鄒 龍

(福建和盛高科技產(chǎn)業(yè)有限公司,福建 福州 350101)

1 概述

近年來，國家大力提倡合理使用和節(jié)約能源，對電量的合理和節(jié)約使用日趨重視。樓宇空調、照明系統(tǒng)是全世界樓宇建筑能源消耗最大的組成部分之一[1]，合理高效的使用將有效減少電力資源浪費，提升用電效率。現(xiàn)階段樓宇節(jié)能主要通過人工巡視、手動控制來降低能耗，不僅費時、費力，控制效果也不理想，一旦巡視人員忘記關閉，將造成電力資源的浪費。另外，辦公樓宇長期處于半封閉環(huán)境，內部空氣流通較性較差；且樓宇辦公人員較多，容易抬升CO2濃度，造成CO2、PM2.5濃度超標的現(xiàn)象，對樓宇內的辦公人員身體健康造成不可忽視的影響。

樓宇內照明系統(tǒng)運行的高效化、節(jié)能化、環(huán)?；?，能夠給樓宇內辦公人員提供更加安全、舒適、方便、清晰和智能的辦公環(huán)境。這需要一套樓宇自動化控制系統(tǒng)，以提高樓宇整體的數(shù)字化、信息化、智能化管理水平，從而精準管控成本，保障樓宇工作人員的身心健康。

1.1 研究背景

樓宇自動化是信息時代的必然產(chǎn)物，樓宇自動化程度隨科技發(fā)展而逐步提高。以計算機技術、現(xiàn)代控制技術、現(xiàn)代通信技術和圖形顯示技術為代表的4C技術應用于建筑物，在建筑物內構建一個融檢測、控制、服務于一體的綜合網(wǎng)絡，即構成樓宇自動化系統(tǒng)。

當前，國內大部分樓宇安裝了照明、空調、新風系統(tǒng)，對應的控制面板主要為觸摸式和按鍵式。這類控制面板大多為現(xiàn)場控制，不具備遠程查看和控制功能，缺乏有效在線維護手段；KNX總線技術的出現(xiàn)，為樓宇自動化管控奠定了堅實的基礎，它是全球唯一的住宅和樓宇控制領域開放式的國際標準[2]。KNX是Konnex協(xié)會針對樓宇、家居現(xiàn)場控制應用領域制定的總線標準，由歐洲三大總線協(xié)議EIB、BatiBus和EHS合并發(fā)展而來。該協(xié)議以EIB為基礎，兼顧了BatiBus和EHS的物理層規(guī)范，并吸收了BatiBus和EHS中配置模式等優(yōu)點。KNX國際協(xié)會得到了ABB、海格、施耐德及西門子等國際知名廠商的大力支持，推動了KNX總線樓宇自動化管控系統(tǒng)的建設與發(fā)展[3]。

1.2 研究內容

KNX總線系統(tǒng)將計算機控制技術領域最新的總線技術應用于傳統(tǒng)的電氣安裝領域，系統(tǒng)中所有總線元件都有自己的智能體，不需要中央控制單元。因此，KNX系統(tǒng)的組成極為方便，既可以用于小型項目(樓層)，也可用于大型項目(機場、酒店、行政辦公樓、工業(yè)建筑等)。

作為一種新型總線標準，KNX繼承了傳統(tǒng)的總線功能，即現(xiàn)場通信網(wǎng)絡、現(xiàn)場設備互聯(lián)、分散功能塊、開放式網(wǎng)絡互聯(lián)以及互操作性等[4]。同時，所有KNX產(chǎn)品必須采用Konnex協(xié)會嚴格的產(chǎn)品和質量控制措施，確保產(chǎn)品的互操作性和可替換性。KNX技術是一種針對對象服務的技術，即KNX網(wǎng)絡更側重于工程管理與對象通信服務的應用[5]。在基于KNX構建的網(wǎng)絡中，所有服務形成一個全分布系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)點的標準化和功能的模塊化，建立一個功能強大的工作模型。

本文在跟蹤、消化和吸收國際主流標準的基礎上，提出一種采用KNX網(wǎng)絡控制技術構建樓宇自動化系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，并進行相關產(chǎn)品開發(fā)。通過設計一套基于KNX總線的樓宇智能化管控系統(tǒng)，對樓宇空氣質量、溫濕度、照明進行實時監(jiān)測及自動化控制。該系統(tǒng)將實現(xiàn)空氣質量與新風系統(tǒng)自動控制、溫濕度與空調系統(tǒng)自動控制、照明與感應自動控制，可遠程實時查看辦公環(huán)境情況，有效地進行統(tǒng)一管控。

2 系統(tǒng)設計方案

樓宇空氣質量、溫濕度、照明系統(tǒng)與辦公人員的健康息息相關，單調的人員巡視、就地管控模式已無法滿足高效、節(jié)能、自動化的辦公環(huán)境需求。通過KNX總線連接空氣質量探測器、落地LCD滾動顯示屏、吸頂式移動探測器、交換機、控制網(wǎng)絡等設備，提出了基于KNX總線的樓宇自動化管控系統(tǒng)解決方案。

該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)樓宇照明控制、地下室CO、CO2監(jiān)測，地上樓層CO2、PM2.5、PM10、溫濕度監(jiān)測、室內外空氣質量比對、傳感器與設備聯(lián)動等功能。通過系統(tǒng)對各樓層前端照明、空氣質量采集設備進行智能聯(lián)動控制，全面感知大樓辦公環(huán)境，提高樓宇自動化管理水平，創(chuàng)造宜人、節(jié)能、安全、智能的辦公環(huán)境。KNX提供從物理層到應用層的各種產(chǎn)品開發(fā)模式，不同層次產(chǎn)品研發(fā)的復雜度和成本存在較大差異。因此，KNX產(chǎn)品開發(fā)采用自頂向下的模式進行，如圖1所示。

圖1 KNX產(chǎn)品系列開發(fā)模型

2.1 系統(tǒng)的組成與架構

本文設計的KNX總線樓宇自動化管控系統(tǒng)為總線制控制，主干線可通過線路耦合器連接15條分干線，再連接15條支干線。每條支干線可安裝64個電子元器件，整個系統(tǒng)可以鏈接14400個電子元器件。所有主干線、分干線、支干線的傳輸速率為9600bit/s，以手拉手串連形式連接，滿足大部分樓宇自動化系統(tǒng)的建設。

整個總線控制系統(tǒng)主要由傳感器、集中控制器、系統(tǒng)平臺、顯示設備組成。其中，傳感器包括空氣質量檢測傳感器、照明感應傳感器；集中控制器由網(wǎng)關、集中供電模塊組成。系統(tǒng)平臺則涉及PC客戶端和App應用，相應的顯示設備為LCD大屏、電腦、手持移動終端等。系統(tǒng)架構如圖2所示。

圖2 基于KNX總線的自動化管控系統(tǒng)架構

2.2 空調系統(tǒng)控制方式及解決方案

基于KNX總線的樓宇自動化管控系統(tǒng)能夠將樓宇自動化控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡集成，實現(xiàn)智能監(jiān)控。系統(tǒng)所設計的顯示面板可顯示實時溫度，并可實現(xiàn)遠程多用戶登陸查看空調設置溫度的信息?？蛻艨梢愿鶕?jù)實際環(huán)境進行空調的溫度設定、不同運轉模式、開關等智能遠程控制，從而實現(xiàn)集中化管理。系統(tǒng)控制流程簡單，具備易操作性，能夠最大程度保障電力可利用性及人員舒適度。

2.2.1 空調系統(tǒng)控制策略

通過網(wǎng)關接口及串行接口實現(xiàn)空調系統(tǒng)調節(jié)的自動化，不僅可以提高調節(jié)質量，降低冷、熱量的消耗，節(jié)約能量，同時可以減輕勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率和技術管理水平?？照{控制系統(tǒng)采用遠程統(tǒng)一控制、App控制、感應聯(lián)動控制方式。

①在正常上班時間(07∶00—19∶00)，采用遠程統(tǒng)一控制開啟空調；

②在下班時間段(19∶00—07∶00)，采用遠程統(tǒng)一關閉空調。若人員加班可就地開啟或通過App遠程開啟；

③通過溫度探測器聯(lián)動空調控制器，實時監(jiān)測室內溫度，當溫度超過系統(tǒng)設置的閾值時，自動調整溫度，保持夏季22～28℃，冬季16～24℃。

2.2.2 空調系統(tǒng)解決方案

空調控制系統(tǒng)主要通過智能空調控制面板實現(xiàn)。根據(jù)實際需求，空調控制面板可分別通過本地和聯(lián)網(wǎng)管理實現(xiàn)空調控制。每個樓層的智能空調控制面板通過KNX總線接入智能控制網(wǎng)關，設備通過網(wǎng)關后可將數(shù)據(jù)接入總控制系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 空調控制系統(tǒng)結構圖

通過網(wǎng)關采集到的智能空調控制面板點位信息，可以上傳到云端。用戶在云端可以監(jiān)控末端設備，查看實時報警信息，并且可以設置用戶管理權限。云端控制系統(tǒng)還可以實時監(jiān)控大樓內每臺空調設備的運行狀態(tài)、溫度設定、工作模式等。具體的控制功能如下。

①實時監(jiān)測每臺空調的運行狀態(tài)，通過設定條件，定時對空調進行開關機控制。

②監(jiān)測每臺空調溫度設定數(shù)值，當超出設定值可進行遠程自動調整。

③支持數(shù)據(jù)同步，保證網(wǎng)關/空調控制面板和云端監(jiān)控數(shù)據(jù)保持一致。

④后臺支持黑名單管理，可根據(jù)需求設置不同工作人員權限。

⑤后臺支持設備查詢和歷史消息查詢。

另外，在總控制系統(tǒng)允許連接外網(wǎng)的條件下，每個用戶可通過綁定各自管理的空調設備，實現(xiàn)遠程查看空調工作狀態(tài)，并進行開關機控制。

2.3 照明、空氣質量系統(tǒng)控制方式及解決方案

本文設計的基于KNX總線的樓宇自動化管控系統(tǒng)，在每層均設置相應的智能控制設備，對每層前端照明、空調及新風設備進行智能聯(lián)動控制。

2.3.1 照明系統(tǒng)控制策略

照明控制采用遠程統(tǒng)一控制、時控器和微波探測組合方式。

①在正常上班時間(07∶00—19∶00)，采用遠程統(tǒng)一控制開啟正常照明；

②在下班時間段(19∶00—07∶00)，采用微波探測方式，當監(jiān)測到移動物體后觸發(fā)開啟一定時間(5分鐘)的照明燈光。

這種以用戶實際應用為導向的時間控制式的控制策略，在保持室內舒適照明的同時，降低照明能耗，最終達到有效節(jié)能效果，營造綠色大樓環(huán)境。

2.3.2 新風系統(tǒng)控制策略

新風控制采用遠程統(tǒng)一控制、App控制、感應聯(lián)動控制方式。

①在正常上班時間(07∶00—19∶00)，采用遠程統(tǒng)一控制開啟新風；

②在下班時間段(19∶00—07∶00)，采用遠程統(tǒng)一關閉新風。若人員加班可就地開啟或App遠程開啟；

③通過空氣質量探測器聯(lián)動新風控制器，實時監(jiān)測室內空氣質量，當空氣質量超過系統(tǒng)設置的閾值時，自動調整新風大小，保持室內外空氣良好循環(huán)。

2.3.3 照明、空氣質量系統(tǒng)解決方案

①通過智能照明控制、空氣檢測系統(tǒng)可加強整棟大樓的信息化管理能力，根據(jù)策略及配套的智能探測器，調節(jié)控制大樓內燈光的啟閉調節(jié)；

②智能照明控制系統(tǒng)通過聯(lián)動吸頂式移動或紅外探測器，實現(xiàn)夜間人員進出大樓的燈光智能聯(lián)動功能，通過感應控制實現(xiàn)“人來燈亮，人走燈滅”的節(jié)能模式。

③空氣檢測系統(tǒng)可對整棟大樓內空氣質量、氣體濃度，以及地下樓層CO、CO2氣體濃度進行實時、精準檢測?；诒O(jiān)測數(shù)據(jù)，聯(lián)動新風系統(tǒng)，避免出現(xiàn)因缺乏有效的檢測手段而對人員造成傷害。

通過上述系統(tǒng)解決方案，有效改善樓宇照明、空氣質量系統(tǒng)的自動化管理，降低后勤及物業(yè)管理難度，達到有效節(jié)能的目標。系統(tǒng)采集分析辦公大樓的整體空氣質量，把所有樓層空氣質量參數(shù)傳送到LCD屏上滾動顯示，全面感知大樓辦公環(huán)境，進一步保障辦公人員的身體健康。

樓宇內辦公人員可以通過該系統(tǒng)，隨時查看當前各自區(qū)域的環(huán)境情況，為管理層及決策層提供有效的數(shù)據(jù)支撐，為后續(xù)的空氣質量改善措施提供有力的支持，也為多系統(tǒng)智慧聯(lián)動、共建清新環(huán)境打下堅實基礎。

3 系統(tǒng)應用

本節(jié)通過將已設計好的KNX總線樓宇自動化管控系統(tǒng)應用于實際的辦公樓宇，利用系統(tǒng)設定的閾值聯(lián)動控制照明、空調、新風系統(tǒng)，從而驗證所涉及系統(tǒng)的可行性和有效性。

3.1 系統(tǒng)閾值設置

首先，通過調研，對所應用的樓宇監(jiān)測項目進行閾值設定。樓宇自動化管控系統(tǒng)標準數(shù)值參考《環(huán)境空氣質量標準》(GB3095-2012)來設定系統(tǒng)閾值，實現(xiàn)科學、合理的控制系統(tǒng)聯(lián)動[6]，如表1所示。

表1 樓宇自動化管控系統(tǒng)監(jiān)測項目及評估等級

3.2 系統(tǒng)界面

3.2.1 管理后臺界面

后臺界面可根據(jù)不同的樓宇客戶需求，設置不同的監(jiān)測數(shù)據(jù)。主要的監(jiān)測數(shù)據(jù)包括各樓層監(jiān)測數(shù)據(jù)、設備狀態(tài)、滾動顯示時間、歷史數(shù)據(jù)、采集頻率、觸發(fā)聯(lián)動閾值等，如圖4所示。

(a)采集器管理 (b)傳感器數(shù)據(jù)顯示

3.2.2 前端顯示界面

基于用戶習慣，對Web端、App端、PC端開展個性化設計，實現(xiàn)不同客戶端的不同展示界面效果。展示的主要數(shù)據(jù)包括監(jiān)測數(shù)據(jù)超標警告、數(shù)據(jù)曲線圖、統(tǒng)計分析圖等，如圖5所示。

圖5 樓宇信息綜合顯示界面

4 結論

樓宇自動化能大大提升人們的生活品質，具有廣闊的發(fā)展空間。作為目前用于家庭及住宅樓宇自動化領域唯一的國際標準，KNX技術在樓宇設備信息互享、能源管理、改善人居環(huán)境控制能力以及提高物業(yè)管理水平等方面具有廣闊的應用前景。

本文基于國內外典型的樓宇自動化現(xiàn)場總線標準以及KNX技術規(guī)范的基礎上，通過敷設KNX總線，加裝空氣質量傳感器、溫度傳感器、照明控制器等設備，設計了一套基于KNX總線的樓宇自動化管控系統(tǒng)，包括產(chǎn)品開發(fā)方案、軟硬件設計方案?；诖?，將其應用到辦公樓宇中，通過自動化管控策略、聯(lián)動設備控制策略，實現(xiàn)對辦公樓宇的空調、照明、空氣等監(jiān)測和控制。應用結果表明，所設計的系統(tǒng)能夠有效、合理、便捷地調節(jié)照明、空調、新風系統(tǒng)，可以有效改善樓宇環(huán)境和節(jié)能減排，在創(chuàng)造宜人環(huán)境的同時，達到降本增效的目的。