某軍區場站智能控制與能源管理系統運用淺析

文｜ 浙江中控研究院有限公司 陳淑紅 葉 瑩 陶 霞

1 工程概況

某軍區場站建筑群規模大（共35棟樓），建筑分散（占地530余畝），機電設備多且分散，能源使用不集中（部分能耗高，部分能耗低）。其機電設備管理、能源管理工程異常復雜，僅靠人工管理完全不能滿足運營高效性和準確性的要求，因此該工程采用了浙江中控OptiSYS PCS-300分布式可編程控制系統來實現場站機電設備集中管理以及能源管理，實現了整個場站運營的快速、準確、高效，極大地提高了場站的運營管理能力。

2 設計思想

由于場站機電設備分布過于分散，機電設備種類繁多（包括冷熱源系統、照明系統、給排水系統、綠化灌溉系統、柴油發電機系統、電梯系統、消防系統等），因此在設計時必須考慮使不同的監控設備對應各系統各自的工藝，并充分分析用戶的使用需求，以期設計出合理的系統架構及控制原理。

同時，應考慮到能源采集點位分布在場站各區域，并且既涉及電能采集，也涉及自來水量采集，合理劃分場站控制區域。

（1）場站機電設備分散，需采用分散控制、集中管理的模式（如圖1所示）。

①所有監測區域的CPU模塊PAC314-1（以下簡稱CPU模塊）通過工業以太網連接到上位機，以TCP/IP協議傳輸所有監測的數據并發送控制指令——此為第一層網絡。

②所有I/O模塊通過CAN現場總線連接到相應的CPU模塊，CPU模塊通過CANopen協議讀取InPut模塊所監測的數據，向OutPut模塊發送控制指令——此為第二層網絡。

（2）場站機電設備種類繁多，需針對各子系統設計合理的控制方式。

（3）使用CPU模塊自帶的一個RS485口和一個RS232口采集各電表、水表的數據。

3 系統介紹

整個場站共配置15個DDC箱。DDC箱由PCS-300系列CPU控制器和若干I/O擴展模塊構成。場站分為五個大區，每個大區分為三個小區。五個大區域通過光纖網絡連接到管理中心；每個大區中的小區通過CAN現場總線連接到所屬大區的匯集站，CAN現場總線的通信距離最長支持2500m，通信速率從10kbps～1Mbps共六種可選。

3.1 冷熱源系統

場站冷熱源系統包括兩臺具有熱回收功能的水源熱泵機組和一臺無熱回收功能的水源熱泵機組，三臺空調水循環泵，六臺地埋側循環泵（電路與空調水循環泵二對一聯動），三臺熱回收循環泵，兩臺熱水循環泵，以及膨脹水箱。如圖2所示。

智能控制系統通過RS485/Modbus-RTU接口采集水源熱泵機組各項參數，同時通過通信接口控制水源熱泵機組啟停，進行空調水循環泵、地埋側循環泵、熱回收循環泵、熱水循環泵的運行狀態、故障狀態、手自動狀態監測和啟停控制，監測分水器各供水管水溫和集水器各回水管水溫、流量，監測空調側供回水總管溫度和壓力，監測熱水供回水總管溫度，監測膨脹水箱液位。

3.1.1 控制策略

夏季制冷模式下，使用兩臺具有熱回收功能的水源熱泵機組，根據冷凍水總管供回水溫度和供水流量，計算大樓實際冷負荷，并據此進行機組和水泵運行臺數的控制；將冷凍水出水溫度控制在7℃左右；將通過熱回收制備的熱水做生活熱水使用，根據生活熱水回水溫度啟停無熱回收功能的水源熱泵機組，將熱水溫度控制在45℃～50℃范圍內。

冬季制熱模式和夏季制冷模式基本相同。

3.1.2 能耗監測

能源計量系統通過RS485/Modbus-RTU接口采集三臺水源熱泵機組各自消耗電能以及所有水泵消耗電能的數據，利用I/O模塊以及溫度傳感器、流量計采集的信號計算出冷負荷和熱負荷——根據這兩個值可以計算出制備生活熱水消耗的電能、每個空調區域消耗的電能（如圖3所示），進而進行能耗分析，為場站實行能耗管理提供有力的依據。

3.2 生活水系統

生活水系統包括兩個自然抽水井，一個生活水箱，六臺生活水泵，一個市政供水電動蝶閥。如圖4所示。

智能控制系統監測生活水泵的運行狀態、故障狀態、手自動狀態，控制其啟停；控制變頻器動作并監測其反饋；監測自然抽水井的高低液位；監測生活水箱的溢出液位、高低液位；控制電動蝶閥的開關。

3.2.1 控制策略

生活水系統控制的首要目標是保證生活水箱處于高液位狀態：當生活水箱的水位低于高液位時，同時啟用兩個自然抽水井的抽水泵；在自然抽水井的水位處于低液位時，關閉抽水井的抽水泵；當自然抽水井、生活水箱的水位均處于低液位時，開啟市政供水電動蝶閥，使用市政供水為整個場站供給生活用水；當自然抽水井水位上升后，關閉市政供水電動蝶閥，開啟自然抽水井的抽水泵給整個場站供水。

系統根據對供水總管壓力的監測來調節變頻器頻率，保證供水壓力始終處于安全的范圍內。

3.2.2 能耗監測

能源計量系統通過RS485/Modbus-RTU接口分別采集生活水泵、抽水井消耗電能的數據，通過RS485/M-Bus分別采集自然抽水井和市政供水的流量數據。根據長期統計的自然抽水井供水流量和市政供水流量，以及自然抽水井供水時間和市政供水時間，可以獲知用水高峰期的時間段。如此，用戶可以根據用水高峰時間段來分配用水單位合理的分布用水時間，進行錯峰用水分配，保證盡量使用自然抽水井的地下水資源，避免過多地使用市政用水。

3.3 照明系統

照明系統包括整個場站的路燈照明及庭院景觀照明，分為東、南、西、北四個區域，每個區域各有三路路燈照明和一路庭院景觀照明。

智能控制系統監測照明系統的運行狀態和手自動狀態，控制其啟停；監測室外照度。

3.3.1 控制策略

系統采用時間控制與照度控制相結合的控制模式對場站照明系統進行控制。在夏季，預定下午七點開啟所有回路燈具，晚上十點關閉各區域的庭院景觀照明及兩路路燈照明，僅開啟一路路燈照明以供巡邏和應急使用，早上五點半關閉照明；同時，根據照度情況，在下午開燈時間未到但照度不滿足需求，或早上關燈時間已過但照度不滿足需求時，強制開啟1～2路路燈照明，以保證場站的正常運營。冬季控制模式與夏季基本相同。

3.3.2 能耗監測

能源計量系統通過RS485/Modbus-RTU接口分別采集四個區域的照明消耗電能的數據；可以根據長期的數據統計對場站的路燈能耗做出全面的分析，為照明運行時間和控制策略的優化調整提供依據。

3.4 綠化灌溉系統

綠化灌溉系統（如圖5所示）覆蓋整個場站的綠化區域。整個綠化區域分為五個部分，每個部分的綠化灌溉均由電動二通閥進行控制。

智能控制系統監控各部分的綠化灌溉電動二通閥的開啟和關閉，同時監測電動二通閥的開啟、關閉反饋信號。

3.4.1 控制策略

系統以時間控制方式對綠化灌溉系統進行控制。當水閥開啟時，由中央水處理站輸送的綠化灌溉水在各綠化區域噴灑；當水閥關閉時，綠化灌溉停止。

管理人員也可根據土壤干涸程度對綠化灌溉系統進行手動控制。

3.4.2 能耗監測

能源計量系統通過RS485/M-Bus監測綠化灌溉消耗水量，根據統計水量分析以及綠化植被的生長趨勢進一步調整雨季與旱季的時間設置，優化控制方案。

3.5 發電機系統

發電機系統包括兩臺柴油發電機。

智能控制系統通過RS485/Modbus-RTU接口對柴油發電機的運行參數、發電參數以及各種報警信號進行采集。

3.5.1 監測策略

系統監測發電機組的三相電流、三相電壓、有功功率、運行狀態、故障報警等，將其實時顯示在中央管理平臺上。管理人員可通過平臺查看每臺發電機組的運行參數。

3.5.2 能耗監測

能源計量系統通過RS485/Modbus-RTU接口分別采集兩臺發電機組的發電數據。

3.6 排污系統

排污系統包括兩個集水坑、四臺排污泵。

智能控制系統監測集水坑的溢出液位、高液位及低液位，監測排污泵的運行狀態、故障狀態、手自動狀態，控制其啟停。

系統根據集水坑的液位對排污泵的啟停進行控制：在集水坑的水位處于高液位時啟動累積運行時間短的排污泵；在集水坑的水位處于低液位時關閉排污泵；在集水坑的水位處于溢出液位時，同時啟動兩臺排污泵，保證污水及時排出。

3.7 安防報警系統

場站的安防報警包括營區、圍墻、機關辦公樓三個區域的安防監控和報警。

智能控制系統可通過中央管理平臺實時查看每臺監控攝像機的畫面，可選擇多畫面或單畫面顯示，同時可對攝像機進行伸縮、轉向、調焦等控制。

對于圍墻周界監控，系統采用實時報警模式。管理人員可在有報警發生時通過中央管理平臺及時調用對應的監控畫面，及時地對突發事件予以處理。

3.8 電梯系統

電梯系統包括三臺電梯。智能控制系統監測每臺電梯的上下行狀態以及運行樓層，可通過中央管理平臺實時查看每臺電梯的運行情況，同時可結合安防報警系統及時調用電梯所運行到的樓層的視頻監控圖像，確保可以及時跟蹤了解每臺電梯的人員出入情況，保證機關辦公大樓的安全。

3.9 消防系統

消防系統包括兩臺消防主機。智能控制系統監測消防主機的運行狀態和故障報警，對各消防線路進行實時監測報警；可通過中央管理平臺實時查看每臺監控主機與各消防線路的運行情況和報警情況，對消防報警進行及時的提示。管理人員可通過管理平臺實時查看消防系統的運行情況，對突發情況進行實時的處理。

4 能源管理分析

能源管理的內容包括電能實時顯示、電能報表、水量實時顯示、水量報表以及水源熱泵系統報表。通過這些能源統計及報表處理，管理人員可以獲知任意時間段的能源使用情況，并可據此對整個場站的能耗使用進行有根據的管理，還能通過后續監控跟蹤能耗管理調度的成效。

4.1 電能實時顯示

管理人員可通過電能實時顯示界面實時查看各區域建筑的電能使用情況。

4.2 電能報表

如圖6所示，電能報表分為電能時間段報表、電能月報表、電能年報表、電能消耗實時報警、電能分析圖，其中電能時間段報表支持選擇任意時間段進行電能消耗值查詢；電能消耗實時報警可根據管理人員設置的每棟建筑的電能使用限值，在建筑用電量即將達到限值和已經到達限值時發出報警通知，提示管理人員根據報警情況對用電進行管理；電能分析圖支持任意選擇不同月份的電能消耗值進行對比。

4.3 水量實時顯示

管理人員可實時查看地下水和市政供水兩個水源的使用情況。

4.4 水量報表

水量報表和電能報表類似，在此不再贅述。

4.5 水源熱泵系統報表

如前文對冷熱源系統的介紹中所說，能源計量系統可以在對水源熱泵系統的能源管理中，計算出空調使用電能、制備生活熱水所使用的電能以及各區域空調系統使用的電能。通過這些數據可以得出與電能監測類似的數據分析，管理人員可以根據這些數據分析及時調整空調及水源熱泵機組運行策略，降低能源消耗。