)境檢測管理系統(tǒng)、新風管理系統(tǒng)、中央空調管理系統(tǒng)、能耗管理系統(tǒng)和報表系統(tǒng)等。本文以中央空調管理系統(tǒng)和新風管理系統(tǒng)為例，介紹基于KingSCADA 的建筑設備管理系統(tǒng)，系統(tǒng)網絡結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網絡結構

空調系統(tǒng)是現代建筑的重要成員，是整個建筑設備管理系統(tǒng)最為重要的監(jiān)控對象，也是整個樓宇工作系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)控的重點目標之一，其在建筑設備管理系統(tǒng)中的地位主要體現在以下幾個方面：（1）中央空調和新風系統(tǒng)的運行效果決定著所控制區(qū)域乃至整個樓宇工作環(huán)境的優(yōu)劣；（2）中央空調和新風系統(tǒng)所消耗的能量占整個建筑設備管理系統(tǒng)的一半，是整個系統(tǒng)中耗能最大的部分，而其能耗分配為冷熱源消耗40%，傳輸和運送消耗60%，其耗能情況決定著整個系統(tǒng)的耗能表現；（3）空調系統(tǒng)控制要求是要根據現場情況變化立刻做出反應，是整個系統(tǒng)中自動化程度最高的部分，對組態(tài)實時監(jiān)控要求比較高。只有從源頭即從空調開始做好監(jiān)控工作才能達到有效節(jié)能的目的。本系統(tǒng)采用KingSCADA 對建筑設備管理系統(tǒng)進行組態(tài)、監(jiān)控和控制調節(jié)。耗能的關系可用以下公式來表示：

=△=[（）-（）]

其中，為系統(tǒng)能耗，（）為室外溫度，（）為室內溫度，系統(tǒng)能耗與溫差成正比。

中央空調和新風系統(tǒng)主要通過送氣和回風的關聯(lián)調節(jié)，對空氣進行降溫和除濕，也就是對新風溫度、新風濕度以及回風溫度、濕度的監(jiān)控、調節(jié)，使控制區(qū)域處于預期狀態(tài)。針對溫度的調節(jié)要注意室內溫度與室外溫度的差異不能過大，通過組態(tài)監(jiān)控進行PID 實時調節(jié)，冬季溫度設定值大概在25℃～27 ℃之間，夏季溫度設定值要固定在25 ℃～27 ℃范圍之內。根據不同環(huán)境的作業(yè)要求進行工藝性調節(jié)。針對不同工作環(huán)境濕度變化不穩(wěn)定的情況，根據工業(yè)要求不同，各種生產工藝對濕度的要求大不相同，比如電子生產車間要求相對濕度50%±10%，但是紡織車間中工藝要求相對濕度85%±10%。所以冬季相對濕度設定值范圍為40%～50%，夏季相對濕度設定值范圍為50%～60%。溫度與濕度具有關聯(lián)性，彼此之間不是獨立存在的。濕度的變化會引起溫度的波動，而溫度的變化則會引起相對濕度和絕對濕度的變化，溫度的變化將會引起相對濕度和絕對濕度的增大或減小。所以在設計系統(tǒng)時需要綜合考慮二者的相互影響，以實現最佳的系統(tǒng)性能。

空調管理系統(tǒng)按照實現的功能分為冷源系統(tǒng)、熱源系統(tǒng)和前端設備。其中冷源系統(tǒng)由冷水機組、冷凍水系統(tǒng)組成。空調管理系統(tǒng)具有典型性。首先，各種干擾源均會影響系統(tǒng)的運行，比如室外的天氣情況會影響室內溫度，陰天和晴天對比下有雪天和無雪天的干擾結果肯定是不一樣的，同理新風系統(tǒng)采集進來的新風也會形成干擾源，不但會影響室內溫度還會影響室內濕度。其次，工作情景模式需要根據季節(jié)和環(huán)境的變化而變換，冬季的控制策略和夏季的控制策略不一樣，可以進行手動模式和自動模式的切換?？梢愿鶕到y(tǒng)工作環(huán)境的不同設計不同的組態(tài)監(jiān)控位置和監(jiān)控參數，以實現精確地控制。

系統(tǒng)控制策略可分為以下幾個部分：

（1）系統(tǒng)啟動分為手動模式和自動模式。自動模式下又可通過兩種方式進行控制。第一種方式是按照時間表控制風機的啟動，時間表包含4 個定時開關段和1 個節(jié)假日時間段。第二種方式需要同時滿足送風機無故障報警、無低溫報警，系統(tǒng)啟停命令為開、送風機及空調啟動命令為開時，送風機及空調開始正常運轉。

（2）系統(tǒng)需要將水閥、風閥、加濕閥與風機狀態(tài)相關聯(lián)，當風機關閉時，水閥、風閥和加濕閥必須關閉。

（3）防凍開關用于防凍，當環(huán)境溫度低于所設定的最低溫度時防凍開關開啟，與此同時新風系統(tǒng)停止運行。

（4）壓差開關用于對過濾網的阻塞進行報警。當系統(tǒng)檢測到壓差不在工作范圍之內時壓差開關開啟。

（5）加濕閥根據回風濕度進行控制。監(jiān)測回風濕度，通過啟?？照{加濕閥，使回風濕度保持在設定值范圍內（45%±10%）。當回風濕度低于設定值時，加濕閥開啟；當回風濕度高于設定值時，加濕閥關閉。

（6）冷熱水閥在空調啟動時開始工作，此時冷熱水閥開度開至1/2，空調未運行時，冷熱水電動調節(jié)閥關閉。系統(tǒng)監(jiān)測送風溫度，通過PID 調節(jié)冷熱水閥，使送風溫度保持在設定值范圍內。系統(tǒng)啟動后水閥開度50%持續(xù)5 分鐘，5 分鐘之后根據送風溫度PI 調節(jié)水閥，使送風溫度維持在設定值20 ℃±2 ℃。當室外溫度大于10 ℃小于20 ℃時，水閥開度為0%，只開送風機或空調。冬季送風溫度維持在設定值30 ℃±2 ℃，控制策略與夏季相反。

（7）空調運行后，風閥都要開啟，初始開度新風閥為3/10、回風閥為7/10，空調送風機關閉時，電動風閥關閉。當室外溫度大于15 ℃小于25 ℃時，新風閥開度為100%。當室外溫度小于15 ℃或者大于25℃時，系統(tǒng)啟動后新風閥開度50%持續(xù)5 分鐘。5 分鐘之后根據回風CO濃度持續(xù)5分鐘。5 分鐘之后根據回風CO濃度PID 調節(jié)新風閥，使回風CO濃度維持在500 ppm±10%。此過程中新風閥設定最小開度值30%?；仫L閥開度總量與新風閥開度互補，新風閥開度和回風閥開度之和始終維持在100%。

3 系統(tǒng)設計

根據系統(tǒng)設計目標、系統(tǒng)控制策略和運行策略的要求，兼顧系統(tǒng)的性價比和可操作性，本文采用直接數字控制（Direct Digital Control, DDC）設計了基于KingSCADA 的建筑設備管理系統(tǒng)。根據控制策略，監(jiān)控組態(tài)監(jiān)控功能設計為：

（1）監(jiān)控風機工作狀態(tài)，是否運行、處于手動還是自動狀態(tài)、有沒有過載報警、統(tǒng)計風機運行的總時間、運行開關次數、風機的頻率大小及調節(jié)情況。

（2）監(jiān)測送風通道和回風通道的溫度和濕度。監(jiān)測送風溫度、送風濕度、回風溫度、回風濕度，然后根據設定值的大小運用PID 對電動調節(jié)閥進行調節(jié)，控制水閥和加濕閥的開度，讓送風溫濕度和回風溫濕度達到設定值的范圍。

（3）監(jiān)測回風CO濃度，根據CO濃度實時調節(jié)控制。

（4）監(jiān)測室外溫度和相對濕度。

（5）監(jiān)測粗效過濾網兩邊的壓差，根據報警信號提示進行清洗。

（6）監(jiān)測防凍開關的狀態(tài)，出現低溫報警時及時停止風機，關閉送風機。

（7）根據室內和室外溫度的差值，及時調節(jié)風機和風閥。

根據以上擬定的組態(tài)監(jiān)控功能設計監(jiān)測點，如表1所示。

表1 監(jiān)測點

設計各控制流程，其中回風CO濃度控制流程如圖2所示。

圖2 回風CO2 濃度控制流程

工業(yè)控制中各個對象的數據大小和單位量綱都不一樣，通過計算機數字控制系統(tǒng)采集數據后，經過模數轉換（A/D）轉換后該數據變得沒有量綱。在工程實踐中，需要將這些沒有量綱的數據轉換為有量綱的數據才能進行計算、讀寫和控制打印等，實現最終的標度變換。KingSCDA 通過現場的各種溫濕度傳感器等I/O 設備監(jiān)測獲取實時數據量，經過算法處理后實現兩方面的功能：（1）以動畫或圖形的方式在KingSCDA 畫面上顯示實時數據。（2）根據控制要求將一些控制參數傳送給現場設備的I/O，然后對控制對象和執(zhí)行結構進行控制。通過畫面設計和編輯，編輯出適合系統(tǒng)的組態(tài)界面，編寫應用程序后進行調試。實際操作中，首先運用仿真模式檢驗動畫的運行效果是否達到設計要求，運行狀態(tài)是否符合設定的控制流程要求。連接好設備驅動程序后設置正確的通信協(xié)議與外部設備進行連接。綜合測試后，排除和修正所存在的問題和缺陷，改進系統(tǒng)設計后最終投入實際運行。

工業(yè)現場的實時反應需要開環(huán)控制，工業(yè)系統(tǒng)中一般采用對控制對象設置一個設定值的方式實現。但是控制系統(tǒng)要求迅速準確地使生產對象達到所設定的偏差之內，所以現代生產系統(tǒng)中采用了符合生產實際的控制算法，現階段大量運用的是PID 控制算法。本系統(tǒng)采用KingSCADA 中“對象”“OCX 控件”目錄下的“KingviewPid Control”。該OCX 控件需要在畫面中使用，如果系統(tǒng)建立的畫面有很多個，但是具有“KingviewPid Control”控件的畫面沒有處于當前運行活動狀態(tài)，說明控制算法沒有起到控制作用。采用的處理方法是在命令程序語言中編寫腳本，使“KingviewPid Control”控件設定值與數據詞典設定值相關聯(lián)，讓該控件處于運行狀態(tài)。此方法的缺點是需要設置的參數比較多，而且該控件只能提供溫度、壓力的PID 調節(jié)功能，對于復雜的工業(yè)控制系統(tǒng)則需在設備端實現PID 控制。“KingviewPid Control”控件如圖3所示。

圖3 “KingviewPid Control”控件

根據PID 表達式采用命令語言編寫PID 控制程序。PID表達式又分為位置型算法和增量型算法兩種，位置型算法表達式為：

增量型算法表達式為：

在工業(yè)控制系統(tǒng)中增量型算法比較實用，相鄰時刻輸出絕對值的差為增量型，位置型算法產生的累加誤差比較大，增量型算法計算誤差對控制量影響不大。位置型算法輸出全部控制量，誤動作比較大，增量型算法誤動作比較小，可以采用邏輯判斷對輸出進行控制，對系統(tǒng)的影響幾近為零。增量型積分不會無效，控制精度容易得到控制，編程簡單系統(tǒng)占用內存很少。部分PID 代碼為：

新建組態(tài)系統(tǒng)，設計各功能的監(jiān)控畫面，在KingIOServer工程設計器中新建各設備變量，然后在KingSCADA3.7 的數據詞典中設置各監(jiān)控點的參數。仿真調試后，現場運行達到設定目標，最終系統(tǒng)成功投入運行。系統(tǒng)工作人員在組態(tài)監(jiān)控畫面中可以查看生產現場的監(jiān)控數據和生產流程，打印實時/歷史報表，觀看實時/歷史趨勢曲線，根據監(jiān)控情況實時處理過程報警和系統(tǒng)報警，進行必要的數據參數修改以干預某個流程，遠程網絡監(jiān)控和發(fā)布實時生產數據。網絡發(fā)布遠程監(jiān)控提供實時生產數據。設計的其中一組畫面如圖4所示。

圖4 監(jiān)控組態(tài)畫面

4 結 論

基于KingSCADA 的建筑設備管理系統(tǒng)經過調試后投入運行，在某醫(yī)院建筑設備管理系統(tǒng)中運行監(jiān)控組態(tài)狀態(tài)良好，為企業(yè)自主設計應用提供了良好的解決方案，而不用買成套的成品，同等條件下為企業(yè)節(jié)約了成本，提高了企業(yè)競爭力，具有一定的推廣應用價值。