BMS在設(shè)施管理中的應(yīng)用及發(fā)展方向探析

摘要：為了推進制造過程智能化，2015年我國提出了“中國制造2025”目標，目前國內(nèi)大部分工廠開始實行制造過程智能化。現(xiàn)從科思創(chuàng)研發(fā)中心BMS（Building Management System）控制系統(tǒng)升級改造出發(fā)，闡述BMS在設(shè)施管理中的應(yīng)用及其未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：BMS;設(shè)施;制造過程智能化;“中國制造2025”

0? ? 引言

隨著自動化及信息技術(shù)發(fā)展，制造業(yè)批量生產(chǎn)向智能化推進，傳統(tǒng)模式設(shè)備管理弊端越來越顯著，借助計算機軟件管理設(shè)備、設(shè)施成為未來發(fā)展趨勢，即通過設(shè)備設(shè)施自動化升級改造及采購新智能設(shè)備，采集、存儲、分析設(shè)備運行數(shù)據(jù)，將一系列運行數(shù)據(jù)傳輸至云平臺，管理生產(chǎn)設(shè)備、設(shè)施，實現(xiàn)公司—工廠—車間—智能單元—智能設(shè)備等層級展示，最終實現(xiàn)工業(yè)4.0目標。本文對科思創(chuàng)實驗室智能化改造設(shè)施應(yīng)用及發(fā)展方向進行了探析。

1? ? 改造前后公司設(shè)施概狀

改造前，中央空調(diào)系統(tǒng)、空壓機、蒸汽、純水站、氮氣、冰水、冷卻水、配電等操作、調(diào)試在現(xiàn)場進行，浪費大量人力、物力，同時對生產(chǎn)造成重大影響。如：各實驗室冰水量通過手動閥門進行調(diào)節(jié)，每次調(diào)節(jié)需要幾天進行摸索嘗試，天氣變化顯著、換季時須重新調(diào)節(jié)，導(dǎo)致實驗室溫濕度變化較大，實驗數(shù)據(jù)不準確，延緩了工廠批量生產(chǎn)。鑒于此，對該項目設(shè)施進行智能化升級改造。改造后，閥門開度調(diào)節(jié)等操作僅需在BMS控制室顯示屏進行，可將溫度控制在（20±2）℃，濕度控制在（75±3）%，能耗節(jié)約率約為3%，電能從50萬kWh/月降為36萬kWh/月，水量從1 200 t/月降為850 t/月，人員由25人降至16人。

2? ? BMS自控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計簡介

本項目改造工程為獨立自控系統(tǒng)，預(yù)留未來聯(lián)網(wǎng)接口。BMS系統(tǒng)采用DDC及I/O模塊為基本控制單元，在電話機房設(shè)置工程師站及數(shù)據(jù)服務(wù)器等，實現(xiàn)集中監(jiān)控管理，總體實現(xiàn)分散控制、集中管理系統(tǒng)架構(gòu)。位于控制室操作站、工程師站等上位機經(jīng)光纖通過以太網(wǎng)訪問DDC以太網(wǎng)通信模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。控制室中央交換機至控制系統(tǒng)DDC通信介質(zhì)使用單模光纖，安防系統(tǒng)及消防系統(tǒng)由網(wǎng)關(guān)介入IMS系統(tǒng)。BMS智能化升級改造包括空調(diào)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、空氣壓縮機、冰水、冷卻水、蒸汽、氮氣、采暖系統(tǒng)、UPS等。鑒于空調(diào)為能耗大戶，本文主要介紹BMS中空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用。

3? ? BMS中空調(diào)的應(yīng)用

3.1? ? 本改造工程空調(diào)器控制原理

（1）空調(diào)系統(tǒng)采用DDC控制。送風(fēng)溫度控制：根據(jù)送風(fēng)總管溫度信號，調(diào)節(jié)空調(diào)表冷盤管水量或加熱盤管水量，調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度，保證室內(nèi)溫度達到設(shè)定值。

（2）風(fēng)機控制：根據(jù)送風(fēng)總管靜壓信號，通過變頻器調(diào)節(jié)送風(fēng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速，維持送風(fēng)總管靜壓恒定;根據(jù)空調(diào)箱排風(fēng)轉(zhuǎn)輪出口段靜壓信號，調(diào)節(jié)變頻器排風(fēng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速，維持排風(fēng)轉(zhuǎn)輪出口端靜壓恒定。

（3）各級過濾器壓差報警：各級過濾器設(shè)壓差顯示報警裝置，自動顯示壓差，超過設(shè)定值時自動報警。

（4）防凍保護：接收加熱盤管后溫度信號，溫度低于5 ℃（可調(diào)），關(guān)閉送風(fēng)機，發(fā)出報警信號。

（5）火災(zāi)時，風(fēng)管內(nèi)空氣溫度達到70 ℃，防火閥自動關(guān)閉，切斷送風(fēng)機電源，將信號傳至消防控制室。送排風(fēng)主管分別設(shè)置煙感探測器，消防值班室接到煙警信號，可由消防人員手動遠距離關(guān)閉防火閥，切斷送排風(fēng)機電源，關(guān)閉新風(fēng)入口及排風(fēng)口電動閥。

（6）監(jiān)測空調(diào)運行狀態(tài)，故障時自動關(guān)閉送風(fēng)機并報警。

3.2? ? DDC現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

通過溫度、濕度、壓力、壓差等傳感器實現(xiàn)DDC現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、儲存、分析，傳送給BMS系統(tǒng)，在顯示屏上調(diào)節(jié)至合適參數(shù)：

（1）通風(fēng)模式：送排風(fēng)轉(zhuǎn)輪前后溫差小于2 ℃，關(guān)閉冷、熱盤管電動閥;調(diào)節(jié)新風(fēng)及排風(fēng)電動閥至最大，聯(lián)鎖關(guān)閉空調(diào)箱內(nèi)回風(fēng)電動閥，全新風(fēng)運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)節(jié)能，轉(zhuǎn)輪通過換熱將排氣熱量傳遞給新風(fēng)，以便節(jié)約能源。

（2）空調(diào)模式：送排風(fēng)轉(zhuǎn)輪前后溫差大于2 ℃，溫度信號控制冷、熱盤管電動閥開度及房間CO2濃度探測結(jié)果來控制新風(fēng)電動閥，聯(lián)鎖調(diào)節(jié)排風(fēng)機電動閥和回風(fēng)電動閥開度，確保新風(fēng)量不少于總風(fēng)量17.4%。

（3）冬季冷機關(guān)閉，機組回風(fēng)溫度超過設(shè)定值，打開房間電動密閉百葉，聯(lián)鎖關(guān)閉回風(fēng)干管電動密閉閥，打開回風(fēng)支管電動密閉閥，全新風(fēng)運轉(zhuǎn)。冷機啟動后，聯(lián)鎖關(guān)閉全新風(fēng)，改為正常運轉(zhuǎn)。

3.3? ? 通風(fēng)系統(tǒng)BMS界面操作

通過DDC監(jiān)控現(xiàn)場各實驗室房間溫濕度及風(fēng)機箱各段參數(shù)，發(fā)現(xiàn)異常或故障報警，操作人員通過電腦顯示參數(shù)進行故障判斷、分析、維修，縮短停機時間;同時，根據(jù)各實驗室不同需求，設(shè)定不同溫度來保障產(chǎn)品實驗結(jié)果，對空調(diào)運行來說，應(yīng)確保各實驗室模式一致，比如均為制冷。冷盤管給水量大及溫度過低，后道熱盤管再次進行加熱，會導(dǎo)致能源浪費，因此，BMS操作界面應(yīng)嚴格監(jiān)控現(xiàn)場過冷、過熱。

3.4? ? 冰水系統(tǒng)DDC現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

安裝電動閥、溫度傳感器、流量計、壓力傳感器、壓差傳感器、濕度傳感器等熱敏元件對冷機、冷卻塔、板換等設(shè)備進行參數(shù)監(jiān)控，參數(shù)通過DDC及I/O傳輸至BMS控制軟件，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示在BMS顯示屏，調(diào)整數(shù)據(jù)控制設(shè)備運行參數(shù)。

（1）每臺冷機帶控制柜，控制冰水機組及配套冷卻塔、電動閥、冷卻水泵、冰水泵聯(lián)鎖功能和運行參數(shù)。采取機組群控模式，根據(jù)末端負荷需求自動增減機組。

（2）冰水泵根據(jù)供回水壓差進行變頻調(diào)節(jié)，冰水供水干管之間裝設(shè)自力式壓差旁路調(diào)節(jié)。

（3）冷卻泵根據(jù)冷機負荷進行變頻調(diào)節(jié)，冷卻水供回水總管之間裝溫度旁路調(diào)節(jié)，冷卻塔風(fēng)機根據(jù)室外濕球溫度、冷卻水進出水溫差、冷機負荷調(diào)節(jié)頻率。

（4）全自動水處理器自帶控制功能，全自動加藥裝置帶檢測水質(zhì)、自動排水功能。

（5）冷機設(shè)備運行狀態(tài)、主要參數(shù)、報警信號引至控制室集中監(jiān)控。

（6）啟動順序：冷卻泵—電動蝶閥—冷卻塔—冰水泵—冷凍機。停機與啟動順序相反。

3.5? ? 冷水系統(tǒng)BMS界面操作

操作界面可以更好地監(jiān)控冷機運行參數(shù)、機組啟停狀況、供回水溫度、壓力、水流量、負荷、冷機故障報警，及時發(fā)現(xiàn)故障并消除。如：可設(shè)定冷機給水溫度為13 ℃，溫度高于13 ℃，則冷機自動啟動。研究證明，機組運行負荷>30%，一方面能確保機組安全運行（避免喘振），另一方面也節(jié)約了能源。監(jiān)控旁通閥開度使其最小，進而節(jié)能;屏幕顯示故障報警，及時安排人員處理，避免小問題導(dǎo)致設(shè)備重大事故發(fā)生。因此，冷水系統(tǒng)應(yīng)監(jiān)控冷機負荷及旁通閥開度。

3.6? ? BMS控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)操作的優(yōu)缺點

（1）更精確地控制實驗室溫濕度，符合客戶對環(huán)境的需求。

（2）操作更簡單，直接在BMS操作電腦上進行操作。

（3）自動顯示報警故障，隨時監(jiān)控溫濕度變化，發(fā)現(xiàn)溫濕度異常現(xiàn)象及時調(diào)整，確保溫濕度變化在需求范圍之內(nèi)，傳統(tǒng)操作發(fā)現(xiàn)溫度異常至恢復(fù)正常，長達2～3 h。

（4）節(jié)約人力，傳統(tǒng)操作大量人員在現(xiàn)場巡視，對員工依賴性較大;BMS操作只需一人監(jiān)控屏幕顯示參數(shù)即可。

（5）升級改造后對操作人員技能要求比較高，另外，改造費用也較高。

3.7? ? BMS如何控制電能消耗

（1）節(jié)能設(shè)備：變頻水泵、變頻風(fēng)機、轉(zhuǎn)輪換熱器、變頻冰水機組等。

（2）控制冷、熱盤管過冷、過熱，旁通閥開度，節(jié)約電能。

（3）定時開關(guān)機功能可節(jié)約電能。

（4）適宜天氣狀況，自動將空調(diào)模式改為通風(fēng)模式，減少冷機能耗。

（5）滿足需求，控制冰水供水溫度降低能耗。研究表明，冰水溫度每升高1 ℃，冰機能耗降低11%，冰水出水溫度宜控制在8～13 ℃。

（6）轉(zhuǎn)輪換熱器主要是用實驗室排放出的廢氣里所含冷量給新風(fēng)降溫，避免加大第一道冷盤管負荷，從而達到節(jié)能減排的目的。

4? ? 結(jié)語

隨著德國工業(yè)4.0及我國“中國制造2025”目標的提出，國內(nèi)醫(yī)藥、石油化工、生物、電子、半導(dǎo)體等行業(yè)BMS智能控制基本完成升級改造，國際上多數(shù)企業(yè)實現(xiàn)了設(shè)施BMS控制。未來，基于對運行數(shù)據(jù)的采集、儲存、分析，BMS系統(tǒng)可增加設(shè)施預(yù)防性維護計劃、備件、故障分析及設(shè)施利用率等各類設(shè)施管理程序，以促進“中國制造2025”目標的完成。

[參考文獻]

[1] 王崢，李曉東，張瑩，等.基于無線傳輸模塊DTU的觸摸屏及串口PLC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2019，37（3）：73-75.

收稿日期：2020-04-21

作者簡介：謝賢林（1979—），男，安徽蕭縣人，高級設(shè)施經(jīng)理，研究方向：機電。