張超敏, 王雪嬌

江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 無錫機(jī)電分院 江蘇無錫 214028

1 設(shè)計(jì)背景

樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)的主要目的是降低建筑設(shè)備系統(tǒng)的運(yùn)行能耗，減輕運(yùn)行管理的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高設(shè)備運(yùn)行管理的水平。在智能建筑中，中央空調(diào)系統(tǒng)的耗電量通常占全樓總耗電量的1/3以上，而監(jiān)控點(diǎn)位數(shù)量常常占全樓自動(dòng)化控制系統(tǒng)總點(diǎn)位數(shù)量的50%以上，因此需要通過自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)的最優(yōu)化控制[1]。

通過直接數(shù)字控制器(DDC)采集有關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)線路上傳至中央監(jiān)控系統(tǒng),再經(jīng)計(jì)算、比較，將有關(guān)控制信息返回DDC，然后輸出相應(yīng)命令，由現(xiàn)場執(zhí)行器執(zhí)行有關(guān)命令，以完成整個(gè)自動(dòng)控制過程?？照{(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠與否決定了建筑物內(nèi)部的舒適程度，因此需要對(duì)中央空調(diào)各個(gè)子系統(tǒng)的空氣參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 中央空調(diào)系統(tǒng)概述

2.1 工作原理

中央空調(diào)是供暖、制冷和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的總稱。在通風(fēng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一些空氣處理設(shè)施，通過除塵過濾系統(tǒng)來凈化空氣，再通過加熱、制冷、加濕或去濕設(shè)備控制空氣的溫度和濕度。中央空調(diào)系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)工作原理

中央空調(diào)系統(tǒng)包括空氣處理及輸配系統(tǒng)、冷熱源系統(tǒng)，空氣處理及輸配系統(tǒng)包括進(jìn)風(fēng)部分、過濾部分、熱濕處理部分、空氣輸送和分配部分[2]，冷熱源系統(tǒng)包括制冷機(jī)組、冷凍水、冷卻水、鍋爐機(jī)組和熱交換器。

2.2 風(fēng)門控制

室外新風(fēng)和室內(nèi)回風(fēng)需按照一定比例進(jìn)行混合。為了保證室內(nèi)空氣保持一定的潔凈度和舒適度，并且具有節(jié)能的效果，必須對(duì)新、回風(fēng)比例進(jìn)行適度調(diào)節(jié)。新、回風(fēng)口與送風(fēng)口都安裝有溫度傳感器，工程中常常比較回風(fēng)溫度與送風(fēng)溫度的差值，然后通過比例積分微分算法來對(duì)新、回風(fēng)比例進(jìn)行控制。新風(fēng)風(fēng)門不允許全關(guān)，一般設(shè)定開度為 10%～15%[3]。

2.3 溫濕度控制

安裝在送風(fēng)口的溫度傳感器將采集到的溫度數(shù)據(jù)上傳至DDC，與設(shè)定溫度作比較，利用比例積分微分算法通過模擬量輸出端口對(duì)冷水管上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)換熱量，直到送風(fēng)溫度與設(shè)定溫度一致。濕度控制類似于溫度控制，DDC將送風(fēng)濕度傳感器采集到的數(shù)據(jù)與設(shè)定濕度作比較，經(jīng)過比例積分微分算法對(duì)干蒸汽加濕器閥門開度進(jìn)行控制。

3 中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)硬件

根據(jù)上述工作原理，筆者設(shè)計(jì)了基于LonWorks現(xiàn)場總線和DDC的智能樓宇中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)，將中央空調(diào)系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)通過LonWorks通信協(xié)議集成在一個(gè)平臺(tái)上，使用西門子DDC，通過Insight軟件的編程實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制[4]。

3.1 硬件組成

中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)采用集散式控制系統(tǒng)架構(gòu)，如圖2所示。采用西門子DDC，具有多個(gè)數(shù)字量輸出、數(shù)字量輸入、模擬量輸入、模擬量輸出等通道。將前端溫濕度傳感器測(cè)量到的溫濕度和流量信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較偏差按照設(shè)定好的控制方式去控制與執(zhí)行調(diào)節(jié)裝置直接相連的一體化裝置[5]。DDC本身還帶有強(qiáng)大的通信功能，能夠接收管理工作站發(fā)出的各種控制信號(hào)，并按照給定命令完成對(duì)所監(jiān)控設(shè)備的直接控制， 同時(shí)還能夠把設(shè)備的運(yùn)行狀況及各個(gè)參數(shù)及時(shí)反饋給管理工作站[6]。

圖2 中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 監(jiān)控點(diǎn)位分配

以空氣調(diào)節(jié)及輸配系統(tǒng)為例來進(jìn)行監(jiān)控點(diǎn)位分配，詳見表1?？諝鉁囟日{(diào)節(jié)采用電動(dòng)冷水閥或熱水閥調(diào)節(jié)盤管內(nèi)冷凍水或熱水的流量，通過改變制冷或加熱量來改變送風(fēng)溫度[7]。同樣，通過加濕調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)送風(fēng)濕度，通過新、回風(fēng)門調(diào)節(jié)風(fēng)量?？諝獾臏貪穸燃帮L(fēng)量調(diào)節(jié)屬于跟隨設(shè)定值的連續(xù)調(diào)節(jié)，向DDC傳送的是模擬量輸入控制信號(hào)。中央空調(diào)系統(tǒng)中電機(jī)類設(shè)備的常規(guī)監(jiān)控包括啟停控制、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、過載狀態(tài)監(jiān)測(cè)、手自動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

4 中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)軟件

4.1 Insight編程

以新風(fēng)設(shè)備子系統(tǒng)為例，在DDC與中央監(jiān)控主機(jī)實(shí)現(xiàn)通信以后，在主機(jī)Insight軟件中編制相應(yīng)運(yùn)行程序，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)新風(fēng)對(duì)象模擬模塊的監(jiān)控。

(1) 根據(jù)夏季、冬季不同的狀態(tài)，決定往冷盤管或熱盤管輸送冷水或熱水，并控制輸送量。

0010 IF(AI1.GT.5)THEN ACT(0030)ELSE DEACT(0030)∥選擇制冷

0020 IF(AI1.LE.5)THEN ACT(0040)ELSE DEACT(0040)∥選擇制熱

(2) 根據(jù)送風(fēng)溫度與設(shè)定溫度，對(duì)調(diào)節(jié)閥開度進(jìn)行比例積分微分調(diào)節(jié)，使送風(fēng)溫度始終控制在設(shè)定的范圍內(nèi)。夏季，送風(fēng)溫度比設(shè)定溫度高時(shí)，風(fēng)機(jī)盤管上冷水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開大；送風(fēng)溫度比設(shè)定溫度低時(shí)，風(fēng)機(jī)盤管上冷水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開小[8]。冬季，送風(fēng)溫度比設(shè)定溫度高時(shí)，風(fēng)機(jī)盤管上熱水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開??；送風(fēng)溫度比設(shè)定溫度低時(shí)，風(fēng)機(jī)盤管上熱水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開大。

0030 LOOP(0,AI1,AO1,AI3,1000,20,0,1,5,2,8,0)∥比例積分微分正向調(diào)節(jié)

0040 LOOP(-1,AI1,AO1,AI3,1000,20,0,1,5,2,8,0)∥比例積分微分反向調(diào)節(jié)

(3) 根據(jù)送風(fēng)濕度與設(shè)定濕度，對(duì)加濕調(diào)節(jié)閥開度進(jìn)行比例積分微分調(diào)節(jié)，從而控制送風(fēng)濕度，使送風(fēng)濕度始終控制在設(shè)定范圍內(nèi)。

表1 空氣調(diào)節(jié)及輸配系統(tǒng)監(jiān)控點(diǎn)位表

0050 LOOP(0， AI2， AO3， AI4， 1000， 20， 0， 1， 5， 2， 8， 0)

(4) 新風(fēng)閥與送風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)控制，送風(fēng)機(jī)停止工作時(shí)自動(dòng)關(guān)閉新風(fēng)閥，送風(fēng)機(jī)啟動(dòng)前延時(shí)打開新風(fēng)閥[9]。

0060 WAIT(3,DO1,DO2,1,1)∥延時(shí)3s開啟新風(fēng)閥

0070 THEN(DO1.EQ.OFF)THEN OFF(DO2)∥自動(dòng)關(guān)閉新風(fēng)閥

0080 IF(DI1.EQ.ON.AND.DI2.EQ.ON)THEN ON(X1)ELSE OFF(X1)

0090 IF(DI3.EQ.ON.AND.DI6.EQ.ON)THEN ON(X2)ELSE OFF(X2)

0100 IF(X1.EQ.ON.OR.X2.EQ.ON)THEN OFF(X3)ELSE ON(X3)

0110 IF(DI5.EQ.ON)THEN ACT(0130)ELSE DEACT(0130)∥選擇手動(dòng)

0120 IF(DI5.EQ.OFF)THEN ACT(0140)ELSE DEACT(0140)∥選擇自動(dòng)

0130 IF(X3.EQ.OFF)THEN ON(DO2)ELSE OFF(DO2)

0140 IF(X3.EQ.OFF. AND.DI4.EQ.ON)THEN ON(DO2)ELSE OFF(DO2)

0150 IF(DO2.EQ.OFF)THEN AO1=0

0160 IF(DO2.EQ.OFF)THEN AO2=0

0170 IF(DO2.EQ.OFF)THEN AO3=0

4.2 子系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控

以空氣處理及輸配系統(tǒng)為例，在中央監(jiān)控主機(jī)Insight的監(jiān)控界面中導(dǎo)入新風(fēng)設(shè)備子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，以便直觀地對(duì)新風(fēng)設(shè)備子系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)、閥門等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，然后在結(jié)構(gòu)圖中添加與各個(gè)設(shè)備對(duì)應(yīng)的數(shù)字及模擬點(diǎn)。正常情況下，新風(fēng)設(shè)備子系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控畫面如圖3所示。

5 結(jié)束語

智能樓宇中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)涵蓋了樓宇控制常見的多個(gè)子系統(tǒng)，所控制的子系統(tǒng)涉及暖通、給排水等相關(guān)專業(yè)。對(duì)溫濕度采用比例積分微分調(diào)節(jié)，同時(shí)解決了對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)中每個(gè)控制點(diǎn)的邏輯運(yùn)行順序控制問題[10-11]。這一監(jiān)控系統(tǒng)主要采用Lonworks現(xiàn)場總線和通信協(xié)議，通過以太網(wǎng)口通信，上位機(jī)采用Insight軟件對(duì)DDC進(jìn)行組態(tài)控制，確保了系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了樓宇自動(dòng)化控制的目的，為樓宇提供了安全、舒適、高效的辦公與生活環(huán)境。

圖3 新風(fēng)設(shè)備子系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控畫面

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