任靜 趙婉婉

摘? 要：我國人均能源占有量較低，而建筑能耗占社會能源消耗比重最高，使我國長期面臨能源供應和環(huán)境保護的巨大壓力，對完成節(jié)能減排目標造成了重大沖擊。本系統(tǒng)利用Niagara技術，搭建了基于Niagara的建筑智能化系統(tǒng)集成及能源管理平臺。該平臺以JACE 8000網(wǎng)絡控制器作為核心控制器，將建筑物中原有的采用多種協(xié)議的系統(tǒng)混合組網(wǎng)，實現(xiàn)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)的交換共享及多系統(tǒng)的聯(lián)動控制。同時，建立能耗計量數(shù)據(jù)與用能設備工作狀態(tài)的有效聯(lián)系，為提前發(fā)現(xiàn)用能設備異常提供數(shù)據(jù)參考，也為能耗分析、節(jié)能方案制定提供參考，進一步提高節(jié)能方案的有效性。

關鍵詞：Niagara? ?JACE? 系統(tǒng)集成? 能耗監(jiān)測

中圖分類號：TU855? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）02（c）-0085-05

Design of Intelligent Building System Integration and Energy Management Platform Based on Niagara

REN Jing*? ZHAO Wanwan

（Zhengzhou University of Light Industry， Zhengzhou， Henan Province，450000 China）

Abstract： The per capita energy consumption of China is low，but the proportion of building energy consumption in social energy consumption is the highest，so China has long faced enormous pressure on energy supply and environmental protection，it has a major impact on the achievement of energy conservation and emission reduction targets. This system uses Niagara technology to build an intelligent building system integration and energy management platform based on Niagara. This platform takes JACE 8000 network controller as the core controller， combines the systems with various protocols originally in the building， to realize the exchange and sharing of data of various systems and the linkage control of multiple systems. At the same time， the effective connection between energy consumption measurement data and the working state of energy-using equipment is established to provide reference data for the detection of anomalies of energy-using equipment in advance， as well as provide reference for the analysis of energy consumption and the formulation of energy saving plans， so as to further improve the effectiveness of energy saving plans.

Key Words： Niagara; JACE; System integration; Energy consumption monitoring

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和人們生活水平的提高，對能源的需求量越來越大。我國能源資源總量居世界第三位，但因人口眾多，人均能源占有量僅為世界平均水平的40%。在我國社會能源消耗中，建筑能耗占比為30%左右，已成為耗能最多的行業(yè)，且隨著城市化進程的加快和人們生活質量的改善，該占比呈逐年上升的趨勢，對我國完成節(jié)能減排目標造成了重大的沖擊。住建部在2017年印發(fā)的《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中提出，要加快提升建筑節(jié)能標準，提高新建建筑中綠色建筑推廣比例，推進既有建筑節(jié)能改造，使建筑總體能耗持續(xù)下降[1]。

推動建筑節(jié)能的有效方式之一，就是建立能源管理平臺，通過采集大量的能耗數(shù)據(jù)，對不同種類的能耗、不同時間段的能耗及相同類型的不同建筑的能耗進行橫向或縱向的對比分析，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的量化管理[2]，分析出能耗過高的原因，有針對性地進行能耗管理與改進。該項目基于Niagara Framework技術，將建筑物設備監(jiān)控系統(tǒng)、能耗計量系統(tǒng)、能耗分析系統(tǒng)及集成管理系統(tǒng)混合組網(wǎng)，實現(xiàn)多協(xié)議、多系統(tǒng)的互連互通，實現(xiàn)建筑的能耗的監(jiān)測與分析，制定節(jié)能優(yōu)化方案，將建筑物能耗降低30%左右。

1? 技術概述

Niagara Framework是由Tridium公司研發(fā)的一種開放的分布式架構框架，該平臺能夠連接任何協(xié)議、設備及網(wǎng)絡，有效解決異構系統(tǒng)集成的復雜性、應用擴展及運維的高成本等問題，滿足系統(tǒng)需求的多變性，實現(xiàn)各系統(tǒng)之間的互聯(lián)、互通及互操作性，使建筑設施達到真正的智能化。

JACE（Java Application Control Engine）是一個采用Niagara框架、基于JAVA的嵌入式網(wǎng)絡控制器及服務器，該控制器帶有板載串口及IP網(wǎng)口，可以實現(xiàn)Modbus及IP設備的接入，通過擴展插槽，可實現(xiàn)對LonWorks、GPRS、Zigbee、Bacnet等各種通信協(xié)議的支持，便于多種異構系統(tǒng)的集成[3]。

2? 系統(tǒng)設計

2.1 能耗監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)采用多回路智能計量表及JACE 8000網(wǎng)絡控制器構建能耗監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，對各回路能耗進行計量及顯示，系統(tǒng)結構如圖1所示。計量數(shù)據(jù)具體到各系統(tǒng)的各個區(qū)域及位置，智能計量表采集到的數(shù)據(jù)通過JACE 8000傳輸至管理層，作為能耗分析的基礎數(shù)據(jù)。其主要結構由以下部分組成：

（1）感知層：該層主要是安裝在終端用能區(qū)域的計量設備，包括智能電表、智能水表、智能冷熱量表等，對用電設備進行能量計量，計量數(shù)據(jù)通過Modbus總線傳輸至控制層[4]。

智能電表采用ACR網(wǎng)絡電力儀表，該儀表能夠測量三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、電度、協(xié)波等常用電力參數(shù)，所有儀表參數(shù)可通過顯示面板設定，同時還具備完善的網(wǎng)絡通訊能力。儀表具有1路RS-485通訊接口，通過Modbus協(xié)議與JACE 8000進行通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及多種應用需求。智能水表及智能冷熱量表也均采用具有RS-485通訊接口的設備，通過Modbus協(xié)議與JACE8000進行通訊。

（2）控制層：控制層主要設備為一臺擴展了3個Modbus總線端口的JACE 8000網(wǎng)絡控制器。其中COM1、COM2、COM3分別用于連接現(xiàn)場的智能電表回路、智能水表回路及智能冷熱量表回路，智能計量表作為Modbus Async Device添加至相應串口的目錄下，并對每臺設備的數(shù)據(jù)、單位等參數(shù)及Modbus寄存器地址等信息進行設置，實現(xiàn)設備與JACE 8000網(wǎng)絡控制器的通信。這些設備采集的數(shù)據(jù)通過Modbus總線傳輸至JACE 8000控制器，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，再通過JACE上的PRI端口，以TCP/IP協(xié)議傳輸至上位機的能源監(jiān)測系統(tǒng)管理平臺，用于進一步的能耗呈現(xiàn)、分析等功能。

2.2 系統(tǒng)集成

在一幢智能建筑中，往往存在著智能照明、暖通空調、視頻監(jiān)控、建筑環(huán)境監(jiān)測等多種系統(tǒng)，各種系統(tǒng)設計、安裝的時間不同，采用的技術也不相同，因此，在傳統(tǒng)的智能建筑中，各個系統(tǒng)之間彼此獨立，單獨工作，相互之間沒有聯(lián)系，也沒有數(shù)據(jù)的交互及統(tǒng)一的管理。在實際運行過程中，設備的工作狀態(tài)不同，其能源消耗也有所不同，而隨著設備損耗的增加，其單位工作時間內的能耗也會隨之增加，因此，設備的狀態(tài)與能耗是息息相關的。如果只是單純地對各系統(tǒng)進行能耗計量，能耗監(jiān)測就不可避免地會淪為一個抄表系統(tǒng)或收取水電費的工具。因此，該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)系統(tǒng)集成與數(shù)據(jù)交互，使設備能耗與設備狀態(tài)建立聯(lián)系，提高能耗分析方案的有效性。系統(tǒng)架構如圖2所示。

該項目采用基于Niagara的JACE 8000網(wǎng)絡控制器來實現(xiàn)建筑內各系統(tǒng)的集成，實現(xiàn)對現(xiàn)場各種信號的采集，并結合節(jié)能方案，對現(xiàn)場的設備進行智能化控制，實現(xiàn)系統(tǒng)的“分散控制，集中管理”。系統(tǒng)由監(jiān)控層及管理層組成，在監(jiān)控層，利用JACE 8000網(wǎng)絡控制器連接各系統(tǒng)的現(xiàn)場控制器，實現(xiàn)現(xiàn)場設備與上位機的數(shù)據(jù)通信，在管理層，利用JACE內置的組態(tài)軟件，創(chuàng)建上位機集成管理軟件，實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控及交互[5]。系統(tǒng)集成網(wǎng)絡架構如圖3所示。

（1）JACE 8000與智能照明系統(tǒng)的集成。

該建筑物原有的智能照明系統(tǒng)采用基于LonWorks總線的DDC開發(fā)的。該系統(tǒng)通過LonWorks總線，將DDC連接到JACE上支持LonWorks協(xié)議的模塊接口上，實現(xiàn)智能照明系統(tǒng)系統(tǒng)集成平臺的硬件連接。然后，在JACE的Station中添加Lon Network的驅動，自動搜索在線設備，將DDC添加至數(shù)據(jù)庫中，再通過自動搜索該設備的網(wǎng)絡變量，將需要監(jiān)控的網(wǎng)絡變量添加至數(shù)據(jù)庫，將DDC中的網(wǎng)絡變量轉化成JACE中的Niagara點，并進行地址綁定，從而實現(xiàn)對DDC設備數(shù)據(jù)點的監(jiān)測與控制。

智能照明系統(tǒng)中所需監(jiān)測的點有各種燈具的開關狀態(tài)、可調光燈具的光照度、各種燈具的故障狀態(tài)、各種探測器的信號狀態(tài)等。需要控制的點有各種燈具的開關、可調光燈具的照度值等。

（2）JACE 8000與暖通空調系統(tǒng)的集成。

該建筑物原有的暖通空調系統(tǒng)同樣是采用基于LonWorks總線的DDC開發(fā)的，因此該系統(tǒng)的集成方法與智能照明系統(tǒng)類似。需要監(jiān)測的點有空調系統(tǒng)與送排風系統(tǒng)的送、回風量;送、回風溫濕度;送、回風機啟停狀態(tài)及手/自動狀態(tài);冷熱水盤管進出水溫度;冷水閥、熱水閥、送風閥、回風閥、新風閥、排風閥等設備的開度;各設備故障狀態(tài)等。需要控制的點有送、回風量;新風量;送風溫濕度、送、回風機啟停及各種設置參數(shù)等。

（3）JACE 8000與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的集成。

Tridium公司開發(fā)了一個開放的視頻框架Niagara Video，用于統(tǒng)一的、智能能、多設備的視頻管理。Niagara Video能夠集成數(shù)字硬盤錄像機、IP攝像機、網(wǎng)絡硬盤錄像機等設備，使這些設備通過標準的協(xié)議進行通信。用戶可以從控制臺查看、錄制視頻，也可利用照片ID查看器將存檔的照片與實時視頻進行比較，提供可視化驗證[6]。

該建筑物原有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用了IP攝像機及網(wǎng)絡硬盤錄像機。將網(wǎng)絡硬盤錄像機與JACE 8000控制器連接，通過在Station的Driver下建立視頻驅動，輸入IP攝像機的IP地址將其添加進來，再利用Live Video控件顯示在窗口中，實現(xiàn)視頻信號的傳輸。

（4）JACE 8000與建筑環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的集成。

該建筑物原有的建筑環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是采用CAN總線技術開發(fā)的，在對該系統(tǒng)集成時，需要使用CAN轉Modbus網(wǎng)關進行協(xié)議轉換，實現(xiàn)CAN與Modbus TCP數(shù)據(jù)綁定及IP配置，網(wǎng)關配置完成后，通過在Station中添加Modbus TCP Network驅動，在應用端進行收發(fā)數(shù)據(jù)配置及網(wǎng)關設置，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。需要監(jiān)測的點有環(huán)境溫濕度、CO2濃度、PM2.5濃度、小微粒濃度、空氣質量、天然氣濃度等。

（5）Jace 8000網(wǎng)絡控制器的集成。

在整個系統(tǒng)中，使用了多臺JACE 8000網(wǎng)絡控制器來集成建筑物中的各個子系統(tǒng)，為了將各個JACE 8000所采集的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的監(jiān)控和管理，需要將一個本地工作站和多臺JACE 8000設備工作站建立通訊，實現(xiàn)對多臺JACE 8000所應用的設備工作站的控制管理。

為了實現(xiàn)一臺本地工作站和多臺設備工作站的通訊，需要分別對各個JACE工作站的Niagara Network進行設置。通過雙擊Niagara Network中的Discovery按鍵查找JACE工作站，如果未查找到，需要新建相應的工作站，并對工作站的名字和IP地址進行設置，設置完成后執(zhí)行Ping命令，便可實現(xiàn)JACE 8000之間通訊。

3? 平臺界面設計及系統(tǒng)功能

3.1 平臺界面設計

在JACE上位機軟件平臺中，可以創(chuàng)建PX頁面，通過背景頁面設置、文本框編輯、按鈕編輯、I/O數(shù)據(jù)綁定等操作，進行系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)組態(tài)，對平臺界面進行設計，將各個子系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)與設備運行狀況直觀地顯示出來，還可通過Web Service命令，將平臺發(fā)布到網(wǎng)絡中去，使局域網(wǎng)中的設備可以通過工作站的IP地址，對平臺進行遠程訪問。

平臺界面主要包括首頁、智能照明系統(tǒng)頁面、暖通空調系統(tǒng)頁面、視頻監(jiān)控系統(tǒng)頁面、建筑環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)頁面和能耗監(jiān)控系統(tǒng)頁面。各頁面不僅實現(xiàn)了本系統(tǒng)數(shù)據(jù)的監(jiān)測與控制，不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)還可以通過模塊化編程，進行數(shù)據(jù)的邏輯處理和分析，實現(xiàn)各系統(tǒng)之間的聯(lián)動控制。

3.2 系統(tǒng)功能

（1）建筑設備監(jiān)控及能耗監(jiān)測。

通過對建筑物中各子系統(tǒng)集成，以及建立建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對建筑各系統(tǒng)設備運行狀態(tài)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)的監(jiān)控與呈現(xiàn)，并將這些數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，后續(xù)可通過歷史數(shù)據(jù)查詢功能調取相關數(shù)據(jù)，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析工作。

（2）建筑能耗數(shù)據(jù)分析。

實現(xiàn)對建筑照明、空調等系統(tǒng)設備能耗監(jiān)測、分項計量的同時，將能耗數(shù)據(jù)與用能對象及區(qū)域相互匹配。通過能耗曲線，及早發(fā)現(xiàn)用能異常的設備，對其進行及時干預，防止造成更大的損失。在進行用能分析時，結合用能對象的實際工作狀態(tài)，提升能耗分析的有效性。

（3）各子系統(tǒng)的聯(lián)動控制。

通過對各子系統(tǒng)的集成，實現(xiàn)管理協(xié)同化、數(shù)據(jù)共享化，能夠在一個平臺中對不同系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行調用，可以根據(jù)用戶的需求進行單系統(tǒng)及跨系統(tǒng)之間的聯(lián)動控制設定，進一步提高建筑物的智能化水平。

（4）報警處理預案。

通過對設備運行狀態(tài)及能耗數(shù)據(jù)的規(guī)律性研究，對異常數(shù)據(jù)進行分析處理，找出用能異常點，制定報警預案處理機制，監(jiān)控到異常情況時，確保能耗管理系統(tǒng)根據(jù)預案自動控制，實現(xiàn)智能管理。

4? 結語

該系統(tǒng)在建立建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對照明、空調、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)設備能耗監(jiān)測、分項計量的同時，利用Niagara Framework平臺，將建筑物中采用不同協(xié)議的智能照明系統(tǒng)、暖通空調系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)及建筑環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)進行集成，實現(xiàn)管理協(xié)同化、數(shù)據(jù)共享化。在進行能耗分析時，將能耗數(shù)據(jù)與用能對象的工作狀態(tài)、區(qū)域相匹配，制定節(jié)能優(yōu)化方案，提升能耗分析的有效性，將建筑物能耗降低30%左右。

參考文獻

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