群智能化建筑樓宇微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計

袁江輝

（北京中盛國華工程技術(shù)有限公司，北京 100070）

隨著微電子技術(shù)、信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，群智能化建筑技術(shù)手段不斷得到提升，建筑樓宇微網(wǎng)的控制需求推動著建筑樓宇向智能化方向發(fā)展[1]，智能化建筑樓宇的建筑目的是建設(shè)出智能、安全、舒適的樓宇環(huán)境，滿足對樓宇微網(wǎng)的控制需求[2]。

他認(rèn)為，農(nóng)資流通企業(yè)數(shù)量的增多促使農(nóng)資經(jīng)營網(wǎng)點(diǎn)遍布全國各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村落，方便農(nóng)民采購農(nóng)資產(chǎn)品，保障農(nóng)時所需，有積極的意義。不過，當(dāng)前農(nóng)資流通企業(yè)“小散弱”的基本現(xiàn)狀也為行業(yè)發(fā)展帶來了一些問題。

為了滿足樓宇微網(wǎng)運(yùn)行階段對控制設(shè)備的自動管理，我國在建設(shè)智能化建筑樓宇時，通常會設(shè)計樓宇微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，但在實(shí)際生活中，建筑樓宇微網(wǎng)的運(yùn)行控制情況并沒有達(dá)到理想狀態(tài)，據(jù)調(diào)研結(jié)果顯示，大部分傳統(tǒng)的建筑樓宇微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)沒有真正實(shí)現(xiàn)自動化控制，傳統(tǒng)的微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)監(jiān)測，但系統(tǒng)的優(yōu)化協(xié)調(diào)依舊沒有實(shí)現(xiàn)，主要問題包括協(xié)調(diào)控制子系統(tǒng)互不兼容，系統(tǒng)的優(yōu)化協(xié)調(diào)只能在基站進(jìn)行；控制系統(tǒng)集成困難，處理數(shù)據(jù)能力差；有數(shù)據(jù)卻不能有效進(jìn)行存儲，需要現(xiàn)場組網(wǎng)配置，容易造成數(shù)據(jù)丟失；不能充分地滿足建筑樓宇的協(xié)調(diào)控制需求，不能靈活進(jìn)行更新和擴(kuò)展等[3]。

蘭州石化認(rèn)真落實(shí)從嚴(yán)管黨治黨的要求，牢固樹立“黨的一切工作到支部”思想。公司黨委堅持“抓書記、書記抓”，選拔能力強(qiáng)、作風(fēng)硬的干部擔(dān)任黨支部書記，帶動黨支部科學(xué)化、規(guī)范化運(yùn)行。

基于以上傳統(tǒng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，該文設(shè)計了群智能化建筑樓宇微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過設(shè)計系統(tǒng)硬件，使協(xié)調(diào)控制子系統(tǒng)互相兼容，完成系統(tǒng)的集成工作，并通過系統(tǒng)中相關(guān)的器件，對微網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲，最終達(dá)到協(xié)調(diào)控制要求，最后通過實(shí)驗驗證該文設(shè)計的控制系統(tǒng)的有效性。

盡管津巴布韋農(nóng)業(yè)部無法立即提供一個市場更新要求，但根據(jù)之前數(shù)據(jù)表明，津巴布韋國內(nèi)大約有40家農(nóng)業(yè)化學(xué)企業(yè)，其中一些企業(yè)參與了近450種不同農(nóng)產(chǎn)品的配方和銷售。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

第四步：接收各項設(shè)備的采集信息，通過傳輸信道傳輸至協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，等待控制系統(tǒng)發(fā)送控制命令，如果為控制命令，則通過系統(tǒng)的硬件設(shè)備分析處理各項采集信息；如果不是控制命令，則重新等待群智能化設(shè)備發(fā)送采集命令。

圖1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 電源電路設(shè)計

控制系統(tǒng)的電源電路輸入電壓為16 V，輸出電流最高為4 A，單路輸出電壓為24 V，額定功率為80 W，該電源電路主要由開關(guān)電路、控制電路、電壓反饋電路以及濾波電路構(gòu)成。電源電路圖如圖2 所示。

圖2 電源電路圖

開關(guān)電路中最高電流能達(dá)到2 A，2 A 的電流可以驅(qū)動開關(guān)，電路中由于存在源邊電感，因此會產(chǎn)生尖峰電流，從而縮短了開關(guān)的充放電時間，在一定程度上會提升電源電路中電壓的穩(wěn)定性，并提升電路效率?？刂齐娐分虚_關(guān)的頻率由電路中的電阻決定，當(dāng)控制電路中電阻為4 kΩ時，開關(guān)頻率為150 kHz，控制電路的額定功率為60 W，由于功率較大，因此工作模式分為兩種：連續(xù)模式和斷續(xù)模式，這樣可以減小電路中的負(fù)電壓[4]。通過電壓反饋電路可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓量的實(shí)時采集，通過引腳將輸出電壓的信息傳輸?shù)絻?nèi)部基準(zhǔn)源中，產(chǎn)生的誤差電壓可以增大脈沖寬度[5]。開關(guān)電路、控制電路、電壓反饋電路共同工作，對整個硬件系統(tǒng)進(jìn)行供電和控制。

1.2 單片機(jī)設(shè)計

控制系統(tǒng)的單片機(jī)選擇STC 公司的89C516，這是控制系統(tǒng)的核心器件，該款單片機(jī)是一種在線可編程器件，可以實(shí)現(xiàn)串口編程，其CPU 具有48 個I/O端口，20 個引腳，抗干擾性能和節(jié)能性能均優(yōu)于其他型號的單片機(jī)[6]，其內(nèi)部集成了高速采集器，可實(shí)時采集建筑樓宇微網(wǎng)數(shù)據(jù)，對內(nèi)部集成的采集器和復(fù)位電路進(jìn)行了穩(wěn)定性處理，單片機(jī)的性能指標(biāo)滿足該文系統(tǒng)對電源電路、處理器以及控制器的控制要求[7]。單片機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

利用單片機(jī)的部分I/O 端口實(shí)現(xiàn)與采集器的連接，當(dāng)采集器采集完建筑樓宇微網(wǎng)數(shù)據(jù)時，可利用I/O端口進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)向控制系統(tǒng)發(fā)送建筑樓宇微網(wǎng)數(shù)據(jù)和控制指令，單片機(jī)外圍電路的電壓為3.3 V，單片機(jī)芯片需要1.8 V的工作電壓，為了使單片機(jī)芯片可以穩(wěn)定工作，通過集成降壓芯片使3.3 V 電壓降到1.8 V，單片機(jī)的設(shè)計實(shí)現(xiàn)了對建筑樓宇微網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和控制。

圖3 單片機(jī)結(jié)構(gòu)

12月20日，@央視新聞的微博轉(zhuǎn)發(fā)了一則“國家語言資源監(jiān)測與研究中心”發(fā)布的“2018年度十大網(wǎng)絡(luò)用語”，還以此編輯了一段邏輯順暢、正能量爆棚的熱詞串燒：

1.3 微處理器設(shè)計

該文系統(tǒng)的微處理器是由三星公司生產(chǎn)的，具有8 位定點(diǎn)數(shù)字，數(shù)據(jù)處理速度快且性能較好，該款微處理器的指令系統(tǒng)具有108 條指令，可支持浮點(diǎn)運(yùn)算和自適應(yīng)濾波，工作頻率為68 MHz，指令周期為150 ns，內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲空間為256 kB。當(dāng)單片機(jī)采集、傳輸完建筑樓宇微網(wǎng)數(shù)據(jù)后，微處理器采用數(shù)據(jù)總結(jié)結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)處理，處理完成后，存儲在內(nèi)置的存儲器中[8]。存儲器的存儲空間為16 MB，字節(jié)寫周期為25 μs，存儲完建筑樓宇微網(wǎng)數(shù)據(jù)的時間為10 s，很好地對數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，確保了建筑樓宇數(shù)據(jù)的完整性，降低了數(shù)據(jù)的丟失概率。存儲器的芯片是一個靜態(tài)存儲芯片，容量為64 kB，能夠協(xié)助存儲器完成數(shù)據(jù)的存儲。微處理器結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 微處理器結(jié)構(gòu)

微處理器處理建筑樓宇微網(wǎng)數(shù)據(jù)，再由存儲器進(jìn)行存儲，這一過程中需要10 V 的工作電壓，除了電源電路向其提供8 V 的電壓外，剩下的2 V 電壓由微處理器的外圍電路提供，微處理器的外圍電路電壓范圍為1.8～3.3 V，電流控制在1.2～1.6 A 內(nèi)，可支持微處理器處理部分?jǐn)?shù)據(jù)[9]。

1.4 控制器設(shè)計

第一步：系統(tǒng)初始化，確定建筑樓宇微網(wǎng)控制功能。中央處理單元需要實(shí)現(xiàn)對微網(wǎng)數(shù)據(jù)的優(yōu)化控制，在優(yōu)化控制前，需要確定建筑樓宇微網(wǎng)的控制功能，主要包括采集樓宇微網(wǎng)數(shù)據(jù)參數(shù)，處理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，存儲處理完的建筑樓宇微網(wǎng)數(shù)據(jù)參數(shù)以及結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)[13]，控制機(jī)電設(shè)備、微網(wǎng)末端設(shè)備、群智能化設(shè)備、通信設(shè)備等，采用控制邏輯和運(yùn)行策略安裝系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)[14]，隨著建筑需求的不斷變化，增加建筑空間，調(diào)整建筑樓宇內(nèi)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)[15]。由于機(jī)電設(shè)備內(nèi)的微網(wǎng)數(shù)據(jù)參數(shù)需要植入群智能化控制系統(tǒng)，因此群智能化控制系統(tǒng)可以通過通信接口對末端設(shè)備進(jìn)行靈活調(diào)整，將末端設(shè)備嵌入到各種源設(shè)備中，根據(jù)存儲的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)末端設(shè)備，以此實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化控制。末端設(shè)備與群智能化控制設(shè)備集成在一起，實(shí)現(xiàn)末端設(shè)備運(yùn)行過程的微網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測、穩(wěn)定控制與優(yōu)化協(xié)調(diào)功能[16]。

圖5 控制器結(jié)構(gòu)

第五步：分析處理完成各項采集信息后，判斷采集信息中的微網(wǎng)數(shù)據(jù)值是否滿足微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制要求，如果滿足，則進(jìn)入?yún)f(xié)調(diào)控制優(yōu)化過程；如果不滿足，則斷開通信設(shè)備，停止傳輸采集信息，結(jié)束程序。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

第二步：確定各項參數(shù)后，由群智能化建筑設(shè)備發(fā)送采集命令。微網(wǎng)數(shù)據(jù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)幫助協(xié)調(diào)末端設(shè)備后，對末端設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，完成優(yōu)化協(xié)調(diào)功能后，群智能化建筑設(shè)備整理各項數(shù)據(jù)參數(shù)以及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，然后發(fā)送采集命令。

圖6 樓宇微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)軟件流程

控制系統(tǒng)的控制器是該文建筑樓宇微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的核心器件，它可實(shí)現(xiàn)對建筑樓宇微網(wǎng)數(shù)據(jù)的控制，該款控制器以PLC 為主控制器，通過TCP/IP協(xié)議讀取建筑樓宇微網(wǎng)數(shù)據(jù)與電路中電壓和電流數(shù)據(jù)[10]?？刂破鞯幕窘Y(jié)構(gòu)包括電源、中央處理單元、內(nèi)置存儲器、輸入輸出接口電路等，控制器的電源負(fù)責(zé)對控制器及其他外設(shè)進(jìn)行供電，控制器電源的交流電壓最高可達(dá)到4.8 V，最低不低于3.2 V，電壓波動在15%以內(nèi)，該電源系統(tǒng)比較可靠，可直接與其相連[11]?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)如圖5 所示。

開發(fā)綠色能源，實(shí)現(xiàn)綠色建設(shè)，是現(xiàn)階段國家發(fā)展的重要戰(zhàn)略目標(biāo)。光伏發(fā)電，是一種可再生的綠色清潔能源，能有效緩解我國在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的能源匱乏問題［1］。簡單來說，光伏發(fā)電就是將太陽能轉(zhuǎn)化成電力，方便人們的生產(chǎn)生活。光伏發(fā)電與煤炭發(fā)電不同，光伏發(fā)電不會產(chǎn)生垃圾、有毒物，不會出現(xiàn)資源浪費(fèi)，且是取之不盡，用之不竭的。而電氣自動化能夠有效提高太陽能利用效率，通過對電氣自動化在太陽能光伏發(fā)電中的應(yīng)用研究，解決我國在資源配置方面遇到的各種問題。

具有工程量小、施工方便、節(jié)約勞動力的特點(diǎn)，在電力條件不能滿足的情況下，該方法具有明顯優(yōu)勢。但該方法抽水高程有限，排水能力有限，可配合其他方法使用。虹吸排水包括注水式和抽真空式。

該文設(shè)計的群智能化建筑樓宇微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的軟件流程如圖6 所示。

第三步：微網(wǎng)末端設(shè)備、機(jī)電設(shè)備以及通信設(shè)備接收并執(zhí)行采集命令。群智能化設(shè)備發(fā)送采集命令后，各項設(shè)備根據(jù)信息內(nèi)容接收屬于自己的采集命令，微網(wǎng)末端設(shè)備開始采集微網(wǎng)協(xié)調(diào)信息數(shù)據(jù)，機(jī)電設(shè)備采集電壓、電流參數(shù)，通信設(shè)備采集傳輸信道信息。

該文設(shè)計的群智能化建筑樓宇微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

中央處理單元為控制器的控制中樞，可以接收來自處理器中的數(shù)據(jù)，并診斷控制器當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，執(zhí)行控制器下發(fā)的控制指令，輸出并控制存儲的建筑樓宇微網(wǎng)數(shù)據(jù)，內(nèi)置的存儲器主要負(fù)責(zé)將控制數(shù)據(jù)進(jìn)行臨時保存，輸入輸出接口電路為數(shù)據(jù)的傳輸提供便利，可減小數(shù)據(jù)傳輸過程中受到的干擾，各個單元協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)控制器對建筑樓宇微網(wǎng)數(shù)據(jù)的控制[12]。

第六步：開始進(jìn)行微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制優(yōu)化操作，斷開末端設(shè)備，同時打開機(jī)電設(shè)備、群智能化設(shè)備，執(zhí)行信息中的控制命令，根據(jù)控制命令對系統(tǒng)進(jìn)行配置、調(diào)試，實(shí)現(xiàn)對建筑樓宇微網(wǎng)的有效控制。

3 實(shí)驗研究

通過與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗對比，驗證該文設(shè)計的群智能化建筑樓宇微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的有效性。實(shí)驗以制冷量為指標(biāo)衡量協(xié)調(diào)控制的實(shí)驗結(jié)果，如圖7 所示。

圖7 協(xié)調(diào)控制實(shí)驗結(jié)果

傳統(tǒng)控制系統(tǒng)對建筑樓宇微網(wǎng)沒有實(shí)現(xiàn)自動化控制，協(xié)調(diào)控制子系統(tǒng)互不兼容，只能在基站進(jìn)行優(yōu)化協(xié)調(diào)工作，且傳統(tǒng)控制系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的能力差，不能進(jìn)行實(shí)時存儲，易造成數(shù)據(jù)的丟失，并且傳統(tǒng)控制系統(tǒng)需要將各種機(jī)電設(shè)備接入控制器中，在建設(shè)完成后，再對微網(wǎng)設(shè)備單機(jī)進(jìn)行調(diào)試，而該文設(shè)計的控制系統(tǒng)采用了群智能化設(shè)備、末端設(shè)備、機(jī)電設(shè)備與通信設(shè)備，執(zhí)行控制系統(tǒng)發(fā)送的控制命令，并且提供了更為有效、可行的輔助方法。輔助方法包括提供建筑樓宇微網(wǎng)協(xié)調(diào)階段的自檢功能，以及機(jī)電設(shè)備與末端設(shè)備運(yùn)行時，對系統(tǒng)運(yùn)行的微網(wǎng)數(shù)據(jù)的智能化分析，這兩種輔助方法可以有效減少建筑現(xiàn)場的協(xié)調(diào)工作量，縮短對控制系統(tǒng)的調(diào)試周期，提升建筑效率。

從各站各月的平均風(fēng)速情況看(圖5),各個站點(diǎn)都存在同樣的季節(jié)變化。平均風(fēng)速最大的站點(diǎn)為國家氣象站(58449),其各月的平均風(fēng)速基本都高于其它3個站點(diǎn)。

除此之外，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)需把系統(tǒng)中的控制器、通信設(shè)備按照SPI 總線方式全樓連接組網(wǎng)，這增加了組網(wǎng)的難度，也降低了控制系統(tǒng)調(diào)試的速度，而該文控制系統(tǒng)只需要將基站節(jié)點(diǎn)連接，也就是全樓的調(diào)試設(shè)備與附近的節(jié)點(diǎn)連接，可以大大減少系統(tǒng)組網(wǎng)的工作量，使控制子系統(tǒng)相互兼容，輸送控制命令，并經(jīng)系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集、處理和存儲，有效提升了控制系統(tǒng)處理微網(wǎng)數(shù)據(jù)的能力，降低了微網(wǎng)數(shù)據(jù)丟失的概率。

該文設(shè)計的控制系統(tǒng)對建筑樓宇微網(wǎng)的控制結(jié)果與理論上的最優(yōu)結(jié)果基本一致。

4 結(jié)束語

該文設(shè)計的群智能化建筑樓宇微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，有效解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)出現(xiàn)的處理數(shù)據(jù)能力差、微網(wǎng)數(shù)據(jù)易丟失等問題，系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性和有效性。