樓宇能源設(shè)備監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉希軍 解華林 葉一平 王昕欣

摘? 要：設(shè)計(jì)研究樓宇設(shè)備管理系統(tǒng)以及閥門控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能樓宇的現(xiàn)代化控制方式。采用Webtalk通過BACnet IP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)連接控制器，通過控制器控制管理樓宇末端設(shè)備。利用Vistools開發(fā)管理系統(tǒng)，功能整合成相應(yīng)系統(tǒng)模塊，完成控制器數(shù)據(jù)傳輸。利用組態(tài)界面模擬實(shí)際控件，開發(fā)空調(diào)組件、集水坑組件和樓宇中的信息采集控制界面，使樓宇管理者能夠更加直觀觀察操作實(shí)際控件狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示與設(shè)備智能控制管理。

關(guān)鍵詞：樓宇設(shè)備管理；網(wǎng)關(guān)；組態(tài)界面

中圖分類號(hào)：TP277? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）08-0182-04

Abstract： This paper designs and researches building equipment management systems and valve control systems to realize modern control methods for intelligent buildings. The data is transmitted to the gateway through the BACnet IP protocol by using Webtalk， the gateway is connected to the controller and the terminal equipment of the building is controlled and managed through the controller. It uses Vistools to develop management system， integrates functions into corresponding system modules， and completes controller data transmission. It uses the configuration interface to simulate the actual controls， develops the air-conditioning components， sump components and the information collection control interface in the building， so that the building manager can more intuitively observe the actual control state of the operation， and realize the detection of data display and equipment intelligent control management.

Keywords： building equipment management; gateway; configuration interface

0? 引? 言

樓宇作為人類生存最基本的場(chǎng)所，隨著時(shí)代發(fā)展，人口數(shù)量的增加，樓宇的數(shù)量呈現(xiàn)上漲的趨勢(shì)，但是其中對(duì)于樓宇的智能建設(shè)我國的普及性還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。相比傳統(tǒng)的樓宇控制，智能樓宇控制系統(tǒng)對(duì)于樓宇內(nèi)部的用電設(shè)備控制，更能夠節(jié)約能源，并且對(duì)于室內(nèi)的信息采集能夠第一時(shí)間反饋到上位機(jī)上進(jìn)行統(tǒng)一的管理運(yùn)行[1，2]。

智能樓宇控制采用局域網(wǎng)控制，運(yùn)用局域網(wǎng)可節(jié)約由于布線而浪費(fèi)的人工成本和設(shè)備成本，可以自動(dòng)監(jiān)控設(shè)備，降低設(shè)備檢查成本，提高安全管理標(biāo)準(zhǔn)，確保設(shè)備正常運(yùn)行。同時(shí)，大數(shù)據(jù)可以分析能耗，幫助降低能耗，采用統(tǒng)一無線通信標(biāo)準(zhǔn)，可以輕松增加設(shè)備監(jiān)控的數(shù)量，降低設(shè)備升級(jí)或改造的成本。樓宇能源計(jì)量與設(shè)備監(jiān)控管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以提高管理單位對(duì)建筑物設(shè)施設(shè)備實(shí)際運(yùn)行和環(huán)境信息的掌握，降低布線造成的設(shè)備和電線的運(yùn)維成本。

對(duì)于現(xiàn)代化的樓宇而言，選用一套智能樓宇系統(tǒng)能夠較好地實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行，設(shè)備參數(shù)可視化等更加方便的功能。智能建筑發(fā)展以及能源的計(jì)量監(jiān)控發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。

1? 能源設(shè)備監(jiān)控管理系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)

樓宇能源計(jì)量與設(shè)備監(jiān)控管理系統(tǒng)上位機(jī)采用Webtalk，通過BACnet IP協(xié)議接入局域網(wǎng)，使得上位機(jī)能夠通過網(wǎng)絡(luò)連接在網(wǎng)頁界面中控制各個(gè)不同的電器件，且能夠讀出DDC的鍵值并進(jìn)行分析。Webtalk下端連接BR50網(wǎng)關(guān)和BACnet MS/TP總線。通過以太網(wǎng)接RJ-45接口，支持10 M/100 M網(wǎng)，兼容BACnet、LONWORKS、N2、EBI、CAN等多種協(xié)議[3，4]。

BR50驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)控制器DDC，使得相互連接的DDC作動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)控制器并行連接。DDC下端接入A9104風(fēng)閥驅(qū)動(dòng)器、TS-N10-B電纜式溫度傳感器、EMC-2596B三相多功能電度表等設(shè)備。

運(yùn)用Vistools進(jìn)行程序編寫，通過Vistools下載進(jìn)入不同的DDC中，使得DDC帶動(dòng)控件作動(dòng)。其中程序的編寫運(yùn)用整合程序，按照接線的端口做到一一對(duì)應(yīng)。AO、AI、BO、BI等信息需運(yùn)用在組態(tài)界面的建立。

運(yùn)用上位機(jī)Webtalk完成組態(tài)界面建立。在Webtalk中能夠運(yùn)用Vistools里編寫好的程序?qū)ζ溥M(jìn)行組態(tài)界面建立，能夠達(dá)到直接在界面中顯示出設(shè)備的狀態(tài)，并且能夠在網(wǎng)頁中控制具體設(shè)備，進(jìn)而完成智能控制、監(jiān)控和計(jì)量功能。

2? 管理系統(tǒng)Vistools程序開發(fā)設(shè)計(jì)

對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行人工控制或自動(dòng)控制，在自動(dòng)模式下，可以根據(jù)用戶自己設(shè)定的時(shí)間對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行開啟或者關(guān)閉。在組態(tài)界面中，使對(duì)電器件的開關(guān)與監(jiān)控更加直觀。在手動(dòng)模式下可以使用上位機(jī)組態(tài)按鍵或者實(shí)際按鍵進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)開關(guān)點(diǎn)擊對(duì)一個(gè)控件，或多個(gè)控件起到不同的控制效果。

設(shè)計(jì)空調(diào)控制方式，在自動(dòng)控制情況下多個(gè)用戶通過設(shè)計(jì)開啟時(shí)間控制空調(diào)風(fēng)閥狀態(tài)過程；在手動(dòng)情況下能夠通過實(shí)際開關(guān)對(duì)空調(diào)的風(fēng)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過水閥的開度實(shí)現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)控制，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)開度或自動(dòng)調(diào)節(jié)開度。在自動(dòng)控制下，通過采集到的溫度與濕度數(shù)據(jù)，分析控制樓宇中室內(nèi)的風(fēng)閥開度。若設(shè)定溫度與實(shí)時(shí)溫度不同，通過PI控制，改變水閥的開度，使得環(huán)境溫度向設(shè)定溫度靠攏，最終到達(dá)設(shè)定溫度，實(shí)現(xiàn)控制溫度的目的。在溫度過低的情況下，系統(tǒng)會(huì)停止風(fēng)閥的工作，使水閥百分百運(yùn)行來達(dá)到升溫度的效果。通過實(shí)時(shí)采集到的溫度和濕度值，和系統(tǒng)預(yù)設(shè)值實(shí)現(xiàn)智能控制，并將采集數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在后臺(tái)形成圖表。

設(shè)計(jì)開發(fā)樓控排水情況，本地遠(yuǎn)程開關(guān)實(shí)現(xiàn)設(shè)備是由本地強(qiáng)電接觸器控制及遠(yuǎn)程繼電器控制。運(yùn)用兩個(gè)泵體控制，當(dāng)水位達(dá)到設(shè)定低液位時(shí)，第一個(gè)泵開始工作，當(dāng)水位來到高水位時(shí)，第二個(gè)泵開始工作，當(dāng)水位高于超高水位的時(shí)候，設(shè)計(jì)兩個(gè)泵協(xié)同工作。當(dāng)水位降低到超高水位以下時(shí)，二號(hào)泵停止工作，一號(hào)泵繼續(xù)工作直到水位低于低水位的時(shí)候一號(hào)泵與二號(hào)泵才一起停止工作。如果一號(hào)泵故障，則設(shè)計(jì)第一次達(dá)到高水位時(shí)，二號(hào)泵則開始工作，當(dāng)其中一個(gè)泵故障的情況下另一個(gè)泵能夠接替其進(jìn)行工作，并且能夠通過手動(dòng)的方式控制泵的工作。通過器件模擬水位高低來反饋到現(xiàn)場(chǎng)控制器中，使得水閥作出相對(duì)應(yīng)的工作，運(yùn)用雙水閥，使得系統(tǒng)存在余度控制[5]。

3? 管理系統(tǒng)組態(tài)界面建立

連接Webtalk，選擇網(wǎng)關(guān)協(xié)議Bacnet完成設(shè)備掃描。建立設(shè)備點(diǎn)位，使不同的DDC帶動(dòng)不同的設(shè)備進(jìn)行工作。建立PI控制的空調(diào)系統(tǒng)，運(yùn)用檢測(cè)到的溫度與濕度控制空調(diào)組件，在界面中把溫度與濕度兩個(gè)AI量采用模擬量輸入建立并加以標(biāo)注。

空調(diào)系統(tǒng)能夠通過時(shí)間控制空調(diào)的開、關(guān)狀態(tài)，在Vistools中表示時(shí)間控制的AV量與用戶控制界面相結(jié)合，設(shè)計(jì)能直觀地觀察時(shí)間控制管理界面，其中空調(diào)開始工作的小時(shí)數(shù)為AV1，開始分鐘數(shù)為AV2，結(jié)束小時(shí)數(shù)為AV3，結(jié)束分鐘數(shù)為AV4?？照{(diào)組態(tài)界面如圖1所示。

設(shè)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)模擬開關(guān)BV量，BV5為手自動(dòng)切換開關(guān)，BV6為手動(dòng)啟停開關(guān)，BV9為冬夏季切換開關(guān)，BV10為水閥手自動(dòng)切換開關(guān)，BV21為防凍報(bào)警開關(guān)。采用模擬量AV設(shè)定溫度值，AV13為溫度的設(shè)定值，AV15為手動(dòng)打開水閥的開度的開關(guān)，AV20為運(yùn)行次數(shù)的統(tǒng)計(jì)的模擬量，AV20為運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)的模擬量。空調(diào)系統(tǒng)的水閥與風(fēng)閥與對(duì)應(yīng)的點(diǎn)位進(jìn)行綁定，水閥為BV9，風(fēng)閥為BV23。

設(shè)計(jì)雨天污水排水系統(tǒng)水閥組態(tài)管理組態(tài)，設(shè)計(jì)低水位、高水位和超高水位三個(gè)水位狀態(tài)，采用BI量輸入，并用指示燈指示。運(yùn)行時(shí)間設(shè)置AV量，本地遠(yuǎn)程控制維設(shè)置BI量輸入，手自動(dòng)切換采用遠(yuǎn)程控制上實(shí)現(xiàn)的BV量，一號(hào)泵和二號(hào)泵手動(dòng)啟停開關(guān)運(yùn)用自動(dòng)控制，按鈕控制水泵的開關(guān)。

遠(yuǎn)程本地開關(guān)為DI6，連接實(shí)際開關(guān)，為數(shù)字輸入量。水泵手自動(dòng)切換開關(guān)BV1，對(duì)于低水位DI8，高水位DI7，超高水位DI6，運(yùn)用紅藍(lán)開關(guān)代表水位是否達(dá)到水位標(biāo)準(zhǔn)，一號(hào)位水泵的運(yùn)行時(shí)間為模擬的變量AV10，二號(hào)位水泵運(yùn)行時(shí)間為AV11。設(shè)計(jì)一號(hào)位泵和二號(hào)位泵狀態(tài)狀態(tài)量BV40，開關(guān)對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)風(fēng)閥，并設(shè)置個(gè)泵發(fā)生損壞時(shí)的狀態(tài)，泵1損壞的狀態(tài)由DI9表示，泵2損壞的狀態(tài)由DI10表示。集水坑組態(tài)頁面如圖2所示。

4? 樓宇能源設(shè)備監(jiān)控管理系統(tǒng)調(diào)試

對(duì)于空調(diào)風(fēng)閥的調(diào)控先設(shè)置為本地控制，能夠運(yùn)用開關(guān)對(duì)風(fēng)閥進(jìn)行控制。將風(fēng)閥控制切換到遠(yuǎn)程控制狀態(tài)，在遠(yuǎn)程控制狀態(tài)下能夠通過按鈕控制風(fēng)閥的開度與水閥的開度，手動(dòng)打開風(fēng)閥開度。對(duì)于水閥的冬夏季切換也能做到手動(dòng)控制，使得出水在冬季為熱水，在夏季為冷水。當(dāng)觸發(fā)防凍警報(bào)時(shí)，系統(tǒng)作出報(bào)警指示。在自動(dòng)狀態(tài)下，組態(tài)能夠通過設(shè)定的時(shí)間與溫度參數(shù)對(duì)水閥與風(fēng)閥進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的控制與顯示。

將系統(tǒng)手自動(dòng)控制設(shè)置為手動(dòng)控制模式，即將水閥手自動(dòng)切換按鈕設(shè)置為手動(dòng)控制，此時(shí)系統(tǒng)不會(huì)受到程序中按照時(shí)間判斷來控制該閥門系統(tǒng)，只能通過控制區(qū)中的手動(dòng)控制按鈕來控制該系統(tǒng)。在手動(dòng)控制模式下，將系統(tǒng)打開并且將水閥開度調(diào)節(jié)到60%，此時(shí)，組態(tài)風(fēng)閥水閥狀態(tài)和風(fēng)閥水閥組件狀態(tài)分別如圖3和圖4所示。

當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行，濾網(wǎng)無堵塞以及系統(tǒng)未結(jié)冰時(shí)，將系統(tǒng)控制方式設(shè)置為自動(dòng)控制，此時(shí)設(shè)置運(yùn)行時(shí)間為7：00至22：00，調(diào)試時(shí)間在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，因此系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開，系統(tǒng)無堵塞，風(fēng)閥達(dá)到最大開度。將冬夏季切換按鈕選擇為夏季，用戶設(shè)定溫度為22 ℃，模擬系統(tǒng)狀態(tài)開關(guān)。系統(tǒng)傳感器檢測(cè)到當(dāng)前室內(nèi)溫度為21.4 ℃，比設(shè)定的溫度值要低，因此水閥開度達(dá)到最小值30%。將冬夏季切換按鈕設(shè)置為冬季，設(shè)定溫度為22 ℃高于室內(nèi)實(shí)測(cè)溫度21.4 ℃，因此此時(shí)該系統(tǒng)將要通過加大水閥的開度，使室內(nèi)溫度升高。通過程序PI控制，計(jì)算得出此時(shí)閥門開度為82.15%。

將系統(tǒng)模擬壓差報(bào)警打開，模擬壓差報(bào)警，即模擬發(fā)生濾網(wǎng)堵塞，此時(shí)組態(tài)界面相應(yīng)濾網(wǎng)位置將發(fā)生報(bào)警。將系統(tǒng)模擬防凍開關(guān)打開，模擬系統(tǒng)防凍報(bào)警，即表示此時(shí)系統(tǒng)有結(jié)冰的情況，此時(shí)水閥開度達(dá)到最大，且風(fēng)閥開度為最小。

模擬雨天污水排水系統(tǒng)的水閥的調(diào)試，將本地遠(yuǎn)程開關(guān)打到遠(yuǎn)程，能夠通過模擬水位來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的泵體開關(guān)的控制。當(dāng)沒有水位顯示，兩個(gè)泵都是關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)把低液位狀態(tài)變?yōu)殚_的時(shí)候，兩個(gè)泵體均為未工作狀態(tài)，模擬打開高水位開關(guān)。在一號(hào)泵沒有損壞的情況下，一號(hào)泵泵開始工作，若水位上升到超高水位，二號(hào)泵開始排水。水位積水組態(tài)圖如圖5所示。若出現(xiàn)泵故障情況，即若一號(hào)泵出現(xiàn)故障，液面達(dá)到高水位時(shí)，一號(hào)泵停止工作，二號(hào)泵獨(dú)立完成排水工作，如圖6所示。

打開組態(tài)界面樓宇實(shí)時(shí)溫度報(bào)表，區(qū)域選擇為溫度，設(shè)置需要查詢溫度的起始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間，時(shí)間間隔為5分鐘，類型選擇為最大值。點(diǎn)擊查詢，即可查詢時(shí)間內(nèi)每隔五分鐘的歷史溫度數(shù)據(jù)形成的折線圖。將區(qū)域選擇為濕度，設(shè)置需要查詢濕度的起始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間，時(shí)間間隔為5分鐘，類型選擇為最大值。點(diǎn)擊查詢，即可查詢時(shí)間內(nèi)每隔五分鐘的歷史濕度數(shù)據(jù)形成的折線圖。溫濕度折線圖如圖7所示。

5? 結(jié)? 論

針對(duì)傳統(tǒng)樓宇控制布線多而雜、材料資源能源消耗大的問題，設(shè)計(jì)研究采用了LoRaWAN無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，Vistools編程控制。通過無線網(wǎng)技術(shù)，減少了很多數(shù)據(jù)傳輸線以及電源線的消耗，同時(shí)使控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)變得更加簡(jiǎn)潔和直觀。使用Vistools編程控制，實(shí)現(xiàn)智能樓宇閥門控制系統(tǒng)。達(dá)到針對(duì)不同的實(shí)際情況實(shí)施不同的控制策略，減少不必要的能源損耗，達(dá)到節(jié)約能源資源的目的。

針對(duì)傳統(tǒng)樓宇控制中控制端固定，多在控制現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作，操作多，操作難等問題，設(shè)計(jì)研究采用建立組態(tài)界面實(shí)現(xiàn)控制。將每一個(gè)控制元件綁定在同一個(gè)組態(tài)界面中，實(shí)現(xiàn)在用戶界面統(tǒng)一控制調(diào)試整個(gè)系統(tǒng)，從而減少在現(xiàn)場(chǎng)操作控制的工作量，減少人力與物力的消耗。

參考文獻(xiàn)：

[1] 任江，鐘崇光.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能建筑中的應(yīng)用研究 [J].智能建筑，2013（2）：65-68.

[2] 李慧，段晨旭.變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)末端裝置的性能分析 [J].山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2005（1）：69-71.

[3] 周棟梁.基于wifi的物聯(lián)網(wǎng)智能樓宇控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [D].南京：南京郵電大學(xué)，2018.

[4] ZENG H，QIU J，SHEN X，et al. Fuzzy control of LED tunnel lighting and energy conservation [J].Tsinghua Science&Technology，2011，16（6）：576-582.

[5] LAH M T，ZUPAN B，PETERNEILJ J，et al. Daylight illuminance control with fuzzy logic [J].SolarEnergy，2020，80（3）：307-321.

作者簡(jiǎn)介：劉希軍（1985—），男，漢族，山東煙臺(tái)人，副教授，博士，研究方向：智能樓宇系統(tǒng)。