既有大型公共建筑設備監控系統的升級改造

倪燕欣

(國家大劇院， 北京 100031)

1 引言

大型公共建筑的耗能主要集中在暖通空調等機電設備上。既有建筑的電氣設備節能改造，是業主在對設備運行狀況有了相當程度了解的基礎之上，為提高建筑運行效率而進行的改造建設,不同于開發商為滿足投資方和業主總體需求而建設的新建建筑。因此，大型公共建筑的設備節能改造應是目標明確并以投入低成本贏得高效益為原則的投資建設，投資回報率相對較高。通過合理的低成本改造，提高建筑物主要用電設備的運行效率，最大限度地實現節能，是既有建筑設備節能改造的目標和重點。

設備監控系統對于大型公共建筑設備節能運行管理的重要作用已得到廣泛認可。對于封閉式結構的大型公共建筑，空氣處理設備和公共照明完全依靠設備監控系統來控制和調節。設備監控系統如果運行不暢，不但會影響設備自動控制效果，對于設備的節能管理更是無從談起。因此，對運行品質不佳的自控系統實施有效的設備更新與升級改造，可在提高自動控制品質的同時提升建筑物的設備管理水平，并在建筑節能方面實現事半功倍的效果。

2 原有系統分析

建筑設備監控系統的結構配置、系統調試質量及設備運行管理對于建筑物設備能否高效運行相當重要。對于一個功能需求完善的超大規模建筑來講， 1999年末進入市場的某國外品牌設備監控系統已不能滿足日益精細的環境控制管理需求。

2.1 系統結構

原系統采用Infinet 現場總線，InfinityII專有通訊協議，由5臺主控器集成管理層并與控制層之間進行信息傳遞。控制層包括19路現場通信網絡。各單段控制子網的節點設備數量上限為32個，以手拉手方式連接。這種網絡結構中任一DDC控制器的異常都會影響到整條通訊鏈路的正常工作，其弊病是一旦網絡控制器故障或某個DDC控制器故障即造成整個網絡的癱瘓，無法及時完成設定參數的修改和控制命令的下達以及設備狀態的集中監視。

2.2 設備配置

原系統在深化設計時，同一設備的監控點分別被配置在不同的DDC控制器上。由于DDC控制器支持點數有限，導致經常會出現某一控制邏輯需調用不同DDC上的參數點來完成控制的情況，而且這樣的配置并不是個例。對于通訊速率為19 200bps的超大系統，系統輪詢時間和響應時間超長，嚴重影響了控制品質，甚至某些基本控制要求都難以滿足。

2.3 專有通訊協議

原系統通過自定義ASCII通信驅動程序完成網絡控制器與第三方系統的設備通訊。系統通訊協議的不公開造成集成成本昂貴，與其他系統的數據共享與集成變得非常困難。

2.4 無法實現最佳控制

自動控制無法實現設備運行管理的基本要求，控制品質和節能減排更無從談起。由于設備固有的局限性，僅通過調節和優化管理等無成本手段無法實現節能管理措施的升級。如要改變現狀，只能通過設備的更新改造來完成系統的升級，滿足設備節能管理需求。

3 升級改造原則與意義

為了改善控制品質，提高管理水平，設備監控系統的升級改造必須以最大限度地節約資金為首要原則。技術上既要符合行業發展趨勢并適度超前，又需具備系統運行的穩定性、通訊協議的開放性、系統拓撲的靈活性、優良的集成特性以及先進的網絡管理特性等。

對于一個大于5 000點規模的大型設備監控系統，在不影響建筑物正常運行的前提下，進行主要設備更新改造是無法一步到位的。根據實際運行情況，項目決定將冷熱源和空調部分的自控系統進行分區域分批次的設備更新，完成系統升級改造。一方面可減少原系統通訊線路的容載量，另一方面可滿足空調系統的精細化控制與調節，為建筑物提供更加舒適的觀演環境，并可實現設備的節能控制運行。

4 技術可行性分析

為滿足建筑物的各種使用功能需求，力求通過設備監控系統的升級改造實現機電設備的安全、可靠、先進、便捷、節能與高效運行。為了降低改造投資額節約資金，該項目針對建筑物獨特的結構，決定充分利用現有的信息網絡來搭建設備監控系統平臺，重新組建系統架構，對中央監控設備和現場控制設備進行更新與升級改造。

4.1 系統架構的搭建

設備監控系統的架構與配置是否合理關系到系統是否能夠穩定、高效地運行。傳統的網絡結構為：中央監控站與網絡控制器通過以太網相連，網絡控制器與DDC現場控制器通過現場總線專用通信網絡相連，傳感器和執行器等末端設備連到各DDC控制器。隨著嵌入技術的發展，DDC控制器整合了網關功能，可支持多種通訊協議，同時簡化了網絡結構。這種結構具有同層資源共享功能，避免因某一個DDC控制器損壞或異常電壓介入而影響整條網絡通訊的現象。當系統工作站因故障無法完成控制命令傳輸時，控制器同層間可保持順暢通訊。

4.2 管理網絡的優化升級

作為以自動控制技術與網絡技術相互融合的應用系統，網絡技術的應用從某種程度上講代表著設備監控系統的發展水平。因此，管理網絡的優化升級非常關鍵。

升級后的系統采用Browser/Server軟件結構，支持Web訪問功能，并具有網絡管理和同層資源共享功能。軟件采用開放式結構設計，便于第三方數據集成到管理網，實現建筑物內多系統的數據共享與集成功能。現場數據連續不斷地保存到數據庫服務器中，供系統查看、顯示，這些數據通過系統后臺運行方式保存，調用歷史和當前數據時，系統無需從DDC控制器中讀取，保證了更好的實時性能。系統結構見圖1。

圖1 管理網絡系統結構圖

4.3 現場控制層的升級

設備監控系統的更新升級，受原有布線的局限性影響，改造施工難度較大。因此，現場DDC控制器的升級成為主要被改造對象。重新進行DDC控制器的配置，除溫度傳感器外，其他傳感器和執行機構設備保持不變。這樣最大限度地減少了改造投資成本。模塊化的DDC直接數字控制器基于BACnet協議，內部集成BACnet路由器，支持BACNet IP網絡，通過建筑物內現有的信息布線網絡與中央站連接在一起。這樣中央監控室和現場控制器之間不需要單獨設置網絡控制器設備，減少了故障環節和通訊失敗的幾率。DDC控制器采用32位高性能處理器，具有32MB SDRAM用于數據存儲，32MB內存用于程序存儲，具備獨立的工作能力，在不同應用中保持數據的一致性和控制的實時性。高性能DDC控制器也使得系統通訊速率大幅提高，穩定性也大幅提高。

5 系統配置及改造實施重點

5.1 優化監控點的配置

改造工程首先要對系統的監控功能進一步完善，在原來點表的基礎上增加或修改了部分監控點。例如為應對北京的霧霾天氣，為建筑物提供良好的室內空氣，將部分空調機組加裝中效過濾器，并將壓差報警開關更改為微壓差監測，對過濾網的檢測更為精細，同時為清洗或更換過濾網提供有效的數據支撐。例如為大型重要空調機組增加了風量和混風溫濕度檢測，為風機變頻調速和溫濕度調節提供更佳的控制參量。

根據系統選擇相對應的溫度傳感器。因不同品牌對溫度傳感器選型有所不同，有的系統支持10kΩ熱敏電阻型，有的系統支持20KNTC或Pt1000，所以溫度傳感器需要隨系統而定。其他傳感設備為0(2)～10V、0(1)～5V電壓信號或0(4)～20mA電流信號，只要與系統的輸入信號相配即可。系統輸出信號一般都為0(2) ～10V電壓信號或0(4)～20mA電流信號，適用于所有的執行器設備，因此信號連接部分無需改動。

5.2 人機交互設備的配置與應用

在每一個重點區域配置HMI人機交互設備。HMI為觸摸屏操作顯示，安裝在DDC盤箱上。檢查設備狀態的巡視人員在控制箱體外部就可直觀便捷地查看被控設備的運行狀態。對于在現場維修設備的專業人員，不必受限于現場控制器與中控室的通訊情況，即可通過HMI查看本機設備狀態，查看同層設備的運行狀態及其監控參數。 見圖2。

圖2 觸摸屏操作顯示

5.3 節能控制策略的優化

為使設備監控系統在節能管理方面的表現更加出色，優化了大型耗能空調機組的控制策略，包括過渡季新風閥的優化調節，夏季除濕模式變露點溫度調節，通過在操作界面添加演出和非演出時間段的選擇，全新風模式的選擇，定露點和變露點模式的選擇等，加入人為控制因素，使得控制程序可最大限度地應對不同的功能時間段，既能滿足用戶需求，又能最大限度地做到自動節能控制。控制程序越復雜，控制功能就越完善，節能效果也會更加顯著。

5.4 網絡和數據服務功能的應用

系統升級后為設備管理者提供了便捷的管理模式和強有力的數據支撐。支持多用戶Web瀏覽的系統使管理人員在建筑物內的任何地方可隨時查看到設備運行狀態，修改參數，還可通過TCP/IP網絡直接訪問控制器，調用查看控制器的所有參數。另外，通過設置歷史記錄、趨勢記錄、分級報警等功能，可有效地利用運行數據實現設備的高效管理。系統界面見圖3。

5.5 冗余服務器的配置

對于一座完全封閉的建筑物來說，暖通空調系統的正常運行至關重要。為保證系統數據記錄的連續性和完整性，配置了冗余服務器，見圖4，實現了服務器的雙機熱備互投功能。

6 施工和調試過程中的注意事項

既有建筑的設備節能改造,受建筑結構、建筑裝飾、布線方式、設備型號等諸多因素影響，在不能影響建筑物正常運行的前提下，相比于新建建筑，其工序復雜、施工難度大。

圖3 支持多用戶Web瀏覽的系統

圖4 配置冗余服務器

6.1 制定工期計劃并嚴格執行

既有建筑的改造項目的最大特點就是絕對不能影響建筑物內設備的正常運行。在改造項目開始前，協調好設備的停機時間，排好工期，嚴格按照計劃施工和調試。

6.2 安排緊湊合理的施工工序

為了最大限度地保證原系統及被控設備的正常運行，只能進行分區域分批次的改造施工。在設備停機拆除前，先對新增設備進行管線敷設與打孔安裝。施工正式開始后，首先拆除舊盤內的接線并做好標記，拆除舊DDC控制器及盤箱，接下來安裝新控制盤箱，上電前的檢查，設備接線、校線，所有工序要求在最短時間內完成。接下來是DDC控制器上電，設備初始化，調試網絡通訊，然后進行逐點調試。最后是設備聯動調試。此時，將設備投入自動控制運行，完成各工況控制程序的測試。這樣，一個機房的施工調試時間最多為兩天，可將自動控制的失效時間降至最低。

7 結束語

通過對設備監控系統的中央監控設備和現場控制設備的更新，使落后的設備監控系統得到了全面的升級。控制系統的響應時間明顯縮短，通訊速率大幅提高。通過不斷完善和優化的控制策略調試，控制品質也有了明顯的提升。作為既有建筑的電氣設備節能改造項目，設備監控系統的升級改造可起到事半功倍的效果，對于提升智能建筑高耗能設備的運行效率具有非常重要的意義。